电磁引信鱼雷过靶定位方法研究＊

2013-10-16赵阳范剑

舰船电子工程 2013年2期

赵阳范剑

（安徽海军蚌埠士官学校蚌埠 233012）

1 引言

鱼雷进行实航试验时，难以确切地获得鱼雷过靶的实际距离、方位等信息，对于鱼雷引信动态性能测试缺乏有效的方法［1～3］，针对现代鱼雷普遍装备主动式磁引信这一现状，本文从电磁波在海水中的传播特性出发，开展了利用鱼雷主动电磁引信辐射源作为被动信号源进行水下探测与定位的研究，利用辐射信号相位特征量对鱼雷进行定位与跟踪［4］，从而实现对鱼雷导引精度和电磁引信工作性能等战术技术性能进行评估，同时，在鱼雷电磁引信对抗方面具有重要的理论和实际的意义。

由于海水媒质的电磁特性，电磁波在传播过程中产生的传播衰减与相位滞后，并具有强非线性［5～7］。文献［1］中，提出了一种被动测距和定位的方法，但其可能导致迭代结果收敛于其它局部极小点，且前一时刻的估计值有比较大的误差就可能影响后面的参数估计结果。本文基于电磁波在海水中传播时产生的传播衰减和传播相移随距离变化的对应关系，利用运动载体搭载一个三轴磁传感器，通过遗传算法良好的全局搜索能力，实现对鱼雷进行定位与跟踪。

2 电磁引信辐射场分布

鱼雷主动电磁引信是现代鱼雷常用的一种非触发引信，主动电磁引信主要由发射天线（引信辐射器）、接收天线（引信接收器）、发射机和接收机等组成［2］，如图1。其原理为电磁引信发射天线产生一定频率和一定功率的沿鱼雷纵轴对称空间分布的交变磁场，当鱼雷在舰艇附近通过时，舰艇壳体在鱼雷辐射场的激励下产生涡流二次磁场，使鱼雷辐射场发生畸变，破坏原辐射场沿鱼雷纵轴的对称分布，安装在雷头的接收天线感应到这一信号，经引信接收机放大、处理和识别，产生点火信号，从而引爆战斗部［8～9，11］。

图1 引信系统组成框图

图2 柱坐标系中磁偶极子

在检测点距离远大于发射天线尺寸情况下，其可以看作一个磁偶极子源，如图2所示，根据文献［3］可知，海水中交变磁偶极子电磁场的分布特性，其在直角坐标系中磁场分量为

设P（x，y，z）点处磁场为H（x，y，z），则有：

式中，ax，ay，az为单位矢量。

3 传感器接收电磁场信号分析

图3 鱼雷与传感器相对运动示意图

假定在传感器运动过程中，可以始终保证其x′轴与运动方向一致，z′轴与鱼雷引信坐标系的z轴平行，竖直向上，传感器接收到电磁场信号分别记为 H′x（t）、H′y（t）、H′z（t），将引信坐标系中电磁磁场信号分量转换到探测器坐标系中，有：

图4 磁场三分量幅值变化曲线

假定海水电导率σ＝4s／m，相对磁导率μr＝1，辐射源磁矩为M＝50A·m2，频率为f＝500Hz（以上参数全文相同），取传感器速度vB＝5m／s，夹角α＝π／6，鱼雷速度为vT＝25m／s，z0＝20m，d0＝10m，其磁场三分量幅值与相位变化曲线如图4、图5所示。

由图4、图5可知，在鱼雷与传感器相对运动过程中，在信号可探测的范围内，传感器接收到的信号相位发生明显变化，并且相互之间存在一定的制约关系。目前，相位测量技术成熟，测试精度高，在被测辐射信号频率稳定时，可以利用相位信息对鱼雷进行定位。

图5 磁场三分量相位变化曲线

4 基于GA的鱼雷引信定位算法

遗传算法［4］是Holland J.H.在20世纪70年代受生物进化论思想启发而提出的一种基于自然选择和群体遗传机理搜索最优解的概率算法，以自然选择和遗传理论为基础，采用人工进化方式对目标空间进行随机优化搜索，具有自组织、自适应、自学习性与本质的并行性，提供了一种求解非线性、多模型、多目标等复杂优化问题的通用框架。

在海水电磁参数已知的条件下，通过电磁场测量信号得到信号频率，从而对电磁引信定位参数（d，α0，v0，z）进行遗传编码，以模型精度为模型算法的适应度值，通过鱼雷与传感器相对运动方程求解电磁引信辐射器位置参数与运动参数。

在Matlab 7.1的GA工具箱中，GA个体的适应度值越低，其生存能力越强，因此以模型相对误差来表达GA个体的适应度，模型相对误差值计算式为相对误差值为遗传算法适应度值，其中，模型相对误差值计算式为

图6 GA定位算法计算流程

式中，φ′xi，φ′yi，φ′zi分别表示GA个体三分量相位计算值，φxi，φyi，φzi表示实际测量的三分量相位值。采用GA算法对磁定位参数（d，α0，v0，z）来进行求解，求解过程见图6。

表1列出了真值d＝10m，v0＝25m／s，z＝10m，α为取0～π等不同角度值时，鱼雷完全通过传感器时，GA重复计算200次，仿真计算结果如表1所示。

表1 GA离线计算统计结果

在不更改GA算法参数的情况下，改变vT，α，z0，都仍然可以得到与上面相似的结果。

取－2≤t≤0，重复GA计算200次，仿真结果如表2所示：

表2 GA在线计算统计结果

将表2与表1统计结果进行比较，可以看出，在线计算过程中，获得传感器测量数据减少，在GA算法取相同的参数下，定位精度普遍降低，但对鱼雷速度估计性能较好，而鱼雷与传感器相遇角在0°附近时，对正横距d的估计误差较大，在90°附近时，GA定位精度较低。以上结果表明：基于GA的算法能较为准确地搜索到真值邻域解。

在对合作目标进行离线定位时，可以通过对定位参数作更为严格的限制，增加计算次数，改善定位结果精度，在对于非合作目标进行在线定位时，可以根据对目标的预测、其它类型传感器数据等参考信息对目标方位、运动参数进行大致估计，缩小GA搜索空间，能有效防止其未成熟收敛，提高运算效率，同时对多个磁传感器数据融合，改进跟踪与定位的精度。

从大量的仿真计算结果，可以得出以下结论：

在给定近程范围内，在被测辐射信号频率稳定的条件下，基于GA算法电磁引信相位定位方法稳定、可靠，具有很好的“普适性”。