基于正交相關(guān)處理的反魚(yú)雷魚(yú)雷聲引信接收機(jī)的設(shè)計(jì)*

吳俊生 陳 喜

(海軍工程大學(xué)兵器工程系 武漢 430033)

基于正交相關(guān)處理的反魚(yú)雷魚(yú)雷聲引信接收機(jī)的設(shè)計(jì)*

吳俊生 陳 喜

(海軍工程大學(xué)兵器工程系 武漢 430033)

反魚(yú)雷魚(yú)雷攻擊來(lái)襲魚(yú)雷時(shí),自導(dǎo)裝置將其引到來(lái)襲魚(yú)雷附近,當(dāng)聲引信裝置判定來(lái)襲魚(yú)雷在其作用半徑之內(nèi)時(shí),引爆裝藥,摧毀來(lái)襲魚(yú)雷。文中對(duì)主動(dòng)非觸發(fā)引信接收樣本信號(hào)進(jìn)行分析,分析結(jié)果表明反魚(yú)雷魚(yú)雷的接收機(jī)可采用正交接收機(jī),并闡述其理論模型、工作原理、電路組成及導(dǎo)出正交處理電路的理論處理增益,最后實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明處理增益可以滿足技術(shù)要求。

反魚(yú)雷魚(yú)雷; 聲引信; 正交接收機(jī)

ClassNumberU666.7

1 引言

反魚(yú)雷魚(yú)雷(Anti-Torpedo Torpedo,ATT)主動(dòng)超聲非觸發(fā)引信在其作用半徑之內(nèi)通過(guò)來(lái)襲魚(yú)雷時(shí),引爆裝藥的引信,擊毀來(lái)襲魚(yú)雷。其工作機(jī)理是:聲引信裝置向海水介質(zhì)發(fā)射特定的聲波脈沖,經(jīng)海水介質(zhì)的傳播,由接收機(jī)接收來(lái)自來(lái)襲魚(yú)雷反射回來(lái)的聲信號(hào)和來(lái)襲魚(yú)雷的主動(dòng)尋的信號(hào),經(jīng)過(guò)對(duì)接收信號(hào)的處理,判斷該目標(biāo)是否為來(lái)襲魚(yú)雷,符合判斷標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)認(rèn)為是來(lái)襲魚(yú)雷,否則是干擾信號(hào),從而決定是否引爆裝藥。ATT魚(yú)雷主動(dòng)超聲引信換能器通常安置在雷體前端四個(gè)位置上,互置相差90°,形成測(cè)向陣,每個(gè)換能器在水平方向?yàn)榉较蛐?0°,則測(cè)向陣方向性為360°,如圖1所示。因此ATT在其作用半徑內(nèi)可以攔截任何方向的來(lái)襲魚(yú)雷。

圖1 ATT魚(yú)雷超聲引信測(cè)向陣

2 接收樣本信號(hào)的分析

通常ATT主動(dòng)超聲非觸發(fā)引信發(fā)射為單一正弦填充脈沖(CW波)f(t),接收樣本信號(hào)r(t)主要由目標(biāo)回波、混響和背景噪聲三部分所組成[1],即

r(t)=s(t)+n(t)+nr(t)

(1)

接收樣本信號(hào)r(t)如圖2所示。

圖2 接收樣本信號(hào)組成框圖

s(t)含兩層意義: 1)目標(biāo)反射回波,攜帶著有關(guān)目標(biāo)的所有信息,是檢測(cè)目標(biāo)和目標(biāo)參數(shù)估計(jì)的全部依據(jù); 2)人工干擾,如對(duì)抗器材干擾與單個(gè)或系列爆炸聲源的干擾,后者由于在實(shí)際戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中存在的概率極低,在這里不予以考慮。nr(t)主要是體積混響,因?yàn)锳TT主動(dòng)超聲非觸發(fā)聲引信的作用距離比較短,考慮的就只有體積混響的情況[2]。由于發(fā)射信號(hào)的脈沖寬度τ取值較小,而RLv與τ的取值成正比,因此RLv所得到的值較小,又根據(jù)文獻(xiàn)[3]可得聲引信發(fā)射脈沖發(fā)射完畢之后在2τ的時(shí)間內(nèi)關(guān)閉接收通道,使其混響干擾降至最低,因此可以忽略體積混響的干擾。n(t)主要包括海洋環(huán)境自然噪聲,ATT魚(yú)雷螺旋槳噪聲。由于超聲引信選取工作頻率較高,根據(jù)文獻(xiàn)[4]可得海洋自然噪聲能級(jí)較小,因此噪聲干擾主要為ATT魚(yú)雷螺旋槳產(chǎn)生噪聲,且可以看成是白高斯噪聲[5]。經(jīng)典檢測(cè)理論指出[6],在白高斯噪聲背景中檢測(cè)已知信號(hào)的最佳接收機(jī)是匹配濾波器。其輸出信噪比只與輸入信號(hào)能量和噪聲功率譜密度有關(guān),而與信號(hào)波波形式無(wú)關(guān)。

3 正交接收機(jī)理論模型的建立

白高斯背景下水聲信號(hào)單純檢測(cè)問(wèn)題以數(shù)學(xué)形式可表示為

H1:r(t)=s(t)+n(t)

(2)

H0:r(t)=n(t)

(3)

其中:H1表示有目標(biāo)信號(hào);H0表示無(wú)目標(biāo)信號(hào);s(t)表示目標(biāo)回波信號(hào);n(t)表示噪聲信號(hào);r(t)表示接收機(jī)接收到目標(biāo)信號(hào)。對(duì)于目標(biāo)回波信號(hào)有無(wú)的檢測(cè)稱之為雙擇檢測(cè)。若輸入信號(hào)包含有隨機(jī)振幅和隨機(jī)相位兩個(gè)參數(shù),這種檢測(cè)屬于復(fù)合雙擇檢測(cè)下。理論上講復(fù)合雙擇檢測(cè)下的最佳接收機(jī)仍然是一個(gè)似然接收機(jī)[6],似然接收機(jī)的輸出可表示為

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

其中:A為輸入信號(hào)隨機(jī)振幅,服從瑞利分布;φ為輸入信號(hào)隨機(jī)相位,服從均勻分布;θ為初始相位;N0為噪聲能量;a(t)為發(fā)射信號(hào)歸一化包絡(luò);E為發(fā)射信號(hào)能量,l(r)為發(fā)射信號(hào)下適合于所有樣本的似然比。為此對(duì)A、φ求平均再等式兩邊取對(duì)數(shù)可得似然比接收機(jī)的輸出的表達(dá)式為

(11)

對(duì)式(11)稍加整理即可得對(duì)數(shù)似然比檢測(cè)判斷規(guī)律(大于門(mén)限Z0判為目標(biāo)信號(hào);反之,無(wú)目標(biāo)信號(hào))。

(12)

其中:Z2即稱為對(duì)數(shù)似然比接收機(jī)的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量。

根據(jù)式(5)～式(7),式(12),可以畫(huà)出白高斯噪聲背景下檢測(cè)慢起伏點(diǎn)目標(biāo)的最佳接收機(jī)如圖3所示。這種接收機(jī)具有兩個(gè)通道,且兩個(gè)通道的參考信號(hào)剛好是正交的(相位相差90°)所以稱之為正交相關(guān)接收機(jī)。

圖3 正交相關(guān)接收機(jī)

由于兩個(gè)正交分量的振幅分別含有cosφ和sinφ這個(gè)與隨機(jī)相位有關(guān)的隨機(jī)量。所以兩路互相關(guān)器的輸出仍將與隨機(jī)相位有關(guān)。為了消除cosφ和sinφ影響,又將兩路相關(guān)器輸出進(jìn)行了平方求和處理,最后得到Z2就完全與隨機(jī)相位無(wú)關(guān),因而實(shí)現(xiàn)了在隨機(jī)相位條件下的最佳處理。

4 ATT接收機(jī)的設(shè)計(jì)

原理框圖如圖4所示。

圖4 ATT主動(dòng)超聲引信接收機(jī)電路框圖

從圖1可以看出,ATT上安裝有四個(gè)聲引信裝置,每一個(gè)ATT聲引信的工作原理框圖如圖4所示。換能器接收回波信號(hào),通過(guò)對(duì)回波信號(hào)的信號(hào)處理,如果判別出來(lái)襲魚(yú)雷已經(jīng)在ATT的作用半徑之內(nèi),并且同時(shí)接收到來(lái)襲魚(yú)雷的主動(dòng)尋的信號(hào),那么打開(kāi)閘門(mén)電路,引爆爆發(fā)器,摧毀來(lái)襲魚(yú)雷。

4.1 正交處理電路

接收機(jī)的核心是正交相關(guān)處理電路,正交處理電路原理框圖如圖所示,它是由數(shù)字開(kāi)關(guān)混頻電路,橢圓函數(shù)低通濾器,平方電路,π/2移相電路與相加電路所組成。

圖5 正交相關(guān)處理電路

4.2 正交相關(guān)處理電路的處理增益

在主動(dòng)聲引信系統(tǒng)中,由于干擾的存在,目標(biāo)的回波總是混雜在不斷起伏的背景噪聲中。為了從背景噪聲中區(qū)分出目標(biāo)回波,盡量增大信號(hào)的功率與噪聲平均功率的比值必然是有利的,對(duì)于目標(biāo)參數(shù)的測(cè)量當(dāng)然是可以更加精確。因此,通常接收機(jī)是按照得到最大輸出信噪比的要求來(lái)設(shè)計(jì)的[8]。

正交接收機(jī)用下式表示,是指在輸入為確知信號(hào)和白噪聲的混合波形時(shí),能使輸出信噪比[9]:

(13)

達(dá)到最大值的接收機(jī)。

正交接收機(jī)在噪聲中檢測(cè)信號(hào)的最大信噪比增益[10]為

G=2TW

(14)

其中W為噪聲帶寬,通常指接收機(jī)的前置濾波器的帶寬。可以看出這里的增益與波形帶寬無(wú)關(guān),而與噪聲帶寬有關(guān),可以增加噪聲帶寬來(lái)增加信噪比增益。通常,作為前置濾波器的帶寬W都可以選擇使要檢測(cè)的信號(hào)無(wú)波形畸變的帶寬B。這時(shí)有:

G=2TB

(15)

但在實(shí)際系統(tǒng)中,考慮到目標(biāo)的運(yùn)動(dòng),W取的大一些,一般為W=B+2φmax,其中目標(biāo)回波可能最大的多普勒頻移值為φmax。式中:T為信號(hào)的持續(xù)時(shí)間。因?yàn)橄到y(tǒng)對(duì)信號(hào)的檢測(cè)都是在有限時(shí)間內(nèi)進(jìn)行的,所以在式(15)中,T是有限的持續(xù)時(shí)間。根據(jù)T的意義,由于T決定于系統(tǒng)對(duì)信號(hào)檢測(cè)時(shí)的持續(xù)時(shí)間,該時(shí)間端對(duì)信號(hào)進(jìn)行積分,所以其大小實(shí)際上等于系統(tǒng)中積分器的積分時(shí)間。

聲引信系統(tǒng)中采用的是RC積分器,其積分時(shí)間可以按照T=RC來(lái)計(jì)算。對(duì)于帶寬W的計(jì)算,要考慮接收機(jī)前置濾波器的帶寬。根據(jù)其意義,可以取接收機(jī)前置濾波器的帶寬為聲引信接收部分中工作通道高頻放大器的帶寬。考慮實(shí)際情況并非完全等效于匹配濾波器,在接收時(shí)選頻放大只是利用了幅度信息而沒(méi)有利用相位信息,其處理增益大小應(yīng)乘以1/2的系數(shù);采用線性檢波,處理增益還需乘以1/(π-2)因此可得:

G=2*1/(π-2)*0.5*R*C*W=2.6

(16)

根據(jù)聲引信作用距離部分的計(jì)算可以知道,在聲引信接收端信號(hào)與干擾的聲壓比在25以上,信噪比為聲壓比的平方,取輸入信噪比為252。

因此,處理增益可以滿足對(duì)虛警概率和檢測(cè)概率的要求(pd=99.9%,pf=10-6)。技術(shù)要求和測(cè)試結(jié)果如表1所示。

5 結(jié)語(yǔ)

反魚(yú)雷魚(yú)雷(ATT)主動(dòng)超聲引信接收組件在水池做實(shí)驗(yàn)調(diào)試成功,實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明基于正交相關(guān)處理ATT引信接收機(jī)的設(shè)計(jì)合理,獲得較為理想的處理增益。由于篇幅有限對(duì)實(shí)驗(yàn)方案、實(shí)驗(yàn)過(guò)程就不展開(kāi)論述。值得一提的是聲引信接收機(jī)安裝于魚(yú)雷還需考慮:

表1 ATT聲引信接收部分各組件電路測(cè)試表

1)結(jié)構(gòu)安裝問(wèn)題;

2)電磁兼容問(wèn)題;

3)與魚(yú)雷總電路接口問(wèn)題;

4)聲引信電路結(jié)構(gòu)與電源回路等一系列工程實(shí)施問(wèn)題。

另外,由于實(shí)驗(yàn)只是在水池中完成的,并沒(méi)有在海洋中測(cè)試接收機(jī)的性能,而海洋中存在很多不確定因素,各種門(mén)限設(shè)置是否精確,誤差有多大,這些都需要在海上試驗(yàn)中加以驗(yàn)證。

[1]苑秉成,陳喜.水聲自導(dǎo)原理基礎(chǔ)[M].北京:海潮出版社,1992.

[2]蔣興舟,陳喜.自導(dǎo)作用距離影響因素的分析[J].海軍工程學(xué)院學(xué)報(bào),1991,57(4):49-52.

[3]陳喜,周琨.魚(yú)雷主動(dòng)超聲非觸發(fā)引信抗水中爆炸干擾研究[J].艦船電子工程,2011,31(10):152-155.

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[8]苑秉成,陳喜.水聲通訊系統(tǒng)的時(shí)空處理[J].海軍工程學(xué)院學(xué)報(bào),1998,64(4):85-88.

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[10]徐德民.魚(yú)雷自動(dòng)控制系統(tǒng)[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,1991.

ReceiverofAnti-torpedoUltrasonicFuzeBasedonOrthogonalRelatedProcessing

WU Junsheng CHEN Xi

(Departmen of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

When anti-torpedo torpedo attacks incoming torpedo, its homing device lead it near the incoming torpedo, when acoustic fuze device judges that the incoming torpedo is within the radius of action, it sets off the detonator to destroy the incoming torpedo. Aiming at the analysis of the interference of active noncontact fuze, this paper holds that the receiver of anti-torpedo can adopt orthogonal receiver. Theoretical model, principle, composing of the circuit and the theoretical processing gain of orthogonal processing circuit are also expatiated, lastly the experimental result shows that processing gain can meet the technical requirements.

anti-torpedo, ultrasonic fuze, othogonal receiver

2013年10月10日,

:2013年11月17日

吳俊生,男,碩士研究生,研究方向:聲引信技術(shù)。陳喜,男,副教授,研究方向:魚(yú)雷制導(dǎo)技術(shù)、水中兵器仿真技術(shù)等。

U666.7DOI:10.3969/j.issn1672-9730.2014.04.045