基于分數(shù)階傅里葉變換的雙雷齊射主動自導方法

蔣 帥, 樊書宏, 郝保安

基于分數(shù)階傅里葉變換的雙雷齊射主動自導方法

蔣 帥, 樊書宏, 郝保安

(中國船舶重工集團公司 第705研究所, 陜西 西安, 710077)

針對雙雷齊射中可能產生的兩雷相互干擾問題, 文中提出了一種基于分數(shù)階傅里葉變換的雙雷齊射主動自導方法。兩雷通過分別發(fā)射不同調頻斜率的線性調頻(LFM)信號, 并利用分數(shù)階傅里葉變換對LFM信號的聚焦特性, 以實現(xiàn)雙雷回波信號的分離檢測。在此基礎上, 提出了雙雷齊射目標檢測的總體方案, 并進一步分析了影響目標參數(shù)估計結果的主要因素。不同信噪比條件下的仿真試驗結果表明, 利用分數(shù)階傅里葉變換可有效實現(xiàn)雙雷齊射目標檢測, 具有較強的抗干擾能力, 且雙雷基本可工作于同一頻段, 無需分頻段使用。該方法可對雙雷齊射條件下的主動自導提供參考。

魚雷; 雙雷齊射; 分數(shù)階傅里葉變換; 主動自導; 目標檢測

0 引言

魚雷作為海洋戰(zhàn)爭中的主戰(zhàn)武器, 在打擊水中各類艦艇目標中發(fā)揮著重要作用。其中, 魚雷自導是魚雷實現(xiàn)水下自動尋的和精確制導的關鍵技術[1]。魚雷主動發(fā)射探測脈沖信號, 并接收目標回波, 通過對回波信號的實時處理, 實現(xiàn)目標信號檢測以及目標參數(shù)解算等自導功能。

雙雷齊射是魚雷重要的作戰(zhàn)使用方式之一, 通過采用雙雷齊射可在一定程度上提高目標探測能力與命中概率, 它能覆蓋較大的目標機動區(qū)域和散布誤差, 使目標落入自導搜索扇面的可能 性增大[2]; 相對于連射, 齊射能在較短的時間內完成射擊準備, 在相同陣位上獲得更高的命中概率或在更遠的射擊陣位上獲得相同的命中概率[3], 從而有效提高對目標的探測和毀傷能力。但雙雷齊射情況下, 由于同一區(qū)域2條魚雷的自導系統(tǒng)同時工作, 其中一條魚雷的發(fā)射信號經(jīng)目標反射產生的回波可能被另一條魚雷的自導系統(tǒng)接收, 出現(xiàn)兩雷相互干擾的問題。因此, 雙雷齊射條件下抗互擾已經(jīng)成為各魚雷自導的重要性能指標。雙雷齊射態(tài)勢如圖1所示。

圖1 雙雷齊射示意圖

圖1中, 齊射的雙雷A和B同時對于同一目標區(qū)域進行目標搜索, 這種情況下, 雷A發(fā)射信號經(jīng)目標反射產生的回波信號可能被雷B自導系統(tǒng)接收, 導致雷B誤以為是自身發(fā)射信號產生的目標回波, 從而對目標的檢測和參數(shù)估計產生錯誤, 即對雷B自導目標跟蹤形成了干擾; 同樣, 雷B發(fā)射信號的目標回波也可能被雷A接收并正常處理, 對雷A自導目標檢測和跟蹤形成干擾。一旦出現(xiàn)相互干擾, 兩雷的探測邏輯將會變得混亂, 無法實現(xiàn)對真實目標的有效探測、參數(shù)估計、正常追蹤和攻擊[4]。

目前主要采用兩雷劃分不同子帶并分別工作于不同頻段的方式來避免互擾。但這樣可能存在2方面問題: 一是為了適應雙雷齊射, 每條魚雷自導必須同時具備2個不同工作頻段, 而實際使用中工作帶寬受到限制, 只能工作于其中某一個特定頻段(雷A或雷B), 不能充分發(fā)揮最大帶寬能力; 二是隨著當今魚雷寬帶自導技術的快速發(fā)展和普遍應用, 采用劃分不同子帶的方式, 在聲學裝置等總帶寬有限條件下, 難以滿足兩雷均工作于較大帶寬的自導需求。

文中提出了一種基于不同斜率調頻信號分數(shù)階傅里葉變換(fractional Fourier transform, FRFT)的雙雷齊射自導方法, 即利用FRFT對線性調頻(linear frequency modulation, LFM)信號調頻斜率的敏感特性, 實現(xiàn)魚雷主動自導對目標回波LFM信號的聚焦檢測。雙雷齊射情況下, 兩雷分別發(fā)射不同調頻斜率的LFM信號, 接收目標回波并進行FRFT, 在變換域分別根據(jù)各自調頻斜率進行目標回波信號檢測, 可有效實現(xiàn)雙雷目標回波信號分離, 避免雙雷目標回波相互干擾。這樣, 雙雷基本可工作于同一頻段, 無需分頻段使用。

1 分數(shù)階傅里葉變換

1.1 基本定義和性質

FRFT的研究最早見于1929年Wiener[5]的研究工作, 但直到1993年Almeida[6]指出FRFT可理解為時頻平面的旋轉、1996年Ozaktas等[7]提出快速離散算法后, 對FRFT的研究才逐漸由光學領域拓展到信號處理領域[8-9]。

FRFT的定義可從線性積分變換的角度給出

1.2 離散計算和歸一化處理

在實際工程應用時, 大多數(shù)處理的是離散信號, 根據(jù)Ozaktas的采樣型離散FRFT算法, 離散時域信號的分數(shù)階傅里葉域表示為

2 基于FRFT的魚雷主動自導目標檢測

2.1 目標檢測及參數(shù)估計

圖2 信號檢測流程圖

假設魚雷發(fā)射信號為

則接收的目標回波信號[11]可表示為

其中

2.2 仿真驗證

圖3 目標回波信號波形

圖4 目標回波信號檢測結果

表1 回波檢測參數(shù)估計值與真實值對比

仿真結果顯示, 該方法能夠完成目標信號的檢測, 且參數(shù)估計值與真實值誤差較小, 是可行的。

3 雙雷齊射抗互擾方法

3.1 總體方案

利用FRFT對LFM信號調頻斜率的聚焦特性, 可將具有不同調頻斜率的兩雷回波信號分離檢測, 總體方案如圖5所示。

圖5 雙雷齊射抗互擾總體方案

圖5中, 雷A自導系統(tǒng)發(fā)射信號S1, 遇到目標后產生回波信號S1; 同理, 雷B自導系統(tǒng)發(fā)射信號S2, 遇到目標后產生回波信號S2, 則雙雷均接收到的目標回波信號為S=S1+S2, 此時會有互擾的影響, 對接收信號S做FRFT得到S()。

利用不同調頻斜率的LFM信號聚焦在不同分數(shù)階傅里葉域的特性, 雷A在1對應的分數(shù)階域最優(yōu)區(qū)間展開搜索, 雷B可在2對應的分數(shù)階域最優(yōu)區(qū)間展開搜索, 即可得到各自自導發(fā)射信

號對應的目標回波信號, 進行參數(shù)解算后, 便可進行下一步的導引。

3.2 雙雷目標回波信號模型及檢測方法

假設雷A發(fā)射信號為

則有目標回波信號

同理, 若雷B發(fā)射信號

則其目標回波信號為

加入噪聲后, 則雙雷接收到的目標回波信號為

利用兩雷調頻斜率差異導致的回波信號能量聚焦階數(shù)不同, 各雷在回波信號檢測時, 選擇不同的階數(shù)區(qū)間進行搜索, 便可將兩回波信號分離, 進而得各自發(fā)射信號對應的目標回波信號, 而后按照上章所述方法便可實現(xiàn)對相應參數(shù)的估計。

3.3 雙雷抗互擾方法仿真

圖6 雙雷回波信號檢測結果

圖7 雷A回波信號檢測結果

圖8 雷B回波信號檢測結果

表2 雷A回波檢測參數(shù)估計值與真實值對比

表3 雷B回波檢測參數(shù)估計值與真實值對比

仿真結果顯示, 該方法能夠實現(xiàn)雙雷回波分離檢測, 且參數(shù)估計值與真實值相差較小, 證明了方法的可行性。

4 目標參數(shù)估計影響因素

4.1 調頻斜率

圖9 不同調頻斜率下聚焦階數(shù)估計值

圖10 不同調頻斜率下相對速度估計誤差

圖11 不同調頻斜率下的目標距離估計誤差

4.2 信噪比

圖12 不同信噪比下相對速度估計誤差

圖13 不同信噪比下目標距離估計誤差

圖14 SNR= –27時回波信號搜索圖

仿真結果表明, 調頻斜率較大時, 目標參數(shù)估計值更接近于真實值, 且該方法具有較強的抗噪性, 可在很低的SNR下仍具有較好的檢測性能。

5 結束語

針對魚雷雙雷齊射主動自導過程中的互擾問題, 提出了一種新的基于FRFT的抗互擾方法, 并對其工作原理和實現(xiàn)過程進行了詳細的闡述。在點目標回波模型下, 對單目標的回波信號進行了仿真驗證, 對處于噪聲環(huán)境下的回波信號進行了抗干擾能力的檢驗, 并進一步對雙雷回波信號抗互擾的解決方法進行了仿真驗證, 最后對影響參數(shù)估計的一些因素進行了量化分析。仿真結果表明, 該方法能夠完成兩雷回波信號的分離, 實現(xiàn)了兩雷對各自回波信號的正確檢測與參數(shù)估計, 并有著較強的抗干擾能力, 具有可行性和實用價值, 可為雙雷齊射主動自導的進一步研究提供參考意義。后續(xù)將在此基礎上, 針對多分量信號FRFT能量譜相互遮蔽條件下的分離檢測問題開展深入分析研究, 進一步提高對工程應用環(huán)境的適應性。

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Two-Torpedo Salvo Active Homing Method Based on Fractional Fourier Transform

JIANG Shuai, FAN Shu-hong, HAO Bao-an

(The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi’an 710077, China)

A two-torpedo salvo can effectively improve hit probability, but it may cause mutual interference problems. Therefore, a two-torpedo salvo active homing method based on fractional Fourier transform is proposed in this study. The echo signals of two torpedoes can be separated and detected by transmitting linear frequency modulation (LFM) signals at different chirp rates and by applying the focus characteristics of the fractional Fourier transform to those LFM signals. Accordingly, a general scheme for two-torpedo salvo target detection is proposed, and the main factors that affect the target parameter estimation results are further analyzed. Simulation results under different signal-to-noise ratios show that using fractional Fourier transform can effectively realize target detection of a two-torpedo salvo and has strong anti-interference capabilities. In addition, two torpedoes can work in the same frequency band without frequency division, thus making the method feasible for use in two-torpedo salvo active homing.

torpedo; two-torpedo salvo; fractional Fourier transform; active homing; target detection

TJ630; TB566

A

2096-3920(2020)06-0677-08

10.11993/j.issn.2096-3920.2020.06.013

2020-07-31;

2020-09-28.

蔣 帥(1994-), 男, 在讀碩士, 主要研究方向為魚雷自導技術.

蔣帥, 樊書宏, 郝保安. 基于分數(shù)階傅里葉變換的雙雷齊射主動自導方法[J]. 水下無人系統(tǒng)學報, 2020, 28(6): 677-684.

(責任編輯: 楊力軍)