基于跳频探测体制的鱼雷电磁引信技术

严争通, 肖素娟, 崔户山, 施晓海, 樊书宏, 陈亚林



基于跳频探测体制的鱼雷电磁引信技术

严争通1,2, 肖素娟1, 崔户山1, 施晓海1, 樊书宏1, 陈亚林1

(1. 中国船舶重工集团公司 第705研究所, 陕西 西安, 710075; 2. 水下信息与控制重点实验室, 陕西 西安, 710075)

为了提高鱼雷主动电磁引信的抗干扰能力, 把跳频技术应用于鱼雷主动电磁引信中, 提出了基于高速数字信号处理和直接数字频率合成的跳频引信系统设计方案, 阐述了跳频引信的工作原理, 重点研究了跳频信号的产生及回波信号的处理, 并对跳频引信的抗干扰性能进行了理论和仿真分析。仿真结果表明, 宽频带跳频工作体制有利于提高鱼雷主动电磁引信的抗干扰能力, 可为鱼雷主动电磁引信设计提供新的技术途径。

鱼雷; 跳频技术; 主动电磁引信; 抗干扰

0 引言

在现代海战条件下, 鱼雷引信工作的环境日益复杂, 面临的干扰越来越严重, 不仅会遇到自然干扰, 还将面对各种形式的人工干扰, 这就要求鱼雷引信不仅要有良好的探测性能, 而且要有良好的抗干扰和对抗能力。

基于雷达探测原理的主动电磁引信经过长期发展, 在鱼雷上得到了广泛的应用。但是传统的电磁引信采用单频形式的探测信号, 易被敌方进行频率截获和实施干扰, 不能满足鱼雷引信抗干扰和对抗的需求。探测信号体制不仅决定了系统的信号处理方法, 而且直接影响系统的抗干扰和对抗性能。将跳频信号作为鱼雷主动电磁引信的探测信号, 是提高引信抗干扰和对抗能力的重要技术途径。跳频信号通过频率跳变的方式可以避开某些频点上的自然干扰或人工干扰, 而频率的跳变规律受随机编码的控制, 不易被敌方截获。由于跳频信号每个频点的目标信息来自于同一个目标, 因此具有很大的相关性, 但是表现形式有所差别, 利用这些信息本质上的相关性和形式上的差异, 在单个频点无法利用的一些目标信息可以通过互相关等处理得到应用, 从而进一步提高引信系统的引爆控制性能。

本文提出一种基于高速数字信号处理和直接数字频率合成方法的跳频引信系统设计方案, 阐述了跳频引信的工作原理, 重点研究了跳频信号的产生及跳频引信回波信号的处理方法, 对跳频引信的抗干扰性能进行了理论和仿真分析, 研究结果为鱼雷电磁引信设计提供了新的技术思路。

1 基于跳频技术的鱼雷主动电磁引信

1.1 跳频技术

传统的无线电通信常采用定频的工作方式, 为了增加保密性和抗干扰性能, 跳频技术在通信领域中得到广泛的应用。上世纪90年代, 跳频技术也成功应用于炮弹引信, 如南非1992年投产的M9157A1、第5代近炸引信M9121、意大利生产的FB395等[1], 使用跳频技术的炮弹引信可以有效对抗战场上的各种有源干扰。

一般的跳频通信系统见图1, 跳频技术与定频技术的不同在于多了一个伪随机序列产生器用来控制频率合成器的本振频率, 该频率随序列的改变而改变, 且相同的序列也随之在接收端输出, 本地频率合成器产生的频率码与预期接收的信号频率保持同步变化, 最后跳频信号被转化为固频信号, 在一系列解调之后恢复到原信息码[2]。跳频技术相对于定频技术, 具有更好的抗干扰性和稳定性, 能很好地避免信息截获[3]。

图1 跳频通信系统

1.2 基于跳频技术的鱼雷主动电磁引信系统

结合跳频技术和鱼雷主动电磁引信的结构特点, 提出一种基于数字化技术的跳频引信系统设计方案, 如图2所示。

图2 基于数字化技术的跳频引信设计方案

在同步系统的控制下, 伪随机序列发生器产生和跳频频率一一对应的伪随机序列。每个时序下, 产生一个随机序列作为选频码, 用来控制频率合成器产生跳频信号, 将跳频信号作为激励信号经功率放大和发射匹配后, 激励发射天线向鱼雷周围海水介质中辐射交变的电磁场。当鱼雷在目标舰船附近通过时, 引信探测电磁场在金属目标壳体表面感应涡流, 该涡流二次场使引信辐射的物理场发生畸变, 这一变化的物理场被接收天线感应后变成电信号, 由信号处理电路进行放大、滤波处理和目标特征提取与识别, 满足条件时输出起爆信号[4]。

2 跳频信号产生

跳频器是跳频系统的核心部件, 由它产生一个随时间按一定规律但表现近似于随机变化的振荡信号。跳频器主要由伪随机码序列产生器和频率合成器组成。

2.1 跳频序列设计

图3 m序列的原理图

2.2 频率合成器

频率合成器通过参考标准频率产生多个输出频率, 运用在跳频系统的频率合成器除一般要求外, 还需保证频率转换时间足够短。直接数字频率合成(direct digital frequency synthesizer, DDFS)采用数字化技术, 通过控制频率控制字直接产生所需的各种不同频率信号, 工作原理见图4。DDS (DDFS的简称)主要由参考时钟、相位累加器、正弦查找表、D/A 转换器和滤波器等组成。使用数字信号处理(digital signal processing, DSP)器后, 可用波形存储器替代正弦查找表, 方便地产生各种所需波形。

图4 直接数字频率合成工作原理图

2.3 跳频信号仿真

结合鱼雷电磁引信的工作特点, 设置跳频发射信号中心频率0= 1 kHz, 带宽=200 Hz, 跳频频率数5, 频率间隔Δ=50 Hz, 跳频速率1 hop/s, 信号频率=900~1 100Hz,信号时间长度为=10 s, 采样率=5 000 Hz, 得到跳频信号时域和频域图形分别如图5和图6所示。

从频域上看, 跳频信号的频谱在宽频带上以等间隔随机跳变, 谱峰较多且随机变化, 敌方不易捕获信号的频率来进行干扰。

图5 跳频信号时域图

图6 跳频信号频域图

跳频发射信号的时频图如图7所示, 从中可以看出, 跳频信号在时间和频率上的跳变规律。

图7 跳频信号时频图

3 信号处理方法

跳频回波信号的处理主要是对回波信号进行检测与参数估计, 满足条件时输出起爆信号。

信号的检测主要有相关检测和离散傅里叶变换(discrete Fourier transform, DFT)方法。其中相关检测是一种时域信息的检测方法, 主要是对信号和噪声进行相关性分析, 利用信号与噪声不同的统计特性, 通过自相关和互相关运算, 达到抑制噪声、检测信号的目的。白噪声中信号的最佳检测方法是匹配滤波, 而相关检测在数学上正好等效于匹配滤波[6]。 DFT方法是一种频域信息的检测方法, 对信号进行傅里叶变换, 从频谱图中的对应谱线得到信号的幅度作为检测结果。DFT对回波信号的相位不敏感, 且可很好地抑制噪声。

回波信号的参数估计主要是进行鉴频、鉴相及鉴幅等处理。对经过放大滤波的回波信号先进行采样, 然后做滑动DFT, 实现鉴频和幅度的检测, 然后计算回波信号和发射信号的相位差, 最后判定回波信号的持续时间超过一定宽度。只有同时满足以上3个条件才认为回波信号已经达到。对于其他频率、相位及幅度的回波信号都将被视为干扰信号。

陈博等提出的多频点信息分路-融合算法[7], 是一种比较适合跳频引信的信号处理方法。跳频引信在不同时刻向目标发射多路不同频率的电磁波, 接收天线接收回波信号后, 通过同步系统采用时分复用技术将各频点回波信号分开, 对各频点回波信号分别进行检波采样, 得到多路幅度受调制的信号, 经过滤波和包络检波获得对应频点上的包络信号, 对各频点包络信号进行等周期采样处理后, 将各个结果送入融合中心进行加权平均, 根据融合结果控制引信。该方法的优点在于各频点回波信号间互不影响, 即使一路或多路信号被干扰, 未被干扰的支路仍能作正确判决, 从而改善引信的抗干扰性能。

下面从信号检测方面, 以匹配滤波为例来分析跳频信号的抗干扰性能。设跳频发射信号中心频率0=1 kHz, 带宽=200 Hz, 跳频频率数为5, 频率间隔Δ=50 Hz, 信号频率=900~1 100 Hz, 信号时间长度为=0.05 s, 每段信号持续时间为0.01 s, 采样率=24 000 Hz。采用匹配滤波的归一化相关检测结果如图8所示。

由图8可知, 目标信号值为1, 最大干扰值为0.228 4, 则信号分辨力为1/0.228 4= 4.38。

图8 采用匹配滤波的跳频信号检测结果

4 抗干扰性能仿真与分析

为了研究跳频信号的抗干扰性能, 仅从信号的相关检测方面进行跳频引信和单频引信的仿真及对比分析, 包括抗单线谱干扰和多线谱干扰2个方面, 仿真得到的相关检测结果均为归一化结果。

4.1 单频引信抗干扰性能仿真

设置单频引信工作频率为1 kHz, 幅度为3 V, 信号时间长度为0.05 s, 采样率为24 000 Hz。

1) 加入带内单一频率, 且与信号时间一样长的同相干扰, 干扰信号幅度1 V, 干扰频率980 Hz,归一化相关检测结果如图9所示。

图9 单频引信抗单频干扰的检测结果

由图9可知, 目标信号值为1, 最大干扰值为0.636, 则信号分辨力为1/0.636= 1.57。

2) 加入带内和带外多个频率, 且与信号时间一样长的同相干扰, 干扰信号幅度1 V, 干扰频率为800 Hz, 900 Hz, 1 000 Hz, 1 100 Hz, 1 200 Hz, 归一化相关检测结果如图10所示。

图10 单频引信抗多频干扰的检测结果

由图10可知, 目标信号值为1, 最大干扰值为0.812 6, 则信号分辨力为1/0.812 6=1.23。

4.2 跳频引信抗干扰性能仿真

设跳频发射信号中心频率0=1 kHz, 带宽= 200 Hz, 跳频频率数为5, 频率间隔Δ=50 Hz, 信号频率=900~1 100 Hz, 信号时长= 0.05 s, 每段信号持续时间为0.01 s, 采样率Fs= 24 000 Hz。

1) 在跳频信号中加入带内单一频率, 且与信号时间一样长的同相干扰, 干扰信号幅度1 V, 干扰频率1 kHz, 归一化相关检测结果如图11所示。

图11 跳频引信抗单频干扰的检测结果

由图11可知, 目标信号值为1, 最大干扰值为0.294 1, 则信号分辨力为1/0.294 1= 3.40。

2) 在跳频信号中加入带内和带外多个频率, 且与信号时间一样长的同相干扰, 干扰信号幅度均为1 V, 干扰频率分别为800 Hz, 900 Hz, 1 000 Hz, 1 100Hz, 1 200Hz,归一化相关检测结果见图12。

图12 跳频引信抗多频干扰的检测结果

由图12可知, 目标信号值为1, 最大干扰值为0.388 8, 则信号分辨力为1/0.388 8= 2.57。

4.3 仿真结果及分析

通过上述仿真研究, 可得出跳频信号与单频信号的抗干扰性能仿真对比结果, 参见表1。

表1 抗干扰性能仿真结果

由仿真结果及表1可得以下结论:

1) 有带内线谱干扰的条件下, 单频信号的检测分辨力较低, 不超过2.0;

2) 随着带内线谱的增多, 单频信号和跳频信号的检测分辨力都减弱;

3) 在相同的干扰下, 跳频信号的检测分辨力高于单频信号;

4) 跳频信号相对单频信号, 抗干扰能力有提高, 并且具备一定的对抗能力。

5 结束语

跳频技术扩展了信号频率, 增大了系统带宽。从频域上看, 跳频引信拥有多个不同频率的信道, 这些信道传输的信号是同一目标反射的信号, 因而具有很大的相关性, 但由于频率的差异, 又不完全相同[7]。从信息抗干扰准则的角度而言, 利用多频点目标回波信号和有源干扰信号不同的相关特性可以识别目标、抑制干扰, 从而提高系统的抗干扰性能[8]。

采用跳频技术后的鱼雷主动电磁引信, 只有当干扰频率正好处于当前的频点时才能起到干扰作用。跳频频带越宽, 跳频频率数目越多, 抗干扰能力越强[9]。宽频带跳频信号使目标回波携带更多的目标信息量, 有利于目标检测、目标特征提取和对抗能力的提高, 使引信引爆控制精度的提高成为可能。跳频引信的不足之处在于频带较宽时, 发射回路的匹配问题难以解决, 故针对发射均衡技术的研究有待进一步展开。

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(责任编辑: 杨力军)

Electromagnetic Fuze Technology for Torpedo Based on Frequency Hopping Detecting System

YAN Zheng-tong,XIAO Su-juan, CUI Hu-shan, SHI Xiao-hai,FAN Shu-hong,CHEN Ya-lin

(1. The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710075, China; 2. Science and Technology on Underwater Information and Control Laboratory, Xi′an 710075, China)

To improve the anti-jamming performance of torpedo active electromagnetic fuze, the frequency hopping technology is applied to the design of torpedo active electromagnetic fuze. Accordingly, a frequency hopping fuze system based on the high-speed digital signal processing and direct digital frequency synthesizer(DDFS) is proposed. The principle of the fuze system is elaborated with focus on the generation of the frequency hopping signal and the processing of the echo signal. And the anti-jamming performance of frequency hopping fuze is analyzed in theory and simulation. Simulation results show that the broadband frequency hopping working system can improve the anti-jamming performance of torpedo active electromagnetic fuze.

torpedo; frequency hopping technology; active electromagnetic fuze; anti-jamming

TJ631.2; TN973.4

A

1673-1948(2014)06-0425-05

2014-08-13;

2014-09-09.

严争通(1989-), 男, 在读硕士, 主要研究方向为鱼雷非触发引信技术.