電磁引信魚雷過靶定位方法研究＊

趙 陽 范 劍

（安徽海軍蚌埠士官學校 蚌埠 233012）

1 引言

魚雷進行實航試驗時，難以確切地獲得魚雷過靶的實際距離、方位等信息，對于魚雷引信動態(tài)性能測試缺乏有效的方法［1～3］，針對現(xiàn)代魚雷普遍裝備主動式磁引信這一現(xiàn)狀，本文從電磁波在海水中的傳播特性出發(fā)，開展了利用魚雷主動電磁引信輻射源作為被動信號源進行水下探測與定位的研究，利用輻射信號相位特征量對魚雷進行定位與跟蹤［4］，從而實現(xiàn)對魚雷導引精度和電磁引信工作性能等戰(zhàn)術技術性能進行評估，同時，在魚雷電磁引信對抗方面具有重要的理論和實際的意義。

由于海水媒質(zhì)的電磁特性，電磁波在傳播過程中產(chǎn)生的傳播衰減與相位滯后，并具有強非線性［5～7］。文獻［1］中，提出了一種被動測距和定位的方法，但其可能導致迭代結果收斂于其它局部極小點，且前一時刻的估計值有比較大的誤差就可能影響后面的參數(shù)估計結果。本文基于電磁波在海水中傳播時產(chǎn)生的傳播衰減和傳播相移隨距離變化的對應關系，利用運動載體搭載一個三軸磁傳感器，通過遺傳算法良好的全局搜索能力，實現(xiàn)對魚雷進行定位與跟蹤。

2 電磁引信輻射場分布

魚雷主動電磁引信是現(xiàn)代魚雷常用的一種非觸發(fā)引信，主動電磁引信主要由發(fā)射天線（引信輻射器）、接收天線（引信接收器）、發(fā)射機和接收機等組成［2］，如圖1。其原理為電磁引信發(fā)射天線產(chǎn)生一定頻率和一定功率的沿魚雷縱軸對稱空間分布的交變磁場，當魚雷在艦艇附近通過時，艦艇殼體在魚雷輻射場的激勵下產(chǎn)生渦流二次磁場，使魚雷輻射場發(fā)生畸變，破壞原輻射場沿魚雷縱軸的對稱分布，安裝在雷頭的接收天線感應到這一信號，經(jīng)引信接收機放大、處理和識別，產(chǎn)生點火信號，從而引爆戰(zhàn)斗部［8～9，11］。

圖1 引信系統(tǒng)組成框圖

圖2 柱坐標系中磁偶極子

在檢測點距離遠大于發(fā)射天線尺寸情況下，其可以看作一個磁偶極子源，如圖2所示，根據(jù)文獻［3］可知，海水中交變磁偶極子電磁場的分布特性，其在直角坐標系中磁場分量為

設P（x，y，z）點處磁場為H（x，y，z），則有：

式中，ax，ay，az為單位矢量。

3 傳感器接收電磁場信號分析

圖3 魚雷與傳感器相對運動示意圖

假定在傳感器運動過程中，可以始終保證其x′軸與運動方向一致，z′軸與魚雷引信坐標系的z軸平行，豎直向上，傳感器接收到電磁場信號分別記為 H′x（t）、H′y（t）、H′z（t），將引信坐標系中電磁磁場信號分量轉(zhuǎn)換到探測器坐標系中，有：

圖4 磁場三分量幅值變化曲線

假定海水電導率σ＝4s／m，相對磁導率μr＝1，輻射源磁矩為M＝50A·m2，頻率為f＝500Hz（以上參數(shù)全文相同），取傳感器速度vB＝5m／s，夾角α＝π／6，魚雷速度為vT＝25m／s，z0＝20m，d0＝10m，其磁場三分量幅值與相位變化曲線如圖4、圖5所示。

由圖4、圖5可知，在魚雷與傳感器相對運動過程中，在信號可探測的范圍內(nèi)，傳感器接收到的信號相位發(fā)生明顯變化，并且相互之間存在一定的制約關系。目前，相位測量技術成熟，測試精度高，在被測輻射信號頻率穩(wěn)定時，可以利用相位信息對魚雷進行定位。

圖5 磁場三分量相位變化曲線

4 基于GA的魚雷引信定位算法

遺傳算法［4］是Holland J.H.在20世紀70年代受生物進化論思想啟發(fā)而提出的一種基于自然選擇和群體遺傳機理搜索最優(yōu)解的概率算法，以自然選擇和遺傳理論為基礎，采用人工進化方式對目標空間進行隨機優(yōu)化搜索，具有自組織、自適應、自學習性與本質(zhì)的并行性，提供了一種求解非線性、多模型、多目標等復雜優(yōu)化問題的通用框架。

在海水電磁參數(shù)已知的條件下，通過電磁場測量信號得到信號頻率，從而對電磁引信定位參數(shù)（d，α0，v0，z）進行遺傳編碼，以模型精度為模型算法的適應度值，通過魚雷與傳感器相對運動方程求解電磁引信輻射器位置參數(shù)與運動參數(shù)。

在Matlab 7.1的GA工具箱中，GA個體的適應度值越低，其生存能力越強，因此以模型相對誤差來表達GA個體的適應度，模型相對誤差值計算式為相對誤差值為遺傳算法適應度值，其中，模型相對誤差值計算式為

圖6 GA定位算法計算流程

式中，φ′xi，φ′yi，φ′zi分別表示GA個體三分量相位計算值，φxi，φyi，φzi表示實際測量的三分量相位值。采用GA算法對磁定位參數(shù)（d，α0，v0，z）來進行求解，求解過程見圖6。

表1列出了真值d＝10m，v0＝25m／s，z＝10m，α為取0～π等不同角度值時，魚雷完全通過傳感器時，GA重復計算200次，仿真計算結果如表1所示。

表1 GA離線計算統(tǒng)計結果

在不更改GA算法參數(shù)的情況下，改變vT，α，z0，都仍然可以得到與上面相似的結果。

取－2≤t≤0，重復GA計算200次，仿真結果如表2所示：

表2 GA在線計算統(tǒng)計結果

將表2與表1統(tǒng)計結果進行比較，可以看出，在線計算過程中，獲得傳感器測量數(shù)據(jù)減少，在GA算法取相同的參數(shù)下，定位精度普遍降低，但對魚雷速度估計性能較好，而魚雷與傳感器相遇角在0°附近時，對正橫距d的估計誤差較大，在90°附近時，GA定位精度較低。以上結果表明：基于GA的算法能較為準確地搜索到真值鄰域解。

在對合作目標進行離線定位時，可以通過對定位參數(shù)作更為嚴格的限制，增加計算次數(shù)，改善定位結果精度，在對于非合作目標進行在線定位時，可以根據(jù)對目標的預測、其它類型傳感器數(shù)據(jù)等參考信息對目標方位、運動參數(shù)進行大致估計，縮小GA搜索空間，能有效防止其未成熟收斂，提高運算效率，同時對多個磁傳感器數(shù)據(jù)融合，改進跟蹤與定位的精度。

從大量的仿真計算結果，可以得出以下結論：

在給定近程范圍內(nèi)，在被測輻射信號頻率穩(wěn)定的條件下，基于GA算法電磁引信相位定位方法穩(wěn)定、可靠，具有很好的“普適性”。

5 結語

通過對磁場數(shù)據(jù)進行分析，利用信號相位可以實現(xiàn)魚雷電磁引信的跟蹤與定位，具有較高的精度，在魚雷自航靶、自航式魚雷誘餌等方面應用前景廣闊，進一步研究魚雷電磁引信精確測距方法與工程應用是可行而必要的。

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