鱼雷电磁引信接收机对欺骗式干扰抗干扰能力评估

张 涛, 任志良, 孙常存, 李耀波



鱼雷电磁引信接收机对欺骗式干扰抗干扰能力评估

张 涛1, 任志良1, 孙常存1, 李耀波2

(1. 海军工程大学 兵器工程系, 湖北 武汉, 430033; 2. 中国人民解放军92538部队, 辽宁 大连, 116041)

为了定量分析和评估鱼雷电磁引信接收机对欺骗式干扰的抗干扰能力, 通过对鱼雷电磁引信目标特性及工作机理的分析, 定义了抗干扰系数和幅值系数, 给出了两者之间的计算关系式, 并提出了以抗干扰系数作为评估指标的定量评估方法。针对鱼雷电磁引信接收机中典型的滤波电路和时间检验电路, 利用电路分析法推算了二者的幅值系数, 进而推出其抗干扰系数。最后, 利用抗干扰系数对鱼雷电磁引信接收机抗2种欺骗式干扰能力进行评估, 其结果与实测一致, 验证了本文所提出的评估方法的可行性与有效性。

鱼雷电磁引信; 接收机; 抗干扰能力; 评估; 抗干扰系数; 欺骗式干扰

0 引言

为了对鱼雷引信的抗干扰能力进行科学、客观的评估, 需要对其进行定量分析。在相近的专业领域国内外学者开展了大量的研究工作[1-5], 如对雷达的抗干扰能力评估已提出功率准则、信息准则、战术运用准则及概率准则等评估准则, 相应评估指标主要有抗干扰改善因子、抗干扰品质系数、抗干扰度量概率、相对烧穿距离和自卫距离等, 但目前还没有形成成熟的评估体系。也有学者对无线电引信的抗干扰能力进行了评估[6-8], 但从目前公开发表的文献中, 还没有涉及对鱼雷引信抗干扰能力的评估。鱼雷引信特殊的工作环境与雷达和无线电引信存在较大差异。因此, 雷达和无线电引信的抗干扰能力评估方法不能直接应用于鱼雷引信。

本文以鱼雷装备最多的电磁引信为例, 以欺骗式干扰(指具有与目标信号特征相近或相同参数的干扰信号)为研究对象, 旨在定量评估鱼雷电磁引信接收机对欺骗式干扰的抗干扰能力。基于对鱼雷电磁引信的目标特性及工作机理的分析, 确定了鱼雷电磁引信接收机抗干扰能力的评估方法和指标, 给出了引信接收机中典型的滤波电路和时间检验电路评估指标的具体计算方法。

1 鱼雷电磁引信目标特性及工作机理

目前, 鱼雷电磁引信均采用主动、连续波的工作方式, 即电磁引信系统由发射机提供一定频率、一定功率的交流信号, 通过发射天线在鱼雷周围媒质中形成交变电磁场, 当鱼雷解除各种保险转入待发状态后, 如果鱼雷接近目标至一定距离范围内, 接收天线将接收到目标舰的反射信号, 经接收机的放大、滤波等各种处理检验后, 如果信号各种参量均满足引信战术技术诸元, 则该信号被判定为有效目标信号, 系统将按预定程序点燃电爆管使鱼雷装药爆炸。

鱼雷电磁引信接收的目标信号数学模型为[9]

一般情况下, 目标信号的包络可粗略的近似为一钟形脉冲, 即

综合式(1)和式(2), 鱼雷电磁引信目标信号的数学模型为

鱼雷电磁引信的抗干扰措施主要包括收发天线配置和接收机电路两部分。其中鱼雷电磁引信的收发天线采用长间距的垂直配置方式, 主要是利用接收线圈的指向性对信号进行空域滤波。

接收机电路对信号进行的各种处理是引信主要的抗干扰措施, 本文只对接收机的抗干扰能力进行评估。尽管不同型号鱼雷引信接收机的实现途径不同, 但对常规电磁引信接收机的原理而言, 各种型号电磁引信之间的差别却不明显, 一般包括放大电路、滤波电路、检波电路、时间检验电路和门限比较电路, 主要完成对接收信号的幅度、频率、相位及包络时间特性等特征量的提取与鉴别, 其原理框图见图1。

图1 常规电磁引信接收机原理

2 鱼雷电磁引信接收机抗干扰能力评估

由鱼雷电磁引信的目标特性可知, 目标信号主要包括幅度、频率、相位和包络时间特性等参数。在常规电磁引信接收机中, 都是通过门限比较电路对信号的幅值进行判定, 进而产生点火信号的。因此, 电磁引信接收机中各部分电路对信号不同参数的鉴别最后都转化为对信号幅值的调整, 即如果接收信号的参数与目标信号的理想参数相同时, 信号能通过正常的放大、处理并使幅值达到或超过门限值; 反之接收信号的幅值将受到不同程度的衰减, 以至于小于门限值, 不能产生点火信号。

鉴于上述分析, 欺骗式干扰或其他干扰在电磁引信接收机处理时, 信号参数的差异最终都体现在信号的幅值上。在欺骗式干扰的幅值与有效目标信号的幅值相等的条件下, 如果干扰信号与目标信号的其他参数不同, 引信接收机能够有效鉴别; 但如果欺骗式干扰的幅值足够大, 即使各参数得到抑制和幅值衰减, 其幅值仍然有可能达到门限, 从而造成引信的误动。因此, 针对欺骗式干扰, 如何判断引信的抗干扰能力, 以及针对不同的欺骗式干扰, 对引信的抗干扰能力进行定量评估都是十分必要的。

设欺骗式干扰为

其中

3 评估指标的计算方法

评估指标的计算关键就是分别计算鱼雷电磁引信接收机中每种抗干扰措施的幅值系数, 然后转化为抗干扰系数。幅值系数可通过具体的试验直接测得, 但需要反复试验、不断调整信号参数才能得到理想的结果。本文提出电路分析法推算鱼雷电磁引信的幅值系数, 主要根据抗干扰电路建立数学模型并进行理论计算, 该方法计算简单, 方便快捷, 但结果可能会与真实结果存在一定的误差。

图2 包络持续时间随时间特性参数的变化规律

3.1 电路分析法原理

接收机中滤波电路主要是带通滤波[10], 其传输函数为

其归一化幅频响应为

所以, 滤波电路的幅值系数为

则积分电路的传输函数为

综上所述, 电路分析法的幅值系数可由式(13)和式(16)求得。

3.2 电路分析法仿真结果

分别按一定的步长改变欺骗式干扰的频率和包络持续时间进行试验, 然后利用最小二乘法对实测数据进行多项式拟合, 选择合适的多项式阶数, 进而得到幅值系数的拟合多项式。其中, 多项式的阶数决定着拟合精度。

综上所述, 试验测试的幅值系数可利用表1中的系数由式(17)和式(18)求得。

电路分析法计算的滤波电路和时间检验电路的幅值系数分别如图3, 图4所示。

表1 实测数据的拟合多项式系数

图3 滤波电路的幅值系数

图4 时间检验电路的幅值系数

综合图3、图4可得, 电路分析法和实验测试结果得到的幅值系数存在一定的误差, 但在精度允许的情况下, 电路分析法用于推算抗干扰电路的幅值系数是可行的。误差主要由以下两方面原因造成。

1) 电路分析只是对滤波和时间检验电路的关键部分进行建模, 未考虑电路中用于隔直流或检波的电容等元件的影响, 这些元件在电路中同样起到滤波或时间检验的作用, 从而导致电路分析法所建数学模型带来一定的偏差, 这也是试验结果比电路分析法的幅值系数大的主要原因。

2) 与电路分析法相比, 实际测试时电路自身产生的噪声和环境噪声不可避免地要进入接收机电路, 也会引起误差。

4 算例分析

表2 鱼雷电磁引信接收机对抗2种欺骗式干扰能力评估

5 结束语

针对鱼雷电磁引信接收机对欺骗式干扰的抗干扰能力评估, 提出了以抗干扰系数作为评估指标的评估方法, 抗干扰系数越大, 鱼雷电磁引信接收机的抗干扰能力就越强; 并且可以依据抗干扰系数的符号作为鱼雷电磁引信接收机能否有效对抗欺骗式干扰的判定标准, 如果抗干扰系数为正, 则鱼雷电磁引信接收机可以有效对抗该欺骗式干扰, 该干扰不会引起引信动作; 否则欺骗式干扰将会引起引信误动, 属于有害干扰。

本文同时针对评估方法中评估指标的计算,给出了抗干扰系数和幅值系数之间的计算关系式, 提出了推算幅值系数的电路分析法, 与实际测量结果进行了比较, 并对误差原因进行了分析。在精度允许的情况下, 可以利用电路分析法进行推算, 也可以对相关电路作进一步分析, 建立更精确的数学模型, 以减小与试验测试结果之间的误差。

[1] Johnston S L. ECCM Improvement Factors (EIF) [J]. Electronic Warfare Magazine, 1974, 6(3): 41-45.

[2] Li N J. Formulas for Measuring Radar ECCM Capability [J]. IEEE Proceedings F Communications, Radar and Signal Processing, 1984, 131(4): 417-423.

[3] 保铮, 谢维信, 朱宾. 雷达系统抗欺骗型干扰性能的测度[J]. 电子学报, 1989, 17(6): 13-20. Bao Zheng, Xie Wei-xin, Zhu Bin. ECCM Evaluation for Radar System Against Deception[J]. Acta Electronica Sinica, 1989, 17(6): 13-20.

[4] 王鹤磊. 一种雷达系统效能的综合评估模型 [J]. 系统工程与电子技术, 2001, 23(3): 40-42, 50. Wang He-lei. The Comprehensive Evaluation Model of Radar System Effectiveness[J]. Systems Engineering and Electronic, 2001, 23(3): 40-42, 50.

[5] 李波涛, 李明, 吴顺君. 雷达抗干扰效能评估方法探讨[J]. 现代雷达, 2006, 28(11): 16-19.

Li Bo-tao, Li Ming, Wu Shun-jun. A Disquisition on Radar ECCM Capability[J]. Modern Radar, 2006, 28(11): 16-19.

[6] 胡泽宾, 赵慧昌, 黄光明. 高斯白噪声对伪随机码调相引信干扰效果研究[J]. 弹箭与制导学报, 2005, 25(3): 402-405. Hu Ze-bin, Zhao Hui-chang, Huang Guang-ming. Research on Jamming Effect of White Gauss Noise to Pseudo-random Code Phase-modulation Fuze[J]. Journal of Projectiles, Rockets, Missiles and Guidance, 2005, 25(3): 402-405.

[7] 涂友超, 赵惠昌, 周新刚. 伪码体制引信抗瞄准式噪声调幅干扰性能研究 [J]. 南京理工大学学报(自然科学版), 2008, 32(3): 350-355. Tu You-chao, Zhao Hui-chang, Zhou Xin-gang. Performance of Anti-noise AM Spot Jamming of Pseudo- random Code Fuzes[J]. Journal of Nanjing University of Science and Technology (Natural Science), 2008, 32(3): 350-355.

[8] 赵惠昌, 周新刚. 基于模糊函数切割法的线性调频连续波引信抗干扰性能测度[J]. 兵工学报, 2009, 30(12): 1591-1595. Zhao Hui-chang, Zhou Xin-gang. Anti-jamming Perfor- mance Evaluation of Linear Frequency-Modulated Con- tinuous Wave Fuze Based on Ambiguity Function Inci- sion[J]. Acta Armamentarii, 2009, 30(12): 1591-1595.

[9] 陈光, 任志良, 李耀波, 等. 鱼雷引信目标信号的小波消噪研究[J]. 鱼雷技术, 2007, 15(5): 15-19. Chen Guang, Ren Zhi-liang, Li Yao-bo, et al. Study on Wavelet Denoising of Torpedo Fuze Target Signal[J]. Torpedo Technology, 2007, 15(5): 15-19.

[10] 张亚, 黄克平. 有源模拟带通滤波器的设计[J]. 电子科技, 2009, 22(1): 9-12. Zhang Ya, Huang Ke-ping. Design of the Analog Bandpass Active Filter[J]. Electronic Science and Technology, 2009, 22(1): 9-12.

Evaluation of Anti-interference Capability of Torpedo Electromagnetic Fuze Receiver Against Deceiving Jammings

ZHANG Tao1, REN Zhi-liang1, SUN Chang-cun1, LI Yao-bo2

(1. Department of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China; 2. 92538th, The People′s Liberation Army of China, Dalian 116041, China)

In order to analyze quantitatively and evaluate the anti-interference capability of a torpedo electromagnetic fuze receiver against deceiving jammings, an anti-interference coefficient and an amplitude coefficient are defined by analyzing the target characteristics and working principle of torpedo electromagnetic fuze, and the relational expression of the two coefficients is derived. Moreover, a quantitative evaluation method is put forward taking the anti-interference coefficient as an evaluation index. According to the typical filter circuit and timing test circuit in torpedo electromagnetic fuze receiver, their amplitude coefficients are calculated by using the circuit analysis method and their anti-interference coefficients are reckoned. The anti-interference capability of a torpedo electromagnetic fuze receiver against two deceiving jammings is evaluated with the anti-interference coefficient, and the result coincides with the measurement, which validates the feasibility and effectiveness of the proposed method.

torpedo electromagnetic fuze; receiver; anti-interference capability; evaluation; anti-interference coefficient; deceiving jamming

TJ431.7; TN97

A

1673-1948(2011)03-0181-06

2010-11-11;

2011-01-05.

张 涛(1983-), 男, 在读博士, 研究方向为军用目标特性及其信息处理技术.

(责任编辑: 杨力军)