主動聲自導方式下魚雷航行自噪聲測量技術探討

易 紅, 陳春玉

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主動聲自導方式下魚雷航行自噪聲測量技術探討

易 紅, 陳春玉

(中國船舶重工集團公司第705研究所, 陜西 西安，710075)

由于混響因素的影響使得主動聲自導方式下魚雷對航行自噪聲的獲取十分困難, 使得準確測量魚雷自噪聲成為困擾魚雷自導系統的難題之一。針對此, 文章提出一種主動聲自導帶著混響測量魚雷航行自噪聲的測量方法, 詳細介紹了該方法的原理并進行了計算, 通過自噪聲測量方法示例, 證明了其可行性。試驗證明, 該方法靈活、機動, 既可以測量換能器單元所接收到的噪聲, 也可以測量波束輸出的束內噪聲, 并可做到實時、實地、實雷測量, 降低了成本, 提高了效益, 為準確測量魚雷航行自噪聲提供了新的技術途徑。

魚雷; 主動聲自導方式; 自噪聲; 混響; 噪聲測量

0 引言

魚雷自導系統負責完成魚雷目標的探測任務, 其性能與魚雷自噪聲密切相關。魚雷自噪聲通常是指魚雷航行過程產生的對自身探測系統工作形成干擾的噪聲[1]。而噪聲測量分析是噪聲級認定、機理分析、預報驗證和控制研究的基礎。

眾所周知, 魚雷自噪聲與魚雷的航速、航深、工作頻率以及海況有關, 必須實時、實地測量, 才能準確獲得該條次的實航噪聲, 以便正確地評價自導系統的工作性能。

魚雷自導工作方式通常主動/被動并存或交替存在, 傳感器接收到的干擾信號包括航行噪聲和混響, 混響因素的影響使得主動聲自導方式下魚雷對航行自噪聲的獲取十分困難。因此, 要準確測量魚雷自噪聲, 必須將自導方式設定為被動方式, 關閉主動自導, 以消除混響的影響。但是這樣一來就使實航條次利用率下降, 測量的成本大大提高。

基于此，本文提出一種混響情況下魚雷主動聲自導對自噪聲的測量方法, 該方法可以測量換能器單元所接收到的噪聲, 也可以測量波束輸出的束內噪聲, 并結合魚雷實航任務兼測自噪聲, 做到實時、實地、實雷測量, 為準確測量魚雷航行自噪聲提供新的技術途徑。

1 測量原理

1.1 時域內測量

在魚雷航行的初始階段, 雷目距離較遠, 目標信號(包括目標噪聲和回波)尚未接收到, 該階段可以接收到自噪聲和混響。自導系統在一個收聽周期內, 接收到的混響會逐漸衰減, 而噪聲卻基本維持不變。如圖1所示[2]。

圖1 混響和噪聲干擾級隨時間的變化

1.2 頻域內測量

頻域內測量噪聲是根據混響和噪聲的頻譜分布不同而實施的。現代數字化魚雷自導系統都具有譜分析能力, 為頻域內測量自噪聲提供技術基礎。魚雷自噪聲的頻譜很寬, 雖然不是白噪聲, 但帶寬很大, 而混響帶寬相對較小, 它取決于發射信號帶寬、波束寬度及魚雷和散射體的多普勒頻移。區分混響譜和噪聲譜是頻域內測量魚雷自噪聲的基礎工作。

1.2.1 混響頻譜分析

混響頻譜主要由以下3種因素構成。

魚雷上常用自導發射信號有連續波(conti- nuous wave, CW)單頻脈沖信號和線性調頻(lin- ear frequency modulation, LFM) 信號2種[3], 有時會用雙曲調頻(hyperbolic frequency modulation, HFM)信號, 它的頻譜寬度與LFM相似。

1) CW信號

圖2 梯形包絡波形

按等效帶寬定義(能量等效)

可算得梯形包絡的頻譜等效帶寬為

2) LFM信號

圖3 線性調頻信號的頻率變化

3) HFM信號

假設魚雷采用多波束系統和CW信號體制, 魚雷速度方向與正前0°波束同軸, 那么任意波束內所接收的混響譜寬度為[2]

我查了一下地圖，眉山在成都至樂山的交通要道上，距離成都只有78公里。其中的象耳山，就在眉山近郊。即便李白那個時代，也不至于連一根針都買不到。再說，一個農村老太，隨便就能找到一根鐵杵，說明這個地方的工業，還是比較發達。

一般散射體的運動速度小于1 kn, 故

1.2.2 回波信號譜分析

而

式中,v￠為雷速v在接收波束主軸方向的投影。

1.2.3 混響譜、噪聲譜及信號譜的分布關系

根據以上計算, 可畫出混響譜及噪聲譜的分布關系, 如圖4所示。

圖4 混響譜、噪聲譜的分布圖

2 測量方法示例

2.1 測量系統結構

窄帶自導系統測量自噪聲組成見圖5。

圖5 窄帶自導系統測量自噪聲組成框圖

2.2 計算噪聲能量

從自導接收機通帶內接收到的信號包括目標回波信號和干擾信號(混響和噪聲), 這些信號經過離散傅立葉變換(discrete fourier transform, DFT)后, 進行窄帶濾波, 最后選取純噪聲頻段內的濾波器序號的輸出作為所需要的測噪信號。

首先, 對接收機的輸出信號進行希爾伯特變換(正交采樣)形成實部和虛部信號, 然后分別平方、求和。采樣數據可用塊滑動窗來實現的, 塊滑動窗間距為采樣幀長度的1/4。加窗的DFT變換為

在1個收聽周期內, 每一幀采樣都可以得到1個噪聲值。

最后, 計算該幅值折算到聲學基陣端面的噪聲均方根值。這些要根據具體測量裝置的放大倍數、A/D轉換精度以及計算幅值的具體公式加以綜合考慮, 本文不再舉例說明。

3 結束語

當魚雷自導系統在收聽周期內存在噪聲限制時, 可利用噪聲限這一時段測量魚雷自噪聲; 而對于數字化自導系統, 可以在頻域內選取“純”噪聲頻段測量魚雷自噪聲。

本文方法的優點在于: 1) 測量噪聲時可以不改變魚雷原有的工作模式, 原有的實航目的與測量自噪聲同時并舉, 互不影響, 無需關閉主動自導; 2) 每一個實航條次都可以測到不同工況下的航行自噪聲, 做到實時、實地、實雷測量, 有利于分析魚雷航行過程中自噪聲對自導工作性能的影響; 3) 測量方法靈活、機動, 既可以測換能器單元所接收到的噪聲, 也可以測量波束輸出的束內噪聲, 可將測量裝置做成一塊板, 通過接插件與魚雷自導聯接, 使用方便, 降低成本, 提高效益, 值得推廣。

[1] 劉伯勝, 雷家煜. 水聲學原理[M]. 哈爾濱: 哈爾濱船舶工程學院出版社, 1989.

[2] R.J. 尤立克. 水聲原理[M]. 哈爾濱: 哈爾濱船舶工程學院出版社, 1990.

[3] 朱埜. 主動聲吶檢測信息原理[M]. 北京: 海洋出版社, 1990.

[4] 李志舜. 魚雷自導信號與信息處理[M]. 西安: 西北工業大學出版社, 2004.

[5] 周德善. 魚雷自導技術[M]. 北京: 國防工業出版社, 2009.

Measurement of Torpedo Running Self-Noise under Active Homing Mode

YI Hong, CHEN Chun-yu

(The 705 Research Institute, China Shipbuilding Indusitry Corporation, Xi′an 710075, China)

The effect of reverberation makes it very difficult for a torpedo to acquire its self-noise under active homing mode, therefore, a measurement method of torpedo self-noise with reverberation during torpedo running under active homing mode is presented in this paper. The principle of the method is introduced, and computations are conducted. Experimental result verifies its feasibility. Both the noise received by transducer elements and the noise in transmitted beams can be measured by this method with flexibility, real-time, and low cost. And the self-noise while performing the task of torpedo trial can also be measured by this method.

torpedo; active acoustic homing mode; self-noise; reverberation; noise measurement

TJ630.34; TB566

A

1673-1948(2011)02-0097-04

2010-11-25;

2010-12-24.

易 紅(1964-), 女, 高工, 碩士, 主要研究方向為信號與信息處理、軟件工程、信息對抗技術等.

(責任編輯: 楊力軍)