水下目標(biāo)在被追蹤過(guò)程中的聲反射信號(hào)模擬

董真杰　鄭琛瑤

摘 要： 為模擬水下目標(biāo)在被追蹤過(guò)程中的聲反射信號(hào)，根據(jù)魚(yú)雷和目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)方程，采用尾追法進(jìn)行彈道分析，研究魚(yú)雷追蹤目標(biāo)的軌跡，同時(shí)根據(jù)魚(yú)雷與目標(biāo)的距離，生成不同自導(dǎo)信號(hào)形式，并通過(guò)計(jì)算得到反射信號(hào)的多普勒頻偏和信號(hào)強(qiáng)度，最終將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)供實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，或?yàn)槠渌蝿?wù)提供模擬信號(hào)，對(duì)水下目標(biāo)的設(shè)計(jì)及研制具有重要作用。

關(guān)鍵詞： 水下目標(biāo)； 目標(biāo)追蹤； 尾追法； 聲反射

中圖分類(lèi)號(hào)： TN911.7?34； TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）05?0031?02

Simulation of reflected acoustic signal in process of tracking the underwater object

DONG Zhen?jie， ZHENG Chen?yao

（93 Detachment， Unit 91388 of PLA， Zhanjiang 524022， China）

Abstract： To simulate the reflected sound signal of the tracked underwater target， according to the equations of motion torpedoes and targets， the tail chase method is used to analyze the trajectory of torpedo tracking the target. The different self?guided signals are generated according to the distance between target and torpedo， and then the reflected signals Doppler frequency deviation and strength are obtained by calculation. The digital signal is converted to an analog signal for laboratory testing， or for other tasks. It has an important role in the design and development of underwater targets.

Keywords： underwater target； target tracking； tail chase method； sound reflection

0 引 言

聲自導(dǎo)魚(yú)雷捕獲到水下目標(biāo)后，隨即轉(zhuǎn)入到自導(dǎo)導(dǎo)引段，按照預(yù)先設(shè)定的導(dǎo)引方法跟蹤目標(biāo)[1]，并根據(jù)距離變換自導(dǎo)信號(hào)形式。常用的自導(dǎo)導(dǎo)引方法有尾追法、固定提前角法、變提前角法、平行接近法等。常用的自導(dǎo)信號(hào)形式有單頻脈沖、調(diào)頻信號(hào)等。在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試及仿真中，最常用到魚(yú)雷自導(dǎo)信號(hào)在目標(biāo)上的反射信號(hào)，從測(cè)試角度和工程實(shí)現(xiàn)的難易度等方面考慮，采用尾追法最為簡(jiǎn)單、易行，測(cè)試數(shù)據(jù)可靠。本文利用LabVIEW軟件對(duì)魚(yú)雷追蹤目標(biāo)過(guò)程進(jìn)行仿真，同時(shí)對(duì)魚(yú)雷自導(dǎo)信號(hào)作用在水下目標(biāo)后的反射信號(hào)進(jìn)行模擬，控制D/A硬件產(chǎn)生模擬波形，供測(cè)試測(cè)量及其他任務(wù)需要。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 目標(biāo)和魚(yú)雷的運(yùn)動(dòng)模型

1.1.1 目標(biāo)運(yùn)動(dòng)模型

目標(biāo)以一定的速度和航向作等速直線運(yùn)動(dòng)。

（1） 目標(biāo)初始位置

魚(yú)雷與目標(biāo)的初始距離為[r0，][t0]時(shí)刻目標(biāo)的初始位置為：

[Xm0=r0Ym0=0] （1）

（2） 任一時(shí)刻目標(biāo)的位置為：

[Xm=Xm0+t0tVmdt?cosCmYm=Ym0+t0tVmdt?sinCm] （2）

式中[Cm]為目標(biāo)運(yùn)動(dòng)方向與參考坐標(biāo)夾角。

1.1.2 魚(yú)雷運(yùn)動(dòng)模型

魚(yú)雷方向始終指向目標(biāo)，作曲線運(yùn)動(dòng)。

（1） [t0]時(shí)刻魚(yú)雷的初始位置為：

[Xt0=0Yr0=0] （3）

（2） 任一時(shí)刻魚(yú)雷的位置為：

[Xt=Xt0+t0tVtdt?cosCtYr0=Yt0+t0tVtdt?sinCt] （4）

式中[Ct]為魚(yú)雷運(yùn)動(dòng)方向與參考坐標(biāo)夾角。

1.2 追蹤彈道模型

尾追法追蹤彈道過(guò)程如圖1所示。在魚(yú)雷追蹤目標(biāo)的過(guò)程中，魚(yú)雷速度矢量始終指向目標(biāo)。圖1中[Vm]為目標(biāo)速度矢量，[Vt]為魚(yú)雷速度矢量；[θ]為目標(biāo)運(yùn)動(dòng)方向與魚(yú)雷運(yùn)動(dòng)方向夾角；[r]為魚(yú)雷與目標(biāo)之間的距離。

目標(biāo)作勻速直線運(yùn)動(dòng)，每次運(yùn)算后的位置容易確定。魚(yú)雷的運(yùn)動(dòng)稍顯復(fù)雜，當(dāng)前目標(biāo)位置矢量減去當(dāng)前魚(yú)雷位置矢量得到魚(yú)雷速度方向，按照該方向和魚(yú)雷速度標(biāo)量在一次仿真時(shí)間內(nèi)計(jì)算出新的位移矢量，新的位移矢量加上上次計(jì)算的魚(yú)雷位置矢量就是新的當(dāng)前位置，依此遞推，可同步計(jì)算出目標(biāo)和魚(yú)雷的運(yùn)動(dòng)軌跡。

2 LabVIEW運(yùn)動(dòng)仿真

2.1 初值設(shè)定

可設(shè)定魚(yú)雷與目標(biāo)初始距離[r0，]魚(yú)雷速度[Vt，]目標(biāo)速度[Vm，]初始夾角[θ0，]仿真時(shí)間步長(zhǎng)等參數(shù)[2]。

2.2 仿真分析

LabVIEW運(yùn)動(dòng)仿真程序框圖如圖2所示。圖2中循環(huán)外為初值設(shè)定，循環(huán)內(nèi)首先在復(fù)平面內(nèi)計(jì)算目標(biāo)運(yùn)動(dòng)矢量，按實(shí)軸虛軸分別計(jì)算，加上上次運(yùn)算結(jié)果得到當(dāng)前目標(biāo)位置矢量。魚(yú)雷用上次運(yùn)算結(jié)果得到的位置矢量減去目標(biāo)上次運(yùn)算結(jié)果得到的位置矢量就是當(dāng)前速度方向，按照此方向運(yùn)動(dòng)一個(gè)仿真時(shí)間加上上次運(yùn)算結(jié)果得到的位置矢量得到當(dāng)前位置矢量。將二者當(dāng)前位置矢量通過(guò)移位寄存器送入下次循環(huán)中。

2.3 仿真結(jié)果

設(shè)定[r0]=1 500 m，[Vt]=50 kn，[Vm]=15 kn，[θ0]=[45°，]仿真軌跡如圖3所示。

仿真中設(shè)定距離小于100 m即停止仿真，從仿真軌跡中可以看出，魚(yú)雷一直追蹤水下目標(biāo)不斷改變運(yùn)動(dòng)方向，直至達(dá)到既定條件[3]。

3 聲反射信號(hào)仿真

根據(jù)魚(yú)雷與目標(biāo)距離的變化，生成各種測(cè)試信號(hào)，判斷依據(jù)如圖4所示。

根據(jù)魚(yú)雷與目標(biāo)的距離，模擬魚(yú)雷自導(dǎo)的不同信號(hào)形式。

由于魚(yú)雷和目標(biāo)均在運(yùn)動(dòng)，目標(biāo)反射信號(hào)存在多普勒效應(yīng)，多普勒與兩者運(yùn)動(dòng)方向夾角及自導(dǎo)頻率有關(guān)，多普勒公式為：

[f=f0×1+Vt-VmcosθC]

此公式可通過(guò)LabVIEW公式節(jié)點(diǎn)完成計(jì)算[4]。

由運(yùn)動(dòng)引起的距離變化會(huì)帶來(lái)反射強(qiáng)度的變化，此計(jì)算公式為：

[SLm=SLt-TL+TS]

式中：[SLm]為目標(biāo)反射信號(hào)強(qiáng)度；[SLt]為魚(yú)雷主動(dòng)聲納的發(fā)射聲源級(jí)；[TL]為傳播損失；[TS]為目標(biāo)強(qiáng)度。傳播損失與兩者之間距離有關(guān)[5]。

4 模擬信號(hào)生成

采用NI設(shè)備D/A轉(zhuǎn)換功能板將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸及監(jiān)測(cè)[6]，程序框圖如圖5所示。

程序中首先選擇物理通道，定義D/A轉(zhuǎn)換類(lèi)型，然后配置數(shù)據(jù)量，選擇D/A轉(zhuǎn)換方式，配置完成后將數(shù)字信號(hào)載入到緩存中開(kāi)始D/A轉(zhuǎn)換，完成既定條件后退出程序。此程序框圖與運(yùn)動(dòng)仿真程序框圖、信號(hào)形式變換程序框圖并行運(yùn)算，使用局部變量傳遞數(shù)字信號(hào)。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文利用LabVIEW強(qiáng)大的虛擬儀器設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)能力，對(duì)魚(yú)雷追蹤水下目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行仿真，并對(duì)魚(yú)雷自導(dǎo)信號(hào)作用在水下目標(biāo)后的反射信號(hào)進(jìn)行模擬，該模擬信號(hào)可用于實(shí)驗(yàn)室測(cè)試或進(jìn)行魚(yú)雷試驗(yàn)仿真，對(duì)水下靶標(biāo)的設(shè)計(jì)及研制具有重要作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 薛昌友，孫雪海，杜亮.聲自導(dǎo)魚(yú)雷固定提前角導(dǎo)引法追蹤效果研究[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2011，33（3）：112?114.

[2] 賈躍，宋保維，李文哲.某型魚(yú)雷尾追式彈道設(shè)計(jì)與仿真[J].火力與指揮控制，2006，31（4）：56?59.

[3] 毛俊超，邱華，孫華春.聲自導(dǎo)魚(yú)雷追蹤導(dǎo)引彈道分析[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2011，33（4）：123?125.

[4] 王福明，于麗霞，劉吉.LabVIEW程序設(shè)計(jì)與虛擬儀器[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2009.

[5] 劉伯勝，雷家煜.水聲學(xué)原理[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2009.

[6] 戴成梅，戴成建，周啟龍.基于LabVIEW多功能信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].研究與開(kāi)發(fā)，2010，29（6）：57?61.