一種聲自導(dǎo)魚雷潛艇目標(biāo)識(shí)別方法

石 磊，劉 罡

(中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七〇五研究所，陜西 西安 710075)

0 引 言

水下目標(biāo)識(shí)別是現(xiàn)代聲自導(dǎo)魚雷智能化發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，通常采用基于目標(biāo)亮點(diǎn)空間分布的識(shí)別技術(shù)，將各個(gè)亮點(diǎn)的位置通過幾何方法投影至大地坐標(biāo)系中，從而獲取目標(biāo)的水平尺度、垂直尺度以及目標(biāo)的走向角，并以此作為特征量，通過判別干擾與目標(biāo)的水平長(zhǎng)度和垂直尺度差異剔除點(diǎn)誘餌、自航式尺度誘餌等，實(shí)現(xiàn)潛艇和各類干擾器材的識(shí)別[1 – 2]。但該方法進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別時(shí)要求魚雷軸向與目標(biāo)航向形成20°~70°的夾角，并要求魚雷和目標(biāo)在垂直方向存在一定的深度差；其次在淺水聲傳播情況復(fù)雜，聲線彎曲使得垂直方向的尺度識(shí)別能力下降。另外，此類方法不能識(shí)別未來(lái)可能出現(xiàn)的二維尺度誘餌。

由于各類干擾器材[3]，特別是自航式尺度聲誘餌在聲學(xué)特性上的逼真性，魚雷通過傳統(tǒng)的水平尺度差異、垂直尺度差異等識(shí)別方法已經(jīng)難以對(duì)其進(jìn)行識(shí)別[4]。尺度聲誘餌的多個(gè)基元一般不能完全獨(dú)立應(yīng)答，通常是單點(diǎn)接收多點(diǎn)同步應(yīng)答，而潛艇是真實(shí)的物理反射，各個(gè)位置的回波由于與魚雷連線的夾角不同，徑向速度就不同，導(dǎo)致接收到的魚雷發(fā)射信號(hào)多普勒頻移也不相同，對(duì)于不能完全獨(dú)立應(yīng)答的尺度聲誘餌是無(wú)法對(duì)其進(jìn)行模擬的[5]。因此可以利用此特征，通過不同亮點(diǎn)之間目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度一致性來(lái)識(shí)別潛艇，提高目標(biāo)識(shí)別的概率。

本文提出了一種基于微多普勒差異[6]的聲自導(dǎo)魚雷識(shí)別潛艇的目標(biāo)識(shí)別方法，該方法通過亮點(diǎn)之間的位置信息估計(jì)出亮點(diǎn)連線的傾角，然后利用各個(gè)亮點(diǎn)的徑向速度和亮點(diǎn)連線的傾角估計(jì)出不同亮點(diǎn)對(duì)應(yīng)的目標(biāo)速度，最后利用各個(gè)亮點(diǎn)獲取的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度的一致性來(lái)識(shí)別潛艇。

1 目標(biāo)速度估計(jì)基本原理

主動(dòng)自導(dǎo)系統(tǒng)接收的目標(biāo)回波[7]，除相對(duì)于發(fā)射信號(hào)的延時(shí)以外，還產(chǎn)生多普勒頻移，多普勒頻移與目標(biāo)的徑向速度有關(guān)[8]。徑向速度指魚雷速度與目標(biāo)速度在魚雷與目標(biāo)連線上的投影之和，也稱魚雷相對(duì)于目標(biāo)的相對(duì)速度。

設(shè)魚雷主動(dòng)發(fā)射信號(hào)的工作頻率為f0，徑向速度vr產(chǎn)生的多普勒頻移為：

式中，c為聲波在海水中的速度，一般取1 500 m/s。由于vr?c，所以

因此，通過回波頻率估計(jì)后即可獲取多普勒頻移，從而可計(jì)算得到目標(biāo)的徑向速度。

2 基于微多普勒差異的目標(biāo)識(shí)別算法

基于微多普勒差異的目標(biāo)識(shí)別[9]中，首先需要以傳統(tǒng)多亮點(diǎn)檢測(cè)為基礎(chǔ)，進(jìn)行目標(biāo)的二維尺度識(shí)別，獲取目標(biāo)的二維尺度信息及姿態(tài)信息[10]，然后再進(jìn)行亮點(diǎn)的選取，并獲取所選亮點(diǎn)的亮點(diǎn)距離、方位和徑向速度，最后根據(jù)參數(shù)估計(jì)值，計(jì)算亮點(diǎn)連線的傾角以及各個(gè)亮點(diǎn)對(duì)應(yīng)的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度，獲得亮點(diǎn)之間的運(yùn)動(dòng)速度差值，并以此判斷該目標(biāo)是否為潛艇。

2.1 亮點(diǎn)選取

對(duì)于自導(dǎo)系統(tǒng)檢測(cè)到的多個(gè)亮點(diǎn)（大于2個(gè)）中選擇水平方位角度差最大的2個(gè)亮點(diǎn)，分別為1號(hào)和2號(hào)亮點(diǎn)作為目標(biāo)識(shí)別的有效亮點(diǎn)，如圖1所示。

圖1 魚雷攻擊態(tài)勢(shì)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the torpedo attack situation

2.2 亮點(diǎn)距離和徑向速度計(jì)算

對(duì)于選取的1號(hào)和2號(hào)亮點(diǎn)，其距離分別為：

式中：R1和R2分別為自導(dǎo)系統(tǒng)計(jì)算得到的1號(hào)和2號(hào)亮點(diǎn)的距離；τ1和τ2分別為對(duì)應(yīng)1號(hào)和2號(hào)亮點(diǎn)反射回波相對(duì)于發(fā)射信號(hào)的時(shí)延。

徑向速度分別為：

式中：vr1和vr2分別為自導(dǎo)系統(tǒng)計(jì)算得到的1號(hào)亮點(diǎn)和2號(hào)亮點(diǎn)徑向速度，也稱魚雷相對(duì)于目標(biāo)的相對(duì)速度；f0為自導(dǎo)系統(tǒng)發(fā)射信號(hào)的工作頻率；fd1和fd2分別為自導(dǎo)系統(tǒng)檢測(cè)到的1號(hào)亮點(diǎn)和2號(hào)亮點(diǎn)對(duì)應(yīng)的多普勒頻移。

2.3 估計(jì)亮點(diǎn)連線的傾角

如圖1所示，OXZ坐標(biāo)系為魚雷坐標(biāo)系，原點(diǎn)O為魚雷質(zhì)心，魚雷縱軸指向雷頭方向?yàn)镺X軸。亮點(diǎn)連線的傾角為：

式中：φ為2個(gè)亮點(diǎn)連線的傾角；α1和α2分別為自導(dǎo)系統(tǒng)檢測(cè)到的1號(hào)和2號(hào)亮點(diǎn)的水平方位，以魚雷軸向指向頭部為參考方向，指向左邊為正，指向右邊為負(fù)。

2.4 估計(jì)各個(gè)亮點(diǎn)對(duì)應(yīng)的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度

1號(hào)和2號(hào)亮點(diǎn)對(duì)應(yīng)的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度為：

式中：vtarget1和vtarget2分別為1號(hào)亮點(diǎn)和2號(hào)亮點(diǎn)估計(jì)的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度。

2.5 潛艇識(shí)別

1號(hào)亮點(diǎn)和2號(hào)亮點(diǎn)目標(biāo)速度差值按下式計(jì)算：

式中，abs表示取絕對(duì)值。

當(dāng)δ<λδ時(shí)，目標(biāo)判定為潛艇，λδ為判別門限，取0.5~5 kn，否則判定為非潛艇。

3 仿真及性能分析

為了驗(yàn)證該特征的有效性，參考既往型號(hào)研制的工程經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)文獻(xiàn)資料選取魚雷及目標(biāo)參數(shù)，進(jìn)行仿真研究。其中，設(shè)計(jì)輸入為魚雷速度50 kn，目標(biāo)長(zhǎng)度100 m，目標(biāo)速度?8 kn，目標(biāo)距離800～300 m，目標(biāo)走向角0°～90°。

圖2和圖3分別為在魚雷采用15°提前角導(dǎo)引法跟蹤目標(biāo)時(shí)，目標(biāo)與魚雷態(tài)勢(shì)圖和微多普勒識(shí)別特征輸出圖。其中，微多普勒識(shí)別特征門限取2 kn，由此可以得出，在此條件下，該特征的識(shí)別距離為600 m。圖4和圖5分別為在魚雷采用尾追導(dǎo)引法跟蹤目標(biāo)時(shí)，目標(biāo)與魚雷態(tài)勢(shì)圖和微多普勒識(shí)別特征輸出圖。在此條件下，該特征的識(shí)別距離為300 m。

圖2 不同距離目標(biāo)與魚雷態(tài)勢(shì)圖（15°提前角）Fig.2 Target at different distances with torpedo situation map(advance angle of 15°)

圖3 微多普勒識(shí)別特征輸出圖（15°提前角）Fig.3 Micro-Doppler recognition feature (advance angle of 15°)

圖4 不同距離目標(biāo)與魚雷態(tài)勢(shì)圖（尾追導(dǎo)引）Fig.4 Target at different distances with torpedo situation map(tail chase guidance)

圖5 微多普勒識(shí)別特征輸出圖（尾追導(dǎo)引）Fig.5 Micro-Doppler recognition feature (tail chase guidance)

圖6和圖7分別為提前角導(dǎo)引和尾追導(dǎo)引法跟蹤目標(biāo)時(shí)，微多普勒識(shí)別特征在不同目標(biāo)走向角下的識(shí)別距離。可以看出，在提前角導(dǎo)引時(shí)，該特征在走向角大于33°時(shí)可以滿足識(shí)別距離大于300 m，可進(jìn)行線?體目標(biāo)的識(shí)別，在尾追導(dǎo)引時(shí)，該特征在走向角大于40°時(shí)滿足識(shí)別距離大于300 m，可進(jìn)行線?體目標(biāo)的識(shí)別。

圖6 微多普勒識(shí)別距離圖（15°提前角）Fig.6 Micro-Doppler recognition distance (advance angle of 15°)

4 結(jié) 語(yǔ)

本文提出一種基于不同位置亮點(diǎn)微多普勒差異的聲自導(dǎo)魚雷目標(biāo)識(shí)別算法，該算法通過亮點(diǎn)之間的位置信息估計(jì)出亮點(diǎn)連線的傾角，然后利用各個(gè)亮點(diǎn)的徑向速度和亮點(diǎn)連線的傾角估計(jì)出不同亮點(diǎn)對(duì)應(yīng)的目標(biāo)速度。最后利用各個(gè)亮點(diǎn)獲取的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度的一致性識(shí)別潛艇與對(duì)抗器材，并通過仿真分析在各種攻擊態(tài)勢(shì)和攻擊條件下，本文提出的目標(biāo)識(shí)別方法的識(shí)別距離，從而證明方法的有效性。本方法可作為聲自導(dǎo)魚雷在近距離跟蹤階段傳統(tǒng)識(shí)別方法的有效補(bǔ)充，能夠提高聲自導(dǎo)魚雷對(duì)潛艇的識(shí)別概率。