魚雷電磁引信作用距離模糊分析及抑制方法*

唐 波，譚思煒，張靜遠(yuǎn)

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

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，電磁引信作為一種有效、可靠的目標(biāo)探測(cè)手段，被廣泛應(yīng)用于魚雷非觸發(fā)引信。目前，全球絕大多數(shù)的魚雷都裝配有電磁引信。對(duì)于魚雷電磁引信來說，為了盡可能減小直接耦合干擾的影響，通常采用接收器和輻射器垂直配置，即接收器和輻射器軸線相互垂直[1]，垂直配置方式的基本原理如圖1所示，接收器和輻射器通常都是帶有磁芯或者鐵芯的多匝線圈[2]。其中，輻射器用于在魚雷周圍產(chǎn)生均勻的輻射電磁場(chǎng)，而接收器則用于接收來自目標(biāo)散射的電磁場(chǎng)[3]。

圖1 垂直配置方式Fig.1 Vertical configuration

1 目標(biāo)回波信號(hào)分析

假設(shè)目標(biāo)為理想導(dǎo)體平面并且表面法線與線圈1軸線重合，如圖2所示。則魚雷電磁引信的目標(biāo)回波信號(hào)如式(1)所示。

圖2 目標(biāo)位置示意圖Fig.2 Object location S0(t)=Af(t)sin(ω0t+φτ)

(1)

其中，A為回波信號(hào)的幅值，f(t)為信號(hào)包絡(luò)，φτ為回波信號(hào)相位。

對(duì)于圖2所示的情況，由鏡像法可知

(2)

其中，M為輻射磁矩，μ0為海水磁導(dǎo)率，a為收發(fā)天線間距，h為輻射天線與目標(biāo)的距離[4]。

對(duì)于垂直配置方式來說，為了在雷體四周(垂直于魚雷縱軸平面上)形成360°均勻的接收指向性，通常采用軸線相互垂直的兩個(gè)接收線圈，其軸線構(gòu)成的平面垂直于魚雷軸線[5]，如圖3所示。

圖3 雙接收線圈垂直配置方式Fig.3 Vertical configuration of double receiving coils

當(dāng)魚雷發(fā)生橫滾或者目標(biāo)不在魚雷正上方時(shí)，即線圈1軸線與目標(biāo)的法線有一個(gè)夾角θ，則線圈1的輸出信號(hào)幅值為

(3)

線圈2的接收信號(hào)幅值為

(4)

圖4 接收指向性Fig.4 Receiving directivity

2 信號(hào)處理算法改進(jìn)

由式(1)～(4)可知，從信號(hào)幅度來說，線圈1和線圈2所接收到的信號(hào)是相互正交的。對(duì)于該信號(hào)，可以采用平方、求和、再開方的方式獲得接收線圈處信號(hào)強(qiáng)度的模值[6]，即

(5)

由式(5)可知，A是與夾角θ無關(guān)的量，且恒等于線圈接收信號(hào)幅度的最大值。因此，如果以該特征量作為檢測(cè)對(duì)象，顯然可以得到如圖4所示的虛線外圓的接收指向性。

因此，采用接收線圈處信號(hào)強(qiáng)度模值為檢測(cè)對(duì)象的電磁引信系統(tǒng)，顯然具有兩個(gè)明顯優(yōu)勢(shì)：

1)具有360°均勻的接收指向性；

實(shí)施發(fā)展測(cè)評(píng)主要目的在于促進(jìn)教師將培訓(xùn)習(xí)得的信息技術(shù)知識(shí)和技能主動(dòng)應(yīng)用于教育教學(xué)實(shí)踐和專業(yè)發(fā)展上。測(cè)評(píng)不能滿足于單純?cè)u(píng)定教師當(dāng)前信息技術(shù)應(yīng)用能力和水平，應(yīng)更多關(guān)注教師學(xué)習(xí)和應(yīng)用信息技術(shù)能力的過程和發(fā)展，全面了解通過培訓(xùn)教師信息技術(shù)應(yīng)用能力的遷移和提升情況，結(jié)合測(cè)評(píng)情況對(duì)教師的信息技術(shù)應(yīng)用能力進(jìn)行個(gè)性化分析、指導(dǎo)，并給出相應(yīng)的發(fā)展建議，支持教師在主動(dòng)應(yīng)用的實(shí)踐中不斷提升信息技術(shù)應(yīng)用能力。

2)消除了傳統(tǒng)電磁引信系統(tǒng)的作用距離模糊，提高了作用距離，增幅約1.12倍。

基于式(5)，對(duì)于電磁引信系統(tǒng)來說，在傳統(tǒng)接收系統(tǒng)信號(hào)檢波模塊后，應(yīng)當(dāng)增加求平方、加法以及開方模塊，將雙路信號(hào)處理轉(zhuǎn)換成單路信號(hào)處理[7-8]，如圖5所示。

圖5 幅值取模處理Fig.5 Modulo operation of signal amplitude

雙通道的電磁引信接收信號(hào)經(jīng)過圖5所示過程處理后，可得到接收信號(hào)強(qiáng)度的模值，并將雙路的接收通道轉(zhuǎn)換成單路，節(jié)省了空間和成本。

只要目標(biāo)等效散射面積和相對(duì)距離不發(fā)生變化，該模值就不會(huì)發(fā)生變化，因此可以獲得360°均勻的接收指向性，同時(shí)消除傳統(tǒng)電磁引信系統(tǒng)的作用距離模糊，提高了作用距離。

3 誤差分析及改進(jìn)措施

以上分析均基于圖3所示的接收線圈位置關(guān)系，然而實(shí)際情況是接收線圈無法安裝在魚雷軸線上，只能安裝在偏離軸線的殼體上，因此無法實(shí)現(xiàn)圖3中所示的配置。通常接收線圈配置如圖6所示[9-10]。

圖6 接收線圈配置形式Fig.6 Configuration of receiving coils

當(dāng)目標(biāo)仍然位于距離h處時(shí)，由式(3)和式(4)可得此時(shí)接收線圈1和接收線圈2的輸出信號(hào)幅值分別為

(6)

(7)

假設(shè)a=6 m，h=6 m，r=0.267 m，則可得到圖5所示處理后的電磁引信系統(tǒng)接收指向性，如圖7所示。

圖7 接收指向性Fig.7 Receiving directivity

由以上分析可知，產(chǎn)生作用距離模糊的主要原因是接收線圈偏離軸線，從而導(dǎo)致接收空間指向性不均勻。因此，可通過改善接收空間指向性來消除作用距離模糊。具體方法為，在魚雷雷體對(duì)稱的位置增加兩組線圈，如圖8所示。

圖8 改進(jìn)的接收線圈配置Fig.8 Improved configuration of receiving coils

圖8中線圈3和線圈1關(guān)于雷軸對(duì)稱，線圈4和線圈2關(guān)于雷軸對(duì)稱。由式(6)和式(7)可知線圈3和線圈4的輸出信號(hào)幅值分別為

(8)

(9)

分別取線圈1和線圈3、線圈2和線圈4輸出信號(hào)的均值作為兩路接收信號(hào)，再經(jīng)過式(5)所示的取模處理，便可得到360°均勻的接收指向性。改進(jìn)后的接收指向性如圖9所示。

圖9 改進(jìn)后的接收指向性Fig.9 Improved receiving directivity

由圖9可知，該方法消除了由于接收線圈偏離魚雷軸線而產(chǎn)生的引信作用距離模糊，提高了引信可靠動(dòng)作的作用距離。

4 結(jié)論

由以上分析可知，對(duì)于位于魚雷軸線上雙接收線圈的電磁引信系統(tǒng)來說，通過取模處理可以實(shí)現(xiàn)360°均勻的接收指向性，消除作用距離模糊，將引信可靠動(dòng)作的作用距離提高了約1.12倍(a=6 m，h=6 m)。

對(duì)于接收線圈偏離魚雷軸線的電磁引信系統(tǒng)來說，通過增加兩對(duì)對(duì)稱的線圈，并以兩組對(duì)稱位置線圈的均值作為接收信號(hào)，可得到360°均勻的接收指向性，消除了由于接收線圈偏離魚雷軸線而產(chǎn)生的引信作用距離模糊區(qū)，提高了引信可靠動(dòng)作的作用距離。

該方法可有效解決魚雷電磁引信系統(tǒng)作用距離模糊問題，同時(shí)可以提高引信作用距離，對(duì)魚雷電磁引信的研究以及裝備發(fā)展具有重要的參考價(jià)值。