強(qiáng)噪聲干擾的數(shù)學(xué)模型

海軍駐昆明地區(qū)軍事代表辦事處 楊立健

強(qiáng)噪聲干擾的數(shù)學(xué)模型

海軍駐昆明地區(qū)軍事代表辦事處 楊立健

本文從強(qiáng)噪聲干擾器機(jī)理入手,研究計算機(jī)數(shù)字模擬法產(chǎn)生強(qiáng)噪聲的仿真實現(xiàn),為研制強(qiáng)噪聲對抗聲自導(dǎo)魚雷實驗系統(tǒng)提供理論基礎(chǔ)。

制強(qiáng)噪聲；干擾；數(shù)學(xué)模型

0 引言

在水聲試驗靶場中，進(jìn)行強(qiáng)噪聲干擾設(shè)備干擾聲自導(dǎo)魚雷的試驗，考核干擾效果，是設(shè)計強(qiáng)噪聲干擾器材、改進(jìn)魚雷聲自導(dǎo)系統(tǒng)，提高其抗干擾能力的重要手段。強(qiáng)噪聲干擾設(shè)備干擾聲自導(dǎo)魚雷的試驗在海試、湖試條件下由于很難對魚雷聲自導(dǎo)系統(tǒng)的各項響應(yīng)進(jìn)行實時觀測、做出具體分析，因此實現(xiàn)困難、并且費用龐大。基于對接陣的聲自導(dǎo)魚雷抗干擾實驗系統(tǒng)克服了以上不利條件，可完成空投反潛魚雷聲自導(dǎo)系統(tǒng)的水聲對抗與反對抗陸上物理仿真實驗，具有良好的效益。

基于對接陣的聲自導(dǎo)魚雷抗干擾實驗系統(tǒng)，是一種魚雷陸上物理仿真實驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要用于空投反潛魚雷聲自導(dǎo)系統(tǒng)陸上條件下，實現(xiàn)其在強(qiáng)噪聲干擾設(shè)備干擾下海上工作環(huán)境的仿真。該系統(tǒng)在計算機(jī)控制下，以聲對接模式（物理仿真）為魚雷聲自導(dǎo)系統(tǒng)提供不同速度、方位、距離、信噪比的目標(biāo)聲仿真信號，并加入強(qiáng)噪聲干擾信號，對聲自導(dǎo)魚雷實施寬帶干擾，從而驗證強(qiáng)噪聲干擾設(shè)備干擾空投反潛魚雷的可行性。

1 強(qiáng)噪聲干擾器機(jī)理

目前國際上利用強(qiáng)功率聲對抗器方式干擾魚雷對目標(biāo)的跟蹤是已經(jīng)發(fā)展成熟的與魚雷進(jìn)行對抗的“軟對抗”手段之一。而在空投魚雷的情況下，魚雷就會落在離潛艇僅僅1km左右的范圍內(nèi)，因此，只需要幾十秒就能攻擊到目標(biāo)。空投魚雷從入水到跟蹤攻擊上目標(biāo)，一般僅需60～90秒的時間，如果依賴現(xiàn)有潛艇上與線導(dǎo)魚雷進(jìn)行對抗的技術(shù)從發(fā)現(xiàn)魚雷到識別魚雷并發(fā)出報警信號，進(jìn)行對抗，一般要3分鐘以上的時間，而啟動對抗器材到進(jìn)入聲對抗?fàn)顟B(tài)也要1分鐘時間，因此現(xiàn)有器材較難與空投魚雷對抗。與近距離來襲魚雷對抗的有效措施之一是使用強(qiáng)功率干擾器切斷魚雷與潛艇的接觸。為爭取時間，這種強(qiáng)噪聲干擾器材采用安裝在耐壓殼體外的“背負(fù)式”干擾器，通過倉內(nèi)開關(guān)啟動就能發(fā)射強(qiáng)干擾，使魚雷自導(dǎo)系統(tǒng)迷航。當(dāng)然，強(qiáng)噪聲干擾也可能成為暴露潛艇的信號源。

當(dāng)強(qiáng)鄰頻干擾信號與微弱有用目標(biāo)回波信號同時進(jìn)入魚雷自導(dǎo)接收機(jī)時，或接收機(jī)使用的器件的固有非線性，或輸入干擾信號過強(qiáng)，超過了器件的動態(tài)范圍時，會使接收機(jī)的靈敏度顯著下降、有用信號的增益顯著降低。這種現(xiàn)象好象干擾阻塞了有用信號在接收機(jī)中的正常傳輸，故稱阻塞干擾（見圖1）。

阻塞干擾是由于接收機(jī)放大器線形不良、動態(tài)范圍太窄及噪聲系數(shù)惡化等原因造成的。由于電路的非線形，尤其是針對模擬電路，當(dāng)有兩個以上干擾存在時，干擾之間的相互作用可以形成新的頻率分量。如果新組成的頻率分量剛好落在接收機(jī)通帶內(nèi)，則會對造成對接收機(jī)的干擾。這種互調(diào)干擾將會降低接收機(jī)的增益，當(dāng)使增益降低到一定程度時，就形成了阻塞干擾。當(dāng)鄰頻干擾幅度越大、有用信號的幅度越小時，接收機(jī)增益下降的就越多。一般情況下，接收機(jī)放大系數(shù)隨干擾信號幅度的二次方而迅速下降。當(dāng)調(diào)幅的干擾進(jìn)入接收機(jī)后，其調(diào)制信號又交叉調(diào)制有用信號的載頻，且隨有用信號一道輸出。若干擾的幅度足夠大，以至于通過接收機(jī)前端選擇電路后仍有不可忽略的幅度時，那么由于接收機(jī)的非線形特性，必然給接收機(jī)帶來干擾。這種干擾一旦在接收機(jī)的某一級產(chǎn)生，接收機(jī)以后各級回路的選擇性便不會對它有任何抑制作用。當(dāng)有用信號或者干擾過強(qiáng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過接收機(jī)本身的線形范圍和動態(tài)范圍時，也會產(chǎn)生大信號阻塞。當(dāng)接收機(jī)動態(tài)范圍不足時，正確使用限幅器是有效的辦法。限幅器對于調(diào)幅和調(diào)頻信號的阻塞作用是不相同的。對于調(diào)幅信號，限幅器可削去有用信號的幅度信息；對于調(diào)頻信號，限幅器可畸變有用信號的相位。對于調(diào)頻信號而言，當(dāng)有用信號大于干擾信號時，限幅的結(jié)果同樣會使干擾降低，從而形成強(qiáng)信號抑制弱干擾。

圖1 強(qiáng)噪聲干擾聲自導(dǎo)魚雷機(jī)理

由以上分析可知，強(qiáng)噪聲干擾器是以頻率覆蓋水聲設(shè)備的接收機(jī)通帶、以功率掩蓋目標(biāo)回波的一種壓制性和阻塞性干擾器材。強(qiáng)噪聲的帶寬如果覆蓋了接收機(jī)的接收通帶，足夠幅度的強(qiáng)噪聲干擾會使接收機(jī)靈敏度降低，使其輸出效率和輸出信噪比不能達(dá)到一定要求，最終阻塞掉接收機(jī)。

2 強(qiáng)噪聲干擾信號的模型

干擾魚雷的強(qiáng)噪聲干擾器能發(fā)出很強(qiáng)的干擾噪聲，可造成強(qiáng)大的干擾背景，覆蓋敵方魚雷自導(dǎo)的頻率范圍。強(qiáng)噪聲被敵方魚雷自導(dǎo)系統(tǒng)接收后，可以降低主動自導(dǎo)系統(tǒng)的輸入信噪比，同時也可以降低自導(dǎo)系統(tǒng)對目標(biāo)的檢測能力。對于敵方魚雷被動自導(dǎo)系統(tǒng)來講，噪聲干擾器是一個很強(qiáng)的假目標(biāo)，可使被動自導(dǎo)魚雷丟失真實目標(biāo)轉(zhuǎn)而進(jìn)行攻擊假目標(biāo)。

若一個具有零均值的平穩(wěn)隨機(jī)過程x(t)，其功率譜密度在某一個有限頻率范圍內(nèi)均勻分布，而在此范圍外為零，則稱這個過程為限帶白噪聲。強(qiáng)噪聲的模型就是一個帶通型限帶白噪聲。將幅度很強(qiáng)的白噪聲通過一個帶通濾波器，濾波器的帶寬滿足寬帶要求，并且覆蓋魚雷接收機(jī)帶寬，變可以產(chǎn)生寬帶強(qiáng)噪聲干擾信號。

3 強(qiáng)噪聲干擾信號的數(shù)字仿真實現(xiàn)

對強(qiáng)噪聲干擾信號的仿真實現(xiàn)總的來說可以有兩種辦法：一種是通過建立強(qiáng)噪聲的數(shù)學(xué)模型，通過計算機(jī)數(shù)值模擬的方法來產(chǎn)生數(shù)字強(qiáng)噪聲干擾信號；一種是利用電子器件如二級管的噪聲特性再加以濾波、放大等輔助電路來通過硬件實現(xiàn)模擬形式的強(qiáng)噪聲干擾信號。以下討論了兩種計算機(jī)數(shù)字仿真的方法實現(xiàn)數(shù)字強(qiáng)噪聲干擾信號：

3.1 寬帶隨機(jī)強(qiáng)噪聲用白噪聲通過數(shù)字寬帶濾波器來產(chǎn)生

寬帶隨機(jī)噪聲用白噪聲通過數(shù)字寬帶濾波器來產(chǎn)生時，其中寬帶噪聲頻寬就是濾波器的通頻帶。寬帶隨機(jī)噪聲可表示為

在給定噪聲干擾器的譜級、頻帶寬度等技術(shù)指標(biāo)時，可以設(shè)計數(shù)字帶通濾波器，從而得到帶通濾波器的脈沖響應(yīng)和符合要求的寬帶隨機(jī)噪聲。

圖2所示為由白噪聲通過帶通濾波器產(chǎn)生的寬帶噪聲的功率譜。

圖2 白噪聲通過帶通濾波器產(chǎn)生的寬帶噪聲的功率譜

3.2 由線性調(diào)頻信號來產(chǎn)生的數(shù)字強(qiáng)噪聲干擾信號

寬帶噪聲也可以用線性調(diào)頻信號來產(chǎn)生，其中的參數(shù)例如頻率范圍，譜級等均可根據(jù)需要任意設(shè)定。噪聲譜級由噪聲聲強(qiáng)級或者是聲壓級度量，而噪聲的均方差也就是噪聲的聲壓有效值。噪聲譜級由下式確定。

線形調(diào)頻信號（LFM）的表達(dá)式為：

其中M是線性調(diào)頻指數(shù)，T是方波包絡(luò)的寬度，是載頻，頻率調(diào)制寬度，用模擬信號采樣成數(shù)字信號。

圖3是由線性調(diào)頻信號產(chǎn)生的寬帶噪聲的功率譜，頻率范圍是0.3～0.7，譜級0.96。

圖3 由線形調(diào)頻信號產(chǎn)生的寬帶噪聲的功率譜

噪聲干擾器產(chǎn)生的強(qiáng)寬帶噪聲對于敵方魚雷自導(dǎo)只是起到增強(qiáng)其噪聲干擾背景作用。當(dāng)魚雷自導(dǎo)采用比較先進(jìn)的聲發(fā)射技術(shù)例如變頻、調(diào)制、編碼等時，即使干擾背景強(qiáng)大，仍然有可能利用先進(jìn)的信號處理技術(shù)識別出有效回波，這時噪聲干擾器的干擾效果就會大大受到影響。

4 結(jié)束語

通過上述對噪聲干擾器模型的分析，為研究計算機(jī)數(shù)字模擬法產(chǎn)生強(qiáng)噪聲的仿真實現(xiàn),以及研制強(qiáng)噪聲對抗聲自導(dǎo)魚雷實驗系統(tǒng)提供了一定的理論基礎(chǔ)。此外，也對今后實際試驗分析提供了可靠依據(jù)。

[1]康鳳舉． 現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用[M]．北京:國防工業(yè)出版社,2001．

[2]W．J．伯迪克著,方良嗣譯．水聲系統(tǒng)分析[M]．北京:海洋出版社,1992．

[3]沈鳳麟．葉中付．錢玉美．信號統(tǒng)計分析與處理[M]．合肥:中國科技大學(xué)出版社,2001．