鱼雷航行姿态变化对三波束声引信的干扰分析及其抑制方法

唐 波,谭思炜,张静远,吴笛霄

鱼雷航行姿态变化对三波束声引信的干扰分析及其抑制方法

唐 波,谭思炜*,张静远,吴笛霄

(海军工程大学 兵器工程学院,湖北 武汉,430033)

针对鱼雷航行姿态变化引起的声引信测距干扰问题,从三波束声引信和干扰产生的基本原理出发,采用欧拉旋转定理对波束向量进行空间变换,分析了存在航行姿态变化时的声引信各波束测距误差; 在获取航行姿态数据的基础上,将航行姿态数据引入到干扰存在条件下的引信测距算法,推导了消除鱼雷航行姿态变化引起的声引信测距干扰方法。仿真试验表明,该方法可有效抑制鱼雷航行姿态变化引起的声引信测距干扰。

鱼雷; 声引信; 干扰; 抑制; 航行姿态

0 引言

鱼雷非触发引信主要包括磁引信、电磁引信和声引信。其中,磁引信是最早出现的一种非触发引信,二战时期就已经在鱼雷武器上得到了应用,如德国的Pi-1型引信,前苏联的HNB-36、HNB-53型引信等。但磁引信由于作用距离、抗干扰性等因素,应用越来越少。目前应用较多的为主动电磁引信,其通过主动的辐射电磁场,即接收目标散射的电磁场来判断目标的有无,是一种比较可靠的水下目标探测手段。但由于电磁波在水下衰减严重以及近场的问题,使得电磁引信的作用距离非常有限,并且无法实现测距。声引信作为一种鱼雷非触发引信,由于具有作用距离远,抗干扰性能强以及可准确测距等诸多优势,引起了越来越多的重视,各国都展开了大量研究,瑞典、意大利等国已经将声引信装配于其生产的鱼雷,如意大利的A184,瑞典的TP2000等[1-2]。

声引信不但可以应用于反潜鱼雷,也可以应用于反舰鱼雷[3]。在反舰鱼雷的应用中,由于鱼雷航行姿态变化,声信号传播的声程也随之发生变化,导致在声引信测距中存在干扰,增加了目标检测的虚警概率[4]。

针对该问题,文中提出将鱼雷航行姿态数据引入到目标距离解算中,用以抑制鱼雷航行姿态变化产生的干扰。

1 三波束声引信基本原理

图1 波束分布示意图

对于无限大平面目标来说,回波信号可以分别表示为

理想状态下

通过对式(8)解算得到的目标距离变化判断,可以确定是否与目标相遇。

2 鱼雷航行姿态干扰分析

图2 空间坐标系与鱼雷坐标系示意图

其中

可得三波束回波信号的时延分别为

1.2.3 培训方式 ①基本操作技能培训:按计划每个月集中培训1项操作，主要采取带教老师赴上级医院观摩培训的方式，组织护士观看操作视频，老师操作演示，现场指导，护士分组进行训练。②社区护理服务培训:主要包括健康人群与高危人群的健康管理，社区居家护理，急、危重病人的院前急救与转诊，社区传染性疾病的护理及消毒隔离指导，健康教育指导及如何建立健康信息档案等。③院前急救培训:重点对门诊及社区站点护士，每个月1次进行心肺复苏、简易呼吸机操作训练、绿色通道及猝死急救演练等，熟练掌握及时转诊的流程。

将式(9)、式(10)和式(12)代入式(13)～式(15)可得

假设分别只存在

图3 只有振动时各波束距离变化

图4 只有俯仰角变化时各波束距离变化

图5 只有横滚角变化时各波束距离变化

从图3～图5可以看出,雷体振动、俯仰角变化和横滚角变化都会对声引信目标距离的探测产生影响。

图3中振动对于声引信测距带来的最大误差分别为左波束0.38 m,中波束0.38 m,右波束0.38 m; 图4中俯仰角变化对于声引信测距带来的最大误差分别为左波束0.08 m,中波束0.08 m,右波束0.08 m; 图5中横滚角变化对于声引信测距带来的最大误差分别为左波束0.62 m,中波束: 0.76 m,右波束0.62 m。

由以上分析可知,由于航行姿态变化导致声引信测距产生误差,因此影响声引信目标检测中的虚警概率。虽然图4中俯仰角变化导致的测距误差较小,但考虑鱼雷水下航行中存在深度调整过程,此时俯仰角变化较大,由此带来的声引信测距误差也将急剧增大,因此俯仰角变化导致的测距误差也应该考虑。

3 鱼雷航行姿态干扰抑制方法分析

由上文分析可知,产生干扰的主要原因是实际的回波延时为式(16)～式(18),而采用了式(8)的距离解算方式。因此为了消除鱼雷航行姿态变化产生的引信目标探测距离干扰,需要对式(16)～式(18)采用新的解算方式。

对式(16)～式(18)化简并进行等式变换可得

图6 干扰存在时各波束距离变化

由图7可以看出,当鱼雷航行姿态发生变化时,采用式(22)～式(24)计算声引信各波束对应的目标距离,可有效消除鱼雷航行姿态变化带来的干扰。

图7 干扰消除时各波束距离变化

其他条件不变,则由式(22)～式(24)计算出的各波束对应的目标距离如图8所示。

图8 随机噪声存在时各波束距离变化

由图8可以看出,各波束测距的结果为伴有随机噪声的直线,但噪声的幅度非常小,仅为0.01 m左右,在实际应用中可以忽略,因此可以认为在实际工程中,该算法是有效可行的。

4 结束语

针对鱼雷航行姿态变化对三波束声引信测距干扰的问题,从三波束声引信测距和干扰产生的基本原理出发,采用数学方法分析了干扰产生的原因,提出了将鱼雷航行姿态参数引入测距计算的干扰抑制算法,仿真结果表明,该算法可有效抑制鱼雷航行姿态变化引起的三波束声引信测距干扰,同时对于航行姿态测量数据中的随机噪声也具有适应性。

该算法对鱼雷声引信的抗干扰研究以及装备研制均具有重要的参考价值。下一步将针对该算法开展工程化实践,以验证该方法在装备中的适应性。

[1] 冯晋利. 主动声引信抗波浪识别水面舰船的自适应技术[J]. 探测与控制学报,1999,21(2): 36-38.

Feng Jin-li. The Adaptive Technique for an Active Acous- tic fuze to Resist Waves and Recognize a Surface Ship[J]. Journal of Detection & Control,1999,21(2): 36-38.

[2] 孙波,陈喜. 基于相位判别的反舰声引信抗海浪干扰机理研究[J]. 鱼雷技术,2006,14(2): 34-37.

Sun Bo,Chen Xi. Mechanism Investigation to Anti-interference of Ocean Wave of Antiship Active Ultrasonic Fuze Based on Phase Discrimination[J]. Torpedo Technology,2006,14(2): 34-37.

[3] 王绍卿,刘建民. 鱼雷近炸引信原理与设计[M]. 西安: 西北工业大学出版社,1992: 32-36.

[4] 陈喜. 基于相位编码信号的鱼雷主动反舰声引信研究[J]. 海军工程大学学报,2008,20(3): 44-47.

Chen Xi. Research on Torpedo Antiship Active Fuze Based on Phase-coded Signal[J]. Journal of Naval University of Engineering,2008,20(3): 44-47.

[5] 胡桥. 水下主动声引信回波集成检测方法[J]. 鱼雷技术,2012,20(2): 100-106.

Hu Qiao. Integrated Detection Method of Active Underwater Acoustic Fuze Echo[J]. Torpedo Technology,2012,20(2): 100-106.

[6] 田坦. 声呐技术[M]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学出版社,2016: 46-52.

[7] 李志舜. 鱼雷自导信号与信息处理[M]. 西安: 西北工业大学出版社,2004: 64-182.

[8] 唐波. 水中目标微多普勒特征研究[J]. 海军工程大学学报,2019,31(1): 91-94.

Tang Bo. Research on Micro-Doppler Characteristics of Underwater Target[J]. Journal of Naval University of Engineering,2019,31(1): 91-94.

[9] 符宏伟. 旋转矩阵表达方式对大旋转角三维基准转换的影响[J]．测绘与空间地理信息,2018,41(10): 203- 206.

Fu Hong-wei. Three-dimensional Reference Transformation of Large Rotation Angle Effects of Rotation Matrix Expression[J]. Geomatics & Spatial Information Technology,2018,41(10): 203-206.

[10] 徐先峰. 一种解析的基于旋转矩阵估计的波达方向估计方法[J]. 电子学报,2017,45(4): 1012-1017.

Xu Xian-feng. An Analytical Direction-of-Arrival Algorithm Based on the Estimation of Rotation Matrix[J]. Acta Electronica Sinica,2017,45(4): 1012-1017.

Analysis on Interference of Torpedo Navigation Attitude of Acoustic Fuze with Three Beams and Its Suppressing Method

,*,,

(College of weaponry Engineering,Naval University of Engineering,Wuhan 430033,China)

In terms of ranging interference of an acoustic fuze due to torpedo navigation attitude changing,based on the basic principles of three-beam acoustic fuzes and interference generation,this paper applies Euler rotation theorem to spatial transformation of the beam vector and analyzes the ranging error of each beam with torpedo navigation attitude changing. Based on the acquisition of the navigation attitude data,a method is proposed to eliminate the ranging error of the acoustic fuze caused by the variation in the torpedo navigation attitude. These data are introduced into a fuze-ranging algorithm considering interference. A simulation test shows that the proposed method can effectively suppress the interference caused by the change in the torpedo navigation attitude.

torpedo; acoustic fuze; interference; suppressing; navigation attitude

TJ630; TJ431.7

A

2096-3920(2021)04-0415-05

10.11993/j.issn.2096-3920.2021.04.007

唐波,谭思炜,张静远,等. 鱼雷航行姿态变化对三波束声引信的干扰分析及其抑制方法[J]. 水下无人系统学报,2021,29(4): 415-419.

2020-06-02;

2020-09-09.

国家自然科学基金项目资助(11602300); 国防十三五预研基金项目资助(3020601030302).

通信作者简介:谭思炜(1985-),男,讲师,主要研究方向为水下目标探测与识别.

(责任编辑: 许 妍)