基于正交相关处理的反鱼雷鱼雷声引信接收机的设计*

吴俊生 陈 喜

(海军工程大学兵器工程系 武汉 430033)

基于正交相关处理的反鱼雷鱼雷声引信接收机的设计*

吴俊生 陈 喜

(海军工程大学兵器工程系 武汉 430033)

反鱼雷鱼雷攻击来袭鱼雷时,自导装置将其引到来袭鱼雷附近,当声引信装置判定来袭鱼雷在其作用半径之内时,引爆装药,摧毁来袭鱼雷。文中对主动非触发引信接收样本信号进行分析,分析结果表明反鱼雷鱼雷的接收机可采用正交接收机,并阐述其理论模型、工作原理、电路组成及导出正交处理电路的理论处理增益,最后实验结果表明处理增益可以满足技术要求。

反鱼雷鱼雷; 声引信; 正交接收机

ClassNumberU666.7

1 引言

反鱼雷鱼雷(Anti-Torpedo Torpedo,ATT)主动超声非触发引信在其作用半径之内通过来袭鱼雷时,引爆装药的引信,击毁来袭鱼雷。其工作机理是:声引信装置向海水介质发射特定的声波脉冲,经海水介质的传播,由接收机接收来自来袭鱼雷反射回来的声信号和来袭鱼雷的主动寻的信号,经过对接收信号的处理,判断该目标是否为来袭鱼雷,符合判断标准的信号认为是来袭鱼雷,否则是干扰信号,从而决定是否引爆装药。ATT鱼雷主动超声引信换能器通常安置在雷体前端四个位置上,互置相差90°,形成测向阵,每个换能器在水平方向为方向性90°,则测向阵方向性为360°,如图1所示。因此ATT在其作用半径内可以拦截任何方向的来袭鱼雷。

图1 ATT鱼雷超声引信测向阵

2 接收样本信号的分析

通常ATT主动超声非触发引信发射为单一正弦填充脉冲(CW波)f(t),接收样本信号r(t)主要由目标回波、混响和背景噪声三部分所组成[1],即

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

(1)

接收样本信号r(t)如图2所示。

图2 接收样本信号组成框图

s(t)含两层意义: 1)目标反射回波,携带着有关目标的所有信息,是检测目标和目标参数估计的全部依据; 2)人工干扰,如对抗器材干扰与单个或系列爆炸声源的干扰,后者由于在实际战场环境中存在的概率极低,在这里不予以考虑。nr(t)主要是体积混响,因为ATT主动超声非触发声引信的作用距离比较短,考虑的就只有体积混响的情况[2]。由于发射信号的脉冲宽度τ取值较小,而RLv与τ的取值成正比,因此RLv所得到的值较小,又根据文献[3]可得声引信发射脉冲发射完毕之后在2τ的时间内关闭接收通道,使其混响干扰降至最低,因此可以忽略体积混响的干扰。n(t)主要包括海洋环境自然噪声,ATT鱼雷螺旋桨噪声。由于超声引信选取工作频率较高,根据文献[4]可得海洋自然噪声能级较小,因此噪声干扰主要为ATT鱼雷螺旋桨产生噪声,且可以看成是白高斯噪声[5]。经典检测理论指出[6],在白高斯噪声背景中检测已知信号的最佳接收机是匹配滤波器。其输出信噪比只与输入信号能量和噪声功率谱密度有关,而与信号波波形式无关。

3 正交接收机理论模型的建立

白高斯背景下水声信号单纯检测问题以数学形式可表示为

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

(2)

H0:r(t)=n(t)

(3)

其中:H1表示有目标信号;H0表示无目标信号;s(t)表示目标回波信号;n(t)表示噪声信号;r(t)表示接收机接收到目标信号。对于目标回波信号有无的检测称之为双择检测。若输入信号包含有随机振幅和随机相位两个参数,这种检测属于复合双择检测下。理论上讲复合双择检测下的最佳接收机仍然是一个似然接收机[6],似然接收机的输出可表示为

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

其中:A为输入信号随机振幅,服从瑞利分布;φ为输入信号随机相位,服从均匀分布;θ为初始相位;N0为噪声能量;a(t)为发射信号归一化包络;E为发射信号能量,l(r)为发射信号下适合于所有样本的似然比。为此对A、φ求平均再等式两边取对数可得似然比接收机的输出的表达式为

(11)

对式(11)稍加整理即可得对数似然比检测判断规律(大于门限Z0判为目标信号;反之,无目标信号)。

(12)

其中:Z2即称为对数似然比接收机的检验统计量。

根据式(5)～式(7),式(12),可以画出白高斯噪声背景下检测慢起伏点目标的最佳接收机如图3所示。这种接收机具有两个通道,且两个通道的参考信号刚好是正交的(相位相差90°)所以称之为正交相关接收机。

图3 正交相关接收机

由于两个正交分量的振幅分别含有cosφ和sinφ这个与随机相位有关的随机量。所以两路互相关器的输出仍将与随机相位有关。为了消除cosφ和sinφ影响,又将两路相关器输出进行了平方求和处理,最后得到Z2就完全与随机相位无关,因而实现了在随机相位条件下的最佳处理。

4 ATT接收机的设计

原理框图如图4所示。

图4 ATT主动超声引信接收机电路框图

从图1可以看出,ATT上安装有四个声引信装置,每一个ATT声引信的工作原理框图如图4所示。换能器接收回波信号,通过对回波信号的信号处理,如果判别出来袭鱼雷已经在ATT的作用半径之内,并且同时接收到来袭鱼雷的主动寻的信号,那么打开闸门电路,引爆爆发器,摧毁来袭鱼雷。

4.1 正交处理电路

接收机的核心是正交相关处理电路,正交处理电路原理框图如图所示,它是由数字开关混频电路,椭圆函数低通滤器,平方电路,π/2移相电路与相加电路所组成。

图5 正交相关处理电路

4.2 正交相关处理电路的处理增益

在主动声引信系统中,由于干扰的存在,目标的回波总是混杂在不断起伏的背景噪声中。为了从背景噪声中区分出目标回波,尽量增大信号的功率与噪声平均功率的比值必然是有利的,对于目标参数的测量当然是可以更加精确。因此,通常接收机是按照得到最大输出信噪比的要求来设计的[8]。

正交接收机用下式表示,是指在输入为确知信号和白噪声的混合波形时,能使输出信噪比[9]:

(13)

达到最大值的接收机。

正交接收机在噪声中检测信号的最大信噪比增益[10]为

G=2TW

(14)

其中W为噪声带宽,通常指接收机的前置滤波器的带宽。可以看出这里的增益与波形带宽无关,而与噪声带宽有关,可以增加噪声带宽来增加信噪比增益。通常,作为前置滤波器的带宽W都可以选择使要检测的信号无波形畸变的带宽B。这时有:

G=2TB

(15)

但在实际系统中,考虑到目标的运动,W取的大一些,一般为W=B+2φmax,其中目标回波可能最大的多普勒频移值为φmax。式中:T为信号的持续时间。因为系统对信号的检测都是在有限时间内进行的,所以在式(15)中,T是有限的持续时间。根据T的意义,由于T决定于系统对信号检测时的持续时间,该时间端对信号进行积分,所以其大小实际上等于系统中积分器的积分时间。

声引信系统中采用的是RC积分器,其积分时间可以按照T=RC来计算。对于带宽W的计算,要考虑接收机前置滤波器的带宽。根据其意义,可以取接收机前置滤波器的带宽为声引信接收部分中工作通道高频放大器的带宽。考虑实际情况并非完全等效于匹配滤波器,在接收时选频放大只是利用了幅度信息而没有利用相位信息,其处理增益大小应乘以1/2的系数;采用线性检波,处理增益还需乘以1/(π-2)因此可得:

G=2*1/(π-2)*0.5*R*C*W=2.6

(16)

根据声引信作用距离部分的计算可以知道,在声引信接收端信号与干扰的声压比在25以上,信噪比为声压比的平方,取输入信噪比为252。

因此,处理增益可以满足对虚警概率和检测概率的要求(pd=99.9%,pf=10-6)。技术要求和测试结果如表1所示。

5 结语

反鱼雷鱼雷(ATT)主动超声引信接收组件在水池做实验调试成功,实验结果证明基于正交相关处理ATT引信接收机的设计合理,获得较为理想的处理增益。由于篇幅有限对实验方案、实验过程就不展开论述。值得一提的是声引信接收机安装于鱼雷还需考虑:

表1 ATT声引信接收部分各组件电路测试表

1)结构安装问题;

2)电磁兼容问题;

3)与鱼雷总电路接口问题;

4)声引信电路结构与电源回路等一系列工程实施问题。

另外,由于实验只是在水池中完成的,并没有在海洋中测试接收机的性能,而海洋中存在很多不确定因素,各种门限设置是否精确,误差有多大,这些都需要在海上试验中加以验证。

[1]苑秉成,陈喜.水声自导原理基础[M].北京:海潮出版社,1992.

[2]蒋兴舟,陈喜.自导作用距离影响因素的分析[J].海军工程学院学报,1991,57(4):49-52.

[3]陈喜,周琨.鱼雷主动超声非触发引信抗水中爆炸干扰研究[J].舰船电子工程,2011,31(10):152-155.

[4]Urick R J. Principles of Underwater Sound for Engineers[M]. New York: MacGraw Hill,1975.

[5]蒋兴舟,陈喜.鱼雷自导系统设计原理[M].武汉:海军工程学院出版社,1994.

[6]苑秉成,陈喜.武器制导技术[M].武汉:海军工程大学出版社,2009.

[7]王玉泉.水声设备[M].北京:国防工业出版社,1985.

[8]苑秉成,陈喜.水声通讯系统的时空处理[J].海军工程学院学报,1998,64(4):85-88.

[9]顾金海,叶学千.水声学基础[M].北京:国防工业出版社,1981.

[10]徐德民.鱼雷自动控制系统[M].西安:西北工业大学出版社,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

吴俊生,男,硕士研究生,研究方向:声引信技术。陈喜,男,副教授,研究方向:鱼雷制导技术、水中兵器仿真技术等。

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