一種寬帶電磁引信直接耦合干擾的快速補(bǔ)償方法

譚思煒, 趙 軍, 張 萌, 任志良

一種寬帶電磁引信直接耦合干擾的快速補(bǔ)償方法

譚思煒, 趙 軍, 張 萌, 任志良

(海軍工程大學(xué) 兵器工程學(xué)院, 湖北 武漢, 430033)

寬帶信號具有較好的抗干擾性能和反對抗能力, 但要在魚雷電磁引信上實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用仍有許多問題亟待解決, 寬帶直接耦合干擾的快速、有效補(bǔ)償問題即是其中之一。文中分析研究了魚雷寬帶電磁引信直接耦合干擾的特征, 提出了一種快速、有效的寬帶直接耦合干擾補(bǔ)償方法。該方法采用Butterworth低通濾波器傳遞函數(shù)對遞推最小二乘算法的遺忘因子迭代更新模型進(jìn)行改進(jìn), 解決了標(biāo)準(zhǔn)算法在對突變信號的快速跟蹤性能與低穩(wěn)態(tài)誤差特性上的矛盾。將改進(jìn)算法分別應(yīng)用于跳頻和調(diào)相2種寬帶體制下魚雷電磁引信直接耦合干擾的自適應(yīng)補(bǔ)償中, 并進(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)果表明, 文中改進(jìn)的自適應(yīng)算法對突變信號具有較好的跟蹤性能和較低的穩(wěn)態(tài)誤差, 能夠?qū)崿F(xiàn)對跳頻體制和調(diào)相體制魚雷寬帶電磁引信直接耦合干擾的快速、有效補(bǔ)償。

魚雷;電磁引信;寬帶信號;直接耦合干擾; 自適應(yīng)補(bǔ)償

0 引言

隨著戰(zhàn)場電磁環(huán)境的日趨惡劣, 魚雷對抗手段的不斷升級, 現(xiàn)代戰(zhàn)爭對傳統(tǒng)魚雷電磁引信的抗干擾能力提出了新的挑戰(zhàn)和更高要求。受海水導(dǎo)電性的影響, 魚雷電磁引信采用單頻窄帶信號體制[1], 容易被對方實(shí)施干擾, 甚至誘爆。針對傳統(tǒng)魚雷電磁引信抗干擾能力的不足, 文獻(xiàn)[2]~[4]分別提出將跳頻、偽碼調(diào)相、線性調(diào)頻等寬帶信號體制應(yīng)用于魚雷電磁引信, 并通過仿真分析驗(yàn)證了方案的可行性。較傳統(tǒng)魚雷電磁引信而言, 魚雷寬帶電磁引信具有較強(qiáng)的抗干擾性能和反對抗能力, 但同時也意味著魚雷電磁引信對自身固有內(nèi)部干擾——直接耦合干擾的補(bǔ)償變得更為困難。

魚雷電磁引信通常采用自適應(yīng)補(bǔ)償方式消除直接耦合干擾[1]。由于直接耦合干擾與目標(biāo)信號具有強(qiáng)相關(guān)性, 自適應(yīng)補(bǔ)償只能在無目標(biāo)信號的情況下進(jìn)行, 并要求在引信安全距離保險解除前完成自適應(yīng)補(bǔ)償, 否則目標(biāo)信號會被同時抵消。寬帶信號體制下魚雷電磁引信的直接耦合干擾為非平穩(wěn)信號, 會隨著發(fā)射信號參數(shù)變化而突變。發(fā)射信號帶寬越寬, 需要的自適應(yīng)補(bǔ)償總時間就越長, 但可供引信自適應(yīng)補(bǔ)償?shù)臅r間是固定不變的, 這就對寬帶信號體制下直接耦合干擾的參數(shù)解算速度和精度都提出了非常高的要求。

針對魚雷電磁引信直接耦合干擾的補(bǔ)償, 文獻(xiàn)[5]~[7]分別提出了基于自適應(yīng)算法的補(bǔ)償方法, 但都未能針對寬帶信號體制進(jìn)行分析討論。針對自適應(yīng)算法的性能改進(jìn), 文獻(xiàn)[8]對傳統(tǒng)可變遺忘因子更新模型提出利用雙曲線正切函數(shù)進(jìn)行修正的方法, 但修正函數(shù)需要選取的參數(shù)較多, 部分參數(shù)物理意義不夠明確。文獻(xiàn)[9]提出的遺忘因子修正函數(shù)呈階梯式變化, 使得算法的跟蹤速度受到限制, 并且遺忘因子的突變使得系統(tǒng)的穩(wěn)定性受到影響。鑒于此, 文中提出一種魚雷寬帶電磁引信直接耦合干擾的快速補(bǔ)償方法, 該方法采用Butterworth低通濾波器傳遞函數(shù)對遞推最小二乘(recursive least squares, RLS)算法的遺忘因子迭代更新模型進(jìn)行了改進(jìn), 可實(shí)現(xiàn)對跳頻、調(diào)相寬帶信號體制下魚雷電磁引信直接耦合干擾快速而有效的自適應(yīng)補(bǔ)償。通過仿真分析驗(yàn)證了該方法的可行性, 為寬帶信號體制魚雷電磁引信的工程實(shí)現(xiàn)提供了技術(shù)參考。

1 寬帶電磁引信直接耦合干擾分析

魚雷電磁引信通常采用磁偶極子收發(fā)天線[1]。直接耦合干擾是由發(fā)射天線產(chǎn)生的輻射電磁場在接收天線上直接耦合產(chǎn)生的感應(yīng)電信號。受魚雷總體結(jié)構(gòu)限制以及海水介質(zhì)特性影響, 電磁波從發(fā)射天線到接收天線的能量傳播衰減比經(jīng)過目標(biāo)反射回來而產(chǎn)生的能量衰減要小得多[10], 即直接耦合干擾的幅度遠(yuǎn)大于目標(biāo)信號幅度, 通常為目標(biāo)信號的50~100倍[7], 且多普勒頻移可以忽略不計(jì)。因此, 直接耦合干擾與目標(biāo)信號具有極強(qiáng)的相關(guān)性, 可導(dǎo)致電磁引信接收機(jī)動作靈敏度下降, 必須予以消除。

電磁引信直接耦合干擾特征與發(fā)射信號體制、發(fā)射信號參數(shù)、收發(fā)天線配置方式以及距離等因素有關(guān)。從發(fā)射天線到接收天線, 電磁場在海水介質(zhì)中傳播造成能量衰減和相移, 因而直接耦合干擾與發(fā)射信號在幅度和相位上存在一定偏差。當(dāng)系統(tǒng)工作穩(wěn)定后, 電磁引信發(fā)射信號參數(shù)保持不變, 直接耦合干擾的幅度和相位差也穩(wěn)定不變, 在接收端呈現(xiàn)出等幅連續(xù)的正弦波, 頻率與發(fā)射信號相同。

令單頻發(fā)射激勵信號如式(1)所示, 則直接耦合干擾如式(2)所示

(4)

2 寬帶直接耦合干擾補(bǔ)償方案

2.1 補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)魚雷電磁引信采用硬件電路消除直接耦合干擾, 即通過硬件補(bǔ)償電路產(chǎn)生一路與直接耦合干擾幅度和相位相同, 頻率同步的補(bǔ)償信號與接收信號相減, 從而實(shí)現(xiàn)直接耦合干擾的對消[1]。但通常硬件電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 調(diào)試檢修難度大, 且不利于后續(xù)產(chǎn)品的升級換代, 一旦需要調(diào)整技術(shù)方案, 則需重新設(shè)計(jì)并制作硬件電路, 靈活性不如軟件方法。鑒于此, 文中采用純軟件算法完成補(bǔ)償, 對經(jīng)預(yù)處理的模擬信號直接采樣, 轉(zhuǎn)換到數(shù)字域后再進(jìn)行自適應(yīng)對消, 寬帶直接耦合干擾補(bǔ)償方案如圖2所示。

圖2 寬帶直接耦合干擾補(bǔ)償方案

接收天線感應(yīng)到的直接耦合干擾經(jīng)前置放大、濾波等處理后, 由數(shù)字模擬信號轉(zhuǎn)換(digital analog converter, A/D)芯片采樣, 作為自適應(yīng)濾波器的期望信號被送入到數(shù)字信號處理技術(shù)(digital signal processing, DSP)芯片。自適應(yīng)濾波器的參考信號由發(fā)射信號源直接進(jìn)行板級采樣得到, 一方面保證了參考信號與直接耦合干擾的時鐘同步, 另一方面板級采樣信噪比高, 避免了對參考信號的調(diào)理時延。自適應(yīng)濾波器框圖如圖3所示。

圖3 自適應(yīng)濾波器原理框圖

2.2 補(bǔ)償方案流程

寬帶直接耦合干擾補(bǔ)償流程如圖4所示, 整個補(bǔ)償方案分為自適應(yīng)補(bǔ)償和待發(fā)補(bǔ)償2個階段。

圖4 寬帶直接耦合干擾補(bǔ)償流程

魚雷電磁引信上電穩(wěn)定工作后, 接收機(jī)按照寬帶發(fā)射信號的所有參數(shù)特征變化, 依次對每一種參數(shù)下的直接耦合干擾進(jìn)行自適應(yīng)補(bǔ)償, 直到所有參數(shù)的發(fā)射信號都完成補(bǔ)償為止。接收機(jī)存儲發(fā)射信號所有參數(shù)下對應(yīng)的補(bǔ)償信號。這個過程在電磁引信解除安全距離保險前完成。

當(dāng)電磁引信進(jìn)入待發(fā)狀態(tài)后, 發(fā)射信號參數(shù)按照一定規(guī)律變化, 接收機(jī)按照相同的變化規(guī)律調(diào)用事先對應(yīng)存儲的補(bǔ)償信號, 并與接收信號相減, 從而達(dá)到寬帶直接耦合干擾補(bǔ)償?shù)哪康? 該階段即為待發(fā)補(bǔ)償階段。由于是直接調(diào)用補(bǔ)償信號而非自適應(yīng), 因而不會影響電磁引信對魚雷過靶目標(biāo)信號的接收與識別。

3 自適應(yīng)濾波器設(shè)計(jì)

3.1 自適應(yīng)算法分析

選擇合適的自適應(yīng)算法將有助于提高寬帶電磁引信直接耦合干擾的補(bǔ)償收斂速度。自適應(yīng)濾波算法主要包括最小均方法(least mean square, LMS)和RLS算法以及由以上標(biāo)準(zhǔn)算法衍生出的一系列算法族。不同的自適應(yīng)算法應(yīng)用背景不同, 性能各異。標(biāo)準(zhǔn)算法中, LMS算法跟蹤性能好, 計(jì)算簡單, 易于實(shí)現(xiàn), 但步長選擇對算法收斂性能影響很大, 步長越長收斂精度越高, 但收斂速度越慢。RLS算法采用時間平均使得收斂誤差明顯小于LMS算法, 但同時也因此而降低了對突變信號的跟蹤性能, 而魚雷寬帶電磁引信直接耦合干擾的快速補(bǔ)償正是需要算法具有較好的跟蹤性能和穩(wěn)態(tài)誤差。

圖5 變化理想曲線

3.3 臨界點(diǎn)選取

臨界點(diǎn)的選取直接關(guān)系到RLS算法如何兼顧突變信號跟蹤能力和穩(wěn)態(tài)誤差。通常有2種方法: 一種是根據(jù)處理信號變化特性選取固定的經(jīng)驗(yàn)值, 對于突變的直接耦合干擾可以選取較小的均方差作為臨界點(diǎn), 以獲得最佳跟蹤性能, 對于穩(wěn)定后的直接耦合干擾可以選取較大的均方差作為臨界點(diǎn)來提高補(bǔ)償精度, 這種方法方便實(shí)現(xiàn), 但需要對處理的數(shù)據(jù)具有先驗(yàn)知識, 有一定的局限性; 另一種是根據(jù)均方差的估計(jì)結(jié)果實(shí)時計(jì)算臨界點(diǎn), 使得算法具有較好的適應(yīng)性?；隰~雷電磁引信對信號處理實(shí)時性的要求, 文中采用均方值期望值作為遺忘因子變化的判斷臨界點(diǎn)。

圖6 自適應(yīng)濾波器計(jì)算流程

4 仿真分析

4.1 跳頻體制直接耦合干擾補(bǔ)償仿真

圖7 跳頻體制直接耦合干擾補(bǔ)償仿真

分別將文中方法與標(biāo)準(zhǔn)法應(yīng)用到跳頻體制直接耦合干擾的補(bǔ)償中, 仿真結(jié)果如圖7(b)~(g)所示。其中, 圖7(b)和(d)分別為標(biāo)準(zhǔn)法得到的補(bǔ)償信號和補(bǔ)償結(jié)果; 圖7(c)和(e)分別為文中方法得到的補(bǔ)償信號和補(bǔ)償結(jié)果。

從初始補(bǔ)償階段來看, 2種方法都有一個明顯的自適應(yīng)過程, 這是由于自適應(yīng)濾波器迭代初始化時將輸入數(shù)據(jù)初始為0造成的, 但標(biāo)準(zhǔn)法的自適應(yīng)過程明顯長于文中方法, 初始化收斂速度慢。從整個補(bǔ)償過程來看, 2種方法的初始化自適應(yīng)耗時都是跳頻直接耦合干擾補(bǔ)償?shù)闹饕臅r。因此, 提高初始化自適應(yīng)收斂速度將有利于提高整體補(bǔ)償速度。當(dāng)跳頻時, 文中方法比標(biāo)準(zhǔn)法收斂速度明顯要快, 重新自適應(yīng)調(diào)整時間短。能夠在短時間完成新頻率下的直接耦合干擾補(bǔ)償。圖7(f)和(g)給出了2種方法的學(xué)習(xí)曲線, 可以明顯看出2種方法收斂速度的差異。在穩(wěn)態(tài)誤差方面, 除初始補(bǔ)償階段外, 文中方法的穩(wěn)態(tài)誤差均小于或接近10-20。

4.2 調(diào)相體制直接耦合干擾補(bǔ)償仿真

圖8 調(diào)相體制直接耦合干擾補(bǔ)償仿真

圖8(b)和(d)分別為采用標(biāo)準(zhǔn)法得到的補(bǔ)償信號和補(bǔ)償結(jié)果; 圖8(c)和(e)分別為采用文中方法得到的補(bǔ)償信號和補(bǔ)償結(jié)果。通過比較不難發(fā)現(xiàn), 2種方法同樣在初始化階段自適應(yīng)過程中耗時相對較多, 但與標(biāo)準(zhǔn)法相比, 文中方法在初始階段自適應(yīng)收斂速度遠(yuǎn)快于標(biāo)準(zhǔn)法。當(dāng)直接耦合干擾的相位發(fā)生突變時, 文中方法表現(xiàn)出了較好的跟蹤性能, 收斂速度比標(biāo)準(zhǔn)法有明顯優(yōu)勢。圖8(f)和(g)給出了2種方法的學(xué)習(xí)曲線。收斂速度上, 文中方法明顯較快, 穩(wěn)態(tài)誤差方面, 除初始補(bǔ)償階段外, 文中方法穩(wěn)態(tài)誤差均都小于10–10, 在最后一個相位突變階段, 穩(wěn)態(tài)誤差小于10–20, 與標(biāo)準(zhǔn)法相當(dāng)。

5 結(jié)束語

隨著寬帶信號體制在魚雷電磁引信中的應(yīng)用, 直接耦合干擾也將變得復(fù)雜化, 如不進(jìn)行有效、快速補(bǔ)償, 將會對可用信號帶寬帶來限制。文中針對魚雷寬帶電磁引信直接耦合干擾的快速、有效的補(bǔ)償問題, 提出基于可變遺忘因子的RLS自適應(yīng)濾波器的補(bǔ)償方法, 該方法采用Butterworth低通濾波器模型代替遺忘因子的迭代更新模型, 可提高標(biāo)準(zhǔn)算法對突變信號的跟蹤性能, 同時保證了較小的穩(wěn)態(tài)誤差。仿真結(jié)果表明, 文中方法較標(biāo)準(zhǔn)RLS算法具有自適應(yīng)收斂快, 穩(wěn)態(tài)誤差小的特點(diǎn), 能夠有效解決寬帶直接耦合干擾的快速、有效補(bǔ)償問題, 為相關(guān)問題的理論分析和工程應(yīng)用提供了參考和技術(shù)支持。文中只討論了該方法的理論可行性, 對方法的抗高斯白噪聲性能以及實(shí)際工程應(yīng)用效果還有待進(jìn)一步研究。

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A Method for Fast Compensating Direct Coupling Interference of Wideband Electromagnetic Fuze

TAN Si-wei, ZHAO Jun, ZHANG Meng, REN Zhi-liang

(College of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

Wideband signal has anti-interference and counter-countermeasure properties. However, engineering application of wideband signal to torpedo electromagnetic fuze still faces many problems, including fast and efficient compensation of wideband direct coupling interference. In this paper, the characteristics of direct coupling interference of torpedo wideband electromagnetic fuze are analyzed, and a fast and efficient compensating method for wideband direct coupling interference is proposed. The transfer function of Butterworth low filter is used to modify the iterative updating model of forgetting factor in recursive least squares algorithm. The modification resolves the contradiction between the ability of singular signal fast tracking and the low steady state error. This method is applied to adaptive compensation of direct coupling interference of torpedo electromagnetic fuze with two wideband signal systems of frequency hopping and phase modulation, respectively. Simulation analysis shows that the improved adaptive algorithm has better tracking performance of singular signals with low steady state error. The proposed method could realize fast and efficient compensation of the direct coupling interference in the wideband signal systems of frequency hopping and phase modulation, respectively.

torpedo; electromagnetic fuze; wideband signal; direct coupling interference; adaptive compensation

TJ431.7; TN972.1

A

2096-3920(2019)04-0420-08

10.11993/j.issn.2096-3920.2019.04.009

譚思煒, 趙軍, 張萌, 等. 一種寬帶電磁引信直接耦合干擾的快速補(bǔ)償方法[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報, 2019, 27(4): 420-427.

2018-12-03;

2019-01-24.

譚思煒(1985-), 男, 講師,主要從事水下目標(biāo)探測與識別技術(shù)研究.

(責(zé)任編輯: 許 妍)