魚雷航行姿態(tài)變化對三波束聲引信的干擾分析及其抑制方法

唐 波,譚思煒,張靜遠(yuǎn),吳笛霄

魚雷航行姿態(tài)變化對三波束聲引信的干擾分析及其抑制方法

唐 波,譚思煒*,張靜遠(yuǎn),吳笛霄

(海軍工程大學(xué) 兵器工程學(xué)院,湖北 武漢,430033)

針對魚雷航行姿態(tài)變化引起的聲引信測距干擾問題,從三波束聲引信和干擾產(chǎn)生的基本原理出發(fā),采用歐拉旋轉(zhuǎn)定理對波束向量進(jìn)行空間變換,分析了存在航行姿態(tài)變化時的聲引信各波束測距誤差; 在獲取航行姿態(tài)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,將航行姿態(tài)數(shù)據(jù)引入到干擾存在條件下的引信測距算法,推導(dǎo)了消除魚雷航行姿態(tài)變化引起的聲引信測距干擾方法。仿真試驗表明,該方法可有效抑制魚雷航行姿態(tài)變化引起的聲引信測距干擾。

魚雷; 聲引信; 干擾; 抑制; 航行姿態(tài)

0 引言

魚雷非觸發(fā)引信主要包括磁引信、電磁引信和聲引信。其中,磁引信是最早出現(xiàn)的一種非觸發(fā)引信,二戰(zhàn)時期就已經(jīng)在魚雷武器上得到了應(yīng)用,如德國的Pi-1型引信,前蘇聯(lián)的HNB-36、HNB-53型引信等。但磁引信由于作用距離、抗干擾性等因素,應(yīng)用越來越少。目前應(yīng)用較多的為主動電磁引信,其通過主動的輻射電磁場,即接收目標(biāo)散射的電磁場來判斷目標(biāo)的有無,是一種比較可靠的水下目標(biāo)探測手段。但由于電磁波在水下衰減嚴(yán)重以及近場的問題,使得電磁引信的作用距離非常有限,并且無法實現(xiàn)測距。聲引信作為一種魚雷非觸發(fā)引信,由于具有作用距離遠(yuǎn),抗干擾性能強(qiáng)以及可準(zhǔn)確測距等諸多優(yōu)勢,引起了越來越多的重視,各國都展開了大量研究,瑞典、意大利等國已經(jīng)將聲引信裝配于其生產(chǎn)的魚雷,如意大利的A184,瑞典的TP2000等[1-2]。

聲引信不但可以應(yīng)用于反潛魚雷,也可以應(yīng)用于反艦魚雷[3]。在反艦魚雷的應(yīng)用中,由于魚雷航行姿態(tài)變化,聲信號傳播的聲程也隨之發(fā)生變化,導(dǎo)致在聲引信測距中存在干擾,增加了目標(biāo)檢測的虛警概率[4]。

針對該問題,文中提出將魚雷航行姿態(tài)數(shù)據(jù)引入到目標(biāo)距離解算中,用以抑制魚雷航行姿態(tài)變化產(chǎn)生的干擾。

1 三波束聲引信基本原理

圖1 波束分布示意圖

對于無限大平面目標(biāo)來說,回波信號可以分別表示為

理想狀態(tài)下

通過對式(8)解算得到的目標(biāo)距離變化判斷,可以確定是否與目標(biāo)相遇。

2 魚雷航行姿態(tài)干擾分析

圖2 空間坐標(biāo)系與魚雷坐標(biāo)系示意圖

其中

可得三波束回波信號的時延分別為

1.2.3 培訓(xùn)方式 ①基本操作技能培訓(xùn):按計劃每個月集中培訓(xùn)1項操作，主要采取帶教老師赴上級醫(yī)院觀摩培訓(xùn)的方式，組織護(hù)士觀看操作視頻，老師操作演示，現(xiàn)場指導(dǎo)，護(hù)士分組進(jìn)行訓(xùn)練。②社區(qū)護(hù)理服務(wù)培訓(xùn):主要包括健康人群與高危人群的健康管理，社區(qū)居家護(hù)理，急、危重病人的院前急救與轉(zhuǎn)診，社區(qū)傳染性疾病的護(hù)理及消毒隔離指導(dǎo)，健康教育指導(dǎo)及如何建立健康信息檔案等。③院前急救培訓(xùn):重點對門診及社區(qū)站點護(hù)士，每個月1次進(jìn)行心肺復(fù)蘇、簡易呼吸機(jī)操作訓(xùn)練、綠色通道及猝死急救演練等，熟練掌握及時轉(zhuǎn)診的流程。

將式(9)、式(10)和式(12)代入式(13)～式(15)可得

假設(shè)分別只存在

圖3 只有振動時各波束距離變化

圖4 只有俯仰角變化時各波束距離變化

圖5 只有橫滾角變化時各波束距離變化

從圖3～圖5可以看出,雷體振動、俯仰角變化和橫滾角變化都會對聲引信目標(biāo)距離的探測產(chǎn)生影響。

圖3中振動對于聲引信測距帶來的最大誤差分別為左波束0.38 m,中波束0.38 m,右波束0.38 m; 圖4中俯仰角變化對于聲引信測距帶來的最大誤差分別為左波束0.08 m,中波束0.08 m,右波束0.08 m; 圖5中橫滾角變化對于聲引信測距帶來的最大誤差分別為左波束0.62 m,中波束: 0.76 m,右波束0.62 m。

由以上分析可知,由于航行姿態(tài)變化導(dǎo)致聲引信測距產(chǎn)生誤差,因此影響聲引信目標(biāo)檢測中的虛警概率。雖然圖4中俯仰角變化導(dǎo)致的測距誤差較小,但考慮魚雷水下航行中存在深度調(diào)整過程,此時俯仰角變化較大,由此帶來的聲引信測距誤差也將急劇增大,因此俯仰角變化導(dǎo)致的測距誤差也應(yīng)該考慮。

3 魚雷航行姿態(tài)干擾抑制方法分析

由上文分析可知,產(chǎn)生干擾的主要原因是實際的回波延時為式(16)～式(18),而采用了式(8)的距離解算方式。因此為了消除魚雷航行姿態(tài)變化產(chǎn)生的引信目標(biāo)探測距離干擾,需要對式(16)～式(18)采用新的解算方式。

對式(16)～式(18)化簡并進(jìn)行等式變換可得

圖6 干擾存在時各波束距離變化

由圖7可以看出,當(dāng)魚雷航行姿態(tài)發(fā)生變化時,采用式(22)～式(24)計算聲引信各波束對應(yīng)的目標(biāo)距離,可有效消除魚雷航行姿態(tài)變化帶來的干擾。

圖7 干擾消除時各波束距離變化

其他條件不變,則由式(22)～式(24)計算出的各波束對應(yīng)的目標(biāo)距離如圖8所示。

圖8 隨機(jī)噪聲存在時各波束距離變化

由圖8可以看出,各波束測距的結(jié)果為伴有隨機(jī)噪聲的直線,但噪聲的幅度非常小,僅為0.01 m左右,在實際應(yīng)用中可以忽略,因此可以認(rèn)為在實際工程中,該算法是有效可行的。

4 結(jié)束語

針對魚雷航行姿態(tài)變化對三波束聲引信測距干擾的問題,從三波束聲引信測距和干擾產(chǎn)生的基本原理出發(fā),采用數(shù)學(xué)方法分析了干擾產(chǎn)生的原因,提出了將魚雷航行姿態(tài)參數(shù)引入測距計算的干擾抑制算法,仿真結(jié)果表明,該算法可有效抑制魚雷航行姿態(tài)變化引起的三波束聲引信測距干擾,同時對于航行姿態(tài)測量數(shù)據(jù)中的隨機(jī)噪聲也具有適應(yīng)性。

該算法對魚雷聲引信的抗干擾研究以及裝備研制均具有重要的參考價值。下一步將針對該算法開展工程化實踐,以驗證該方法在裝備中的適應(yīng)性。

[1] 馮晉利. 主動聲引信抗波浪識別水面艦船的自適應(yīng)技術(shù)[J]. 探測與控制學(xué)報,1999,21(2): 36-38.

Feng Jin-li. The Adaptive Technique for an Active Acous- tic fuze to Resist Waves and Recognize a Surface Ship[J]. Journal of Detection & Control,1999,21(2): 36-38.

[2] 孫波,陳喜. 基于相位判別的反艦聲引信抗海浪干擾機(jī)理研究[J]. 魚雷技術(shù),2006,14(2): 34-37.

Sun Bo,Chen Xi. Mechanism Investigation to Anti-interference of Ocean Wave of Antiship Active Ultrasonic Fuze Based on Phase Discrimination[J]. Torpedo Technology,2006,14(2): 34-37.

[3] 王紹卿,劉建民. 魚雷近炸引信原理與設(shè)計[M]. 西安: 西北工業(yè)大學(xué)出版社,1992: 32-36.

[4] 陳喜. 基于相位編碼信號的魚雷主動反艦聲引信研究[J]. 海軍工程大學(xué)學(xué)報,2008,20(3): 44-47.

Chen Xi. Research on Torpedo Antiship Active Fuze Based on Phase-coded Signal[J]. Journal of Naval University of Engineering,2008,20(3): 44-47.

[5] 胡橋. 水下主動聲引信回波集成檢測方法[J]. 魚雷技術(shù),2012,20(2): 100-106.

Hu Qiao. Integrated Detection Method of Active Underwater Acoustic Fuze Echo[J]. Torpedo Technology,2012,20(2): 100-106.

[6] 田坦. 聲吶技術(shù)[M]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué)出版社,2016: 46-52.

[7] 李志舜. 魚雷自導(dǎo)信號與信息處理[M]. 西安: 西北工業(yè)大學(xué)出版社,2004: 64-182.

[8] 唐波. 水中目標(biāo)微多普勒特征研究[J]. 海軍工程大學(xué)學(xué)報,2019,31(1): 91-94.

Tang Bo. Research on Micro-Doppler Characteristics of Underwater Target[J]. Journal of Naval University of Engineering,2019,31(1): 91-94.

[9] 符宏偉. 旋轉(zhuǎn)矩陣表達(dá)方式對大旋轉(zhuǎn)角三維基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換的影響[J]．測繪與空間地理信息,2018,41(10): 203- 206.

Fu Hong-wei. Three-dimensional Reference Transformation of Large Rotation Angle Effects of Rotation Matrix Expression[J]. Geomatics & Spatial Information Technology,2018,41(10): 203-206.

[10] 徐先峰. 一種解析的基于旋轉(zhuǎn)矩陣估計的波達(dá)方向估計方法[J]. 電子學(xué)報,2017,45(4): 1012-1017.

Xu Xian-feng. An Analytical Direction-of-Arrival Algorithm Based on the Estimation of Rotation Matrix[J]. Acta Electronica Sinica,2017,45(4): 1012-1017.

Analysis on Interference of Torpedo Navigation Attitude of Acoustic Fuze with Three Beams and Its Suppressing Method

,*,,

(College of weaponry Engineering,Naval University of Engineering,Wuhan 430033,China)

In terms of ranging interference of an acoustic fuze due to torpedo navigation attitude changing,based on the basic principles of three-beam acoustic fuzes and interference generation,this paper applies Euler rotation theorem to spatial transformation of the beam vector and analyzes the ranging error of each beam with torpedo navigation attitude changing. Based on the acquisition of the navigation attitude data,a method is proposed to eliminate the ranging error of the acoustic fuze caused by the variation in the torpedo navigation attitude. These data are introduced into a fuze-ranging algorithm considering interference. A simulation test shows that the proposed method can effectively suppress the interference caused by the change in the torpedo navigation attitude.

torpedo; acoustic fuze; interference; suppressing; navigation attitude

TJ630; TJ431.7

A

2096-3920(2021)04-0415-05

10.11993/j.issn.2096-3920.2021.04.007

唐波,譚思煒,張靜遠(yuǎn),等. 魚雷航行姿態(tài)變化對三波束聲引信的干擾分析及其抑制方法[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報,2021,29(4): 415-419.

2020-06-02;

2020-09-09.

國家自然科學(xué)基金項目資助(11602300); 國防十三五預(yù)研基金項目資助(3020601030302).

通信作者簡介:譚思煒(1985-),男,講師,主要研究方向為水下目標(biāo)探測與識別.

(責(zé)任編輯: 許 妍)