强噪声干扰的数学模型

海军驻昆明地区军事代表办事处 杨立健

强噪声干扰的数学模型

海军驻昆明地区军事代表办事处 杨立健

本文从强噪声干扰器机理入手,研究计算机数字模拟法产生强噪声的仿真实现,为研制强噪声对抗声自导鱼雷实验系统提供理论基础。

制强噪声；干扰；数学模型

0 引言

在水声试验靶场中，进行强噪声干扰设备干扰声自导鱼雷的试验，考核干扰效果，是设计强噪声干扰器材、改进鱼雷声自导系统，提高其抗干扰能力的重要手段。强噪声干扰设备干扰声自导鱼雷的试验在海试、湖试条件下由于很难对鱼雷声自导系统的各项响应进行实时观测、做出具体分析，因此实现困难、并且费用庞大。基于对接阵的声自导鱼雷抗干扰实验系统克服了以上不利条件，可完成空投反潜鱼雷声自导系统的水声对抗与反对抗陆上物理仿真实验，具有良好的效益。

基于对接阵的声自导鱼雷抗干扰实验系统，是一种鱼雷陆上物理仿真实验系统。该系统主要用于空投反潜鱼雷声自导系统陆上条件下，实现其在强噪声干扰设备干扰下海上工作环境的仿真。该系统在计算机控制下，以声对接模式（物理仿真）为鱼雷声自导系统提供不同速度、方位、距离、信噪比的目标声仿真信号，并加入强噪声干扰信号，对声自导鱼雷实施宽带干扰，从而验证强噪声干扰设备干扰空投反潜鱼雷的可行性。

1 强噪声干扰器机理

目前国际上利用强功率声对抗器方式干扰鱼雷对目标的跟踪是已经发展成熟的与鱼雷进行对抗的“软对抗”手段之一。而在空投鱼雷的情况下，鱼雷就会落在离潜艇仅仅1km左右的范围内，因此，只需要几十秒就能攻击到目标。空投鱼雷从入水到跟踪攻击上目标，一般仅需60～90秒的时间，如果依赖现有潜艇上与线导鱼雷进行对抗的技术从发现鱼雷到识别鱼雷并发出报警信号，进行对抗，一般要3分钟以上的时间，而启动对抗器材到进入声对抗状态也要1分钟时间，因此现有器材较难与空投鱼雷对抗。与近距离来袭鱼雷对抗的有效措施之一是使用强功率干扰器切断鱼雷与潜艇的接触。为争取时间，这种强噪声干扰器材采用安装在耐压壳体外的“背负式”干扰器，通过仓内开关启动就能发射强干扰，使鱼雷自导系统迷航。当然，强噪声干扰也可能成为暴露潜艇的信号源。

当强邻频干扰信号与微弱有用目标回波信号同时进入鱼雷自导接收机时，或接收机使用的器件的固有非线性，或输入干扰信号过强，超过了器件的动态范围时，会使接收机的灵敏度显著下降、有用信号的增益显著降低。这种现象好象干扰阻塞了有用信号在接收机中的正常传输，故称阻塞干扰（见图1）。

阻塞干扰是由于接收机放大器线形不良、动态范围太窄及噪声系数恶化等原因造成的。由于电路的非线形，尤其是针对模拟电路，当有两个以上干扰存在时，干扰之间的相互作用可以形成新的频率分量。如果新组成的频率分量刚好落在接收机通带内，则会对造成对接收机的干扰。这种互调干扰将会降低接收机的增益，当使增益降低到一定程度时，就形成了阻塞干扰。当邻频干扰幅度越大、有用信号的幅度越小时，接收机增益下降的就越多。一般情况下，接收机放大系数随干扰信号幅度的二次方而迅速下降。当调幅的干扰进入接收机后，其调制信号又交叉调制有用信号的载频，且随有用信号一道输出。若干扰的幅度足够大，以至于通过接收机前端选择电路后仍有不可忽略的幅度时，那么由于接收机的非线形特性，必然给接收机带来干扰。这种干扰一旦在接收机的某一级产生，接收机以后各级回路的选择性便不会对它有任何抑制作用。当有用信号或者干扰过强，远远超过接收机本身的线形范围和动态范围时，也会产生大信号阻塞。当接收机动态范围不足时，正确使用限幅器是有效的办法。限幅器对于调幅和调频信号的阻塞作用是不相同的。对于调幅信号，限幅器可削去有用信号的幅度信息；对于调频信号，限幅器可畸变有用信号的相位。对于调频信号而言，当有用信号大于干扰信号时，限幅的结果同样会使干扰降低，从而形成强信号抑制弱干扰。

图1 强噪声干扰声自导鱼雷机理

由以上分析可知，强噪声干扰器是以频率覆盖水声设备的接收机通带、以功率掩盖目标回波的一种压制性和阻塞性干扰器材。强噪声的带宽如果覆盖了接收机的接收通带，足够幅度的强噪声干扰会使接收机灵敏度降低，使其输出效率和输出信噪比不能达到一定要求，最终阻塞掉接收机。

2 强噪声干扰信号的模型

干扰鱼雷的强噪声干扰器能发出很强的干扰噪声，可造成强大的干扰背景，覆盖敌方鱼雷自导的频率范围。强噪声被敌方鱼雷自导系统接收后，可以降低主动自导系统的输入信噪比，同时也可以降低自导系统对目标的检测能力。对于敌方鱼雷被动自导系统来讲，噪声干扰器是一个很强的假目标，可使被动自导鱼雷丢失真实目标转而进行攻击假目标。

若一个具有零均值的平稳随机过程x(t)，其功率谱密度在某一个有限频率范围内均匀分布，而在此范围外为零，则称这个过程为限带白噪声。强噪声的模型就是一个带通型限带白噪声。将幅度很强的白噪声通过一个带通滤波器，滤波器的带宽满足宽带要求，并且覆盖鱼雷接收机带宽，变可以产生宽带强噪声干扰信号。

3 强噪声干扰信号的数字仿真实现

对强噪声干扰信号的仿真实现总的来说可以有两种办法：一种是通过建立强噪声的数学模型，通过计算机数值模拟的方法来产生数字强噪声干扰信号；一种是利用电子器件如二级管的噪声特性再加以滤波、放大等辅助电路来通过硬件实现模拟形式的强噪声干扰信号。以下讨论了两种计算机数字仿真的方法实现数字强噪声干扰信号：

3.1 宽带随机强噪声用白噪声通过数字宽带滤波器来产生

宽带随机噪声用白噪声通过数字宽带滤波器来产生时，其中宽带噪声频宽就是滤波器的通频带。宽带随机噪声可表示为

在给定噪声干扰器的谱级、频带宽度等技术指标时，可以设计数字带通滤波器，从而得到带通滤波器的脉冲响应和符合要求的宽带随机噪声。

图2所示为由白噪声通过带通滤波器产生的宽带噪声的功率谱。

图2 白噪声通过带通滤波器产生的宽带噪声的功率谱

3.2 由线性调频信号来产生的数字强噪声干扰信号

宽带噪声也可以用线性调频信号来产生，其中的参数例如频率范围，谱级等均可根据需要任意设定。噪声谱级由噪声声强级或者是声压级度量，而噪声的均方差也就是噪声的声压有效值。噪声谱级由下式确定。

线形调频信号（LFM）的表达式为：

其中M是线性调频指数，T是方波包络的宽度，是载频，频率调制宽度，用模拟信号采样成数字信号。

图3是由线性调频信号产生的宽带噪声的功率谱，频率范围是0.3～0.7，谱级0.96。

图3 由线形调频信号产生的宽带噪声的功率谱

噪声干扰器产生的强宽带噪声对于敌方鱼雷自导只是起到增强其噪声干扰背景作用。当鱼雷自导采用比较先进的声发射技术例如变频、调制、编码等时，即使干扰背景强大，仍然有可能利用先进的信号处理技术识别出有效回波，这时噪声干扰器的干扰效果就会大大受到影响。

4 结束语

通过上述对噪声干扰器模型的分析，为研究计算机数字模拟法产生强噪声的仿真实现,以及研制强噪声对抗声自导鱼雷实验系统提供了一定的理论基础。此外，也对今后实际试验分析提供了可靠依据。

[1]康凤举． 现代仿真技术与应用[M]．北京:国防工业出版社,2001．

[2]W．J．伯迪克著,方良嗣译．水声系统分析[M]．北京:海洋出版社,1992．

[3]沈凤麟．叶中付．钱玉美．信号统计分析与处理[M]．合肥:中国科技大学出版社,2001．