基于FRFT和平方变换的伪码引信回波判别_陈劲宇.pdf

第 卷 第期 年月探 测 与 控 制 学 报 收稿日期：作者简介：陈劲宇（），男，湖北孝感人，硕士研究生。基于 和平方变换的伪码引信回波判别陈劲宇，白志科，王玮，李沛轩（中国船舶集团公司第七五研究所，陕西 西安 ）摘要：为了提高鱼雷电磁引信在复杂电磁环境下的抗干扰能力和目标判别能力，实现目标回波的可靠判别，分析了伪码调相鱼雷电磁引信信号及适用于鱼雷电磁引信的伪码序列参数选取原则，提出一种基于分数阶傅里叶变换（）和二次平方变换的伪码调相鱼雷电磁引信回波判别方法。仿真结果表明，该方法能有效区分干扰信号和目标回波信号，具备较好的抗干扰能力，可为伪码调相鱼雷电磁引信设计提供参考。关键词：伪码调相；鱼雷；电磁引信；抗干扰中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，）：，（），：；引言随着现代海战武器装备技术的发展和海洋国际形势的变化，世界主要国家海军早已开始了舰艇反鱼雷防御系统的研究工作，各种舰艇反鱼雷措施不断完善。鱼雷引信干扰诱爆技术作为反鱼雷硬杀伤主要手段之一，其原理是通过检测鱼雷引信的发射信号并模拟真实舰船回波信号，或施加人工干扰，诱骗鱼雷引信动作使鱼雷爆炸，导致鱼雷攻击失败，如美国的 型自航式声靶具备舰船电磁场模拟能力，拖曳式声诱饵上集成了引信诱骗功能。各类对抗器材的出现迫切需要提高鱼雷引信在复杂环境下的抗干扰能力和目标检测能力，实现目标回波的可靠判别。宽频带信号的频谱分散，被敌方截获和转发的难度高，采用宽频带的鱼雷电磁引信工作体制来提高电磁引信的抗干扰能力和目标检测能力是一种有效、可靠的现实途径。文献 将跳频信号应用于鱼雷电磁引信中，提出了数字化跳频引信系统设计方案，对跳频引信的抗干扰能力进行了仿真及分析，说明了跳频信号有利于提高鱼雷电磁引信的抗干扰能力。文献 通过 仿真软件对鱼雷电磁引信的过靶过程进行了 建模仿真，并通过陆上实验证明了伪码调相信号在鱼雷电磁引信中应用的可行性。文献 将线性调频信号应用于鱼雷电磁引信中，提出了数字化的线性调频电磁引信系统设计方案，给出了电磁引信中线性调频信号的调频斜率及带宽的选择范围，并对线性调频引信的抗干扰能力进行了仿真，验证了线性调频信号作为鱼雷电磁引信探测信号的可行性。本文分析了伪码调相鱼雷电磁引信原理，给出伪码调相鱼雷电磁引信过靶过程的信号分析及伪码序列参数选取原则，在此基础上研究单频干扰、干扰和 干扰下的回波信号判别方法，最后提出一种基于 和二次平方变换的伪码调相鱼雷电磁引信回波判别方法，并进行了仿真验证。伪码调相鱼雷电磁引信 伪码调相鱼雷电磁引信原理伪码调相鱼雷电磁引信装置主要由伪码产生器、载频振荡器、调相器、功率放大电路、收发天线、收发隔离电路、滤波电路、解调器、延时器、相关器、信号处理电路和执行机构组成，其工作原理如图所示。图伪码调相鱼雷电磁引信工作原理 图中，伪码产生器生成的伪码序列分成两路，一路进入调相器对载频振荡器产生的载波进行调相，调制后的信号经功率放大电路由发射天线向外辐射电磁场，另一路伪码序列经过延时器，作为本地参考码进入相关器。接收天线接收的回波信号经过滤波电路、解调器后进入相关器，与本地参考码相关，得到伪码自相关函数输出信号，该信号经过信号处理电路后，若满足起爆条件则输出起爆信号，触发执行机构。伪码序列分析伪码序列的性能在很大程度上决定了伪码调相引信的性能。序列规律性强，容易产生，本文选用 序列作为伪码序列，其通用数学表达式为（），（）式（）中，为伪码序列长度，为码元宽度，为伪码周期，为双极性序列，其中 （），其他。伪码序列的归一化自相关函数为（），其他。（）伪码序列的功率谱为（）（）（）（）。（）一般把这段频率范围称为伪码序列的带宽，记作，即。（）由式（）可知，伪码序列归一化自相关函数的副瓣与主瓣的比值为。由式（）可知，伪码序列的频谱宽度取决于码元宽度。伪码调相电磁引信信号分析图中，调相器输出信号为（）（）（），（）式（）中，为发射信号幅度，（）为伪码序列，为载波频率。若不考虑干扰，引信回波信号为陈劲宇等：基于 和平方变换的伪码引信回波判别（）（）（）（）（），（）式（）中，为引信回波信号幅度，为引信回波信号延时，为多普勒频率，为引信距离，为海水中电磁波传播速度，为鱼雷与目标的径向相对速度。通过滤波电路、解调器后的输出为（）（）（），（）式（）中，为解调器输出信号幅度。归一化后为（）（）（）。（）通过相关器后的相关输出为（）（）（），（）式（）中，（）为本地延时伪码，为延时器延时。伪码序列参数选取原则）码元宽度从抗干扰能力上考虑，码元宽度越小，其频带宽度越大，抗干扰能力越强。水下电磁波频率一般在 之间。为了确保调制波不会发生频谱重叠，码元宽度应满足。（）由式（）可得，码元宽度 。）序列长度伪码的序列长度越长，其频谱幅度越低，频谱特性越接近于白噪声，越不易被截获、转发。水下码元宽度比较大，为确保多普勒频率对相关输出影响较小，通常应满足，则序列长度应满足。（）伪码周期确定了码元宽度和序列长度后，伪码周期。考虑以上伪码参数选取原则，取仿真参数为码元宽度，序列长度。分别在考虑多普勒频移和不考虑多普勒频移的条件下得到相关检测输出如图所示。图中，实线为不考虑多普勒频率的相关输出，虚线为考虑多普勒频移的相关输出，点划线为两者的差值，窄虚线为归一化比较电平，当相关输出峰值大于时，可以确认目标。图归一化相关检测结果 从图中可以看出考虑多普勒频率和不考虑多普勒相关检测结果的差值很小，接近于，说明多普勒频率对回波信号检测结果影响较小。因此在鱼雷伪码调相引信中一般不考虑多普勒频率带来的影响，此时式（）化简为（）（）（）。（）由于 鱼 雷 过 靶 时 间 内，满 足，因 此 （），式（）化简为（）（），（）式（）中，（）（）（）为伪码序列归一化自相关函数，当时取最大值。鱼雷伪码调相回波判别方法伪码调相引信采用时域相关的回波检测方法，面对诱爆干扰时，时域相关检测的方法会出现误判，需要除去回波中的诱爆干扰，以实现对目标回波的有效判别，主要考虑以下内容：一是在诱爆干扰背景下电磁引信不会发生误判；二是在诱爆干扰和目标同时存在，电磁引信不能因干扰影响而漏检目标。本章针对单频干扰、干扰和 干扰，分别给出了在干扰背景下的回波判别方法。单频干扰下的回波判别方法伪码调相信号频谱分散，若时域幅度与单频干扰相同，则其频域幅度远小于单频干扰，因此可以采用门限滤波的方法在频域上除去单频干扰。图为门限滤波示意图，左图为滤波前的频谱图，右图为滤波后的频谱图。门限滤波时，首先通过作用距离、发射磁场强度、接收灵敏度等先验信息计算出回波信号幅度，再令滤波器门限值为回波信号 模值的最大值，最后在通过滤波器时，保留低于门限值的部分，达到滤波的目的。探 测 与 控 制 学 报图门限滤波示意图 干扰下的回波判别方法 干扰与伪码调相信号在时域、频域均耦合，传统的频域滤波无法直接除去 干扰。分数阶傅里叶变换（）是一种能较好地压制 干扰的信号处理方法。对于 干扰，当 的变换阶数与 干扰的调频斜率匹配时，即 （）。（）经过 的 干扰会在分数域上形成较高的冲激 ，而伪码调相信号在任何分数域都是平坦的，因此可以采用门限滤波在分数域除去 干扰。图为分数域滤波原理图，首先对回波信号进行参数估计得到最佳的 变换阶次并将回波信号变换到分数域，然后利用引信动作距离、发射磁场强度、接收灵敏度等先验信息计算出目标回波信号幅度并进行 确定分数域滤波的门限值，最后在分数域完成滤波并进行 反变换得到除去 干扰后的回波信号。图分数域滤波原理图 干扰下的回波判别方法二进制相移键控（）干扰与伪码调相信号在时域、频域均严重耦合，一般抗干扰方法难以除去该类型的干扰。二次平方变换滤波方法能有效地去除大功率 干扰。设 干扰的载波频率与伪码调相引信的载波频率相同，若不考虑噪声，则鱼雷电磁引信目标回波信号为（）（）（）（）（）（），（）式（）中，（）为伪码调相引信回波信号，（）为 干扰，为伪码调相信号幅度，为 干扰幅度，（）为 干扰码元序列。第一次平方变换滤波后的输出信号为（）（）（）。（）第二次平方变换滤波后的输出信号为（）（）（）（）。（）由式（）可知，只有在在时，即 干扰功率远大于伪码调相回波信号时，式中（）占主导，干扰对目标检测结果影响较小。文献 提出的二次平方变换滤波方法是在已知 干扰的信号强度下压制干扰，在实际应用中不能事先预知干扰信号的强度。本文对二次平方变换滤波方法进行了改进，使得在未知 干扰信号强度的条件下能实现滤波，改进后的二次平方变换滤波方法如图所示。一个通道直接相关得到结果，另一个通道经二次平方变换滤波后相关得到结果，比较两个通道相关检测结果峰值大小，取峰值大的作为最终的相关输出。图改进的二次平方变换滤波方法 图为利用改进后的二次平方变换滤波方法在大功率（左）和小功率（右）的 干扰下的相关检测结果。可以看到，大、小功率的 干扰下，利用改进后的二次平方变换滤波方法对回波信号进行处理后均能正确输出结果。图 干扰下的相关检测结果 陈劲宇等：基于 和平方变换的伪码引信回波判别 诱爆干扰下的回波判别方法本章前三节给出了单频干扰、干扰、干扰下的回波判别方法，实际应用中不能事先得知诱爆干扰的信号形式。本文给出了一种基于 和二次平方变换的回波判别方法，该方法具备抗单频干扰、干扰、干扰的能力，其原理如图所示。图为改进后的回波判别方法，一个通道进行分数域滤波后相关输出，另一个通道利用改进后的二次平方变换滤波方法得到相关输出，最后比较两个通道相关结果峰值大小，选择峰值大的作为最终的相关输出。图基于 和二次平方变换的回波判别方法 仿真与分析为了验证诱爆干扰下回波判别方法的正确性，分别在单频干扰、干扰和 干扰下验证该回波判别方法的可行性，仿真工具为 ，仿真结果均为归一化相关检测结果，仿真中的参数设置如表所示。图、图为本文设计的伪码序列、归一化相关函数、功率谱及伪码调相信号。表仿真参数 参数参数值码元宽度 序列长度 载波频率 信噪比（）信干比（）单频干扰 干扰 干扰载波频率 码元宽度 序列长度 图伪码序列及其归一化自相关函数 图伪码序列功率谱及伪码调相信号 单频干扰下的仿真及分析图、图 中，左图为仅有单频干扰下的相关检测结果，右图为单频干扰和目标回波同时存在时的相关检测结果。图 无滤波器时的相关检测结果 图 有滤波器时的相关检测结果 探 测 与 控 制 学 报从图 可看出，无滤波器时，单频干扰下无输出，单频干扰和目标回波同时存在时无输出。从图 可看出，有滤波器时，单频干扰下无输出，单频干扰和目标回波同时存在时有输出。干扰下的仿真及分析图、图 中，左图为仅有 干扰下的相关检测结果，右图为 干扰和目标回波同时存在时的相关检测结果。图 无滤波器时的相关检测结果 图 有滤波器时的相关检测结果 从图 可看出，无滤波器时，干扰下无输出，干扰和目标回波同时存在时无输出。从图 可看出，有滤波器时，干扰下无输出，干扰和目标回波同时存在时有输出。干扰下的仿真及分析图、图 中，左图为仅有 干扰下的相关检测结果，右图为 干扰和目标回波同时存在时的相关检测结果。图 无滤波器时的相关检测结果 图 有滤波器时的相关检测结果 从图 可看出，无滤波器时，干扰下有输出，无法满足引信需求。从图 可看出，有滤波器时，干扰下无输出，干扰和目标回波同时存在时有输出。小结从仿真结果中可以看出，在有诱爆干扰时，如果不进行滤波处理，引信在干扰下不能正常工作。利用本文方法进行处理后，在诱爆干扰下无输出，在诱爆干扰和目标回波同时存在时有输出。结论为了提高鱼雷电磁引信在复杂环境下的抗干扰能力和目标检测能力，实现电磁引信回波的可靠判别，给出了伪码序列自身的参数选取准则，针对单频干扰、干扰和 干扰，提出一种基于 和二次平方变换的回波判别方法，仿真结果表明，该方法能有效区分干扰信号和目标回波信号，可为伪码调相鱼雷电磁引信设计提供参考。参 考 文 献：杨京江 反鱼雷硬杀伤技术研究声学技术，（）：徐海珠，袁延艺，余赟，等 水面舰艇对抗尾流自导鱼雷方法研究 火力与指挥控制，（）：钟雄林 伪码调相连续波雷达干扰技术研究 西安：西安电子科技大学，严争通，肖素娟，崔户山，等 基于跳频探测体制的鱼雷电磁引信技术 鱼雷技术，（）：安瑞，何忠平，施显林基于有限元的伪码调相电磁引信目标信号分析水下无人系统学报，（）：（下转第 页）陈劲宇等：基于 和平方变换的伪码引信回波判别由图图可知，单纯采用 控制的方案滚转角误差均值为 ，误差均方差为 ；采用本文所设计的控制律进行仿真后，滚转角误差均值为 ，误差均方差为 ，控制精度明显提高。引信的滚转角速度能够 内迅速静止且制动到目标位置，满足估计时间上界，与不进行参数优化的 方法比较，在对滚转角的响应速度、控制精度以及对建模精准度的要求上都具有优势。因此，本文设计的二维弹道修正引信的滚转角控制系统对干扰具有强鲁棒性，且响应更迅速，控制精度更高。结论本文针对滚转角控制系统响应要求的快速性和准确性，基于滑模变结构的理论，利用系统有限时间收敛的概念，设计了一种用于二维弹道修正引信的有限时间收敛滚转角控制算法，对传统 控制系统进行了优化。仿真验证表明，所设计的滚转角控制系统能够在短时间内定位滚转角，提高控制精度，并且系统具有一定的鲁棒性。参 考 文 献：雷泷杰，陈瑞华，施坤林 基于变结构控制的引信滚转角控制方法探测与控制学报，（）：杨恺华，祁克玉，王芹，等 基于模糊控制的二维弹道修正引信滚转角控制算法探测与控制学报，（）：高铭泽，施坤林，霍鹏飞，等 引信滚转角双闭环控制算法探测与控制学报，（）刘宗源，高敏，王毅，等 二维弹道修正引信滚转角专家系统 控 制 算 法 现 代 防 御 技 术，（）柯知非，高敏，王毅 二维弹道修正弹控制特性分析与仿真现代防御技术，（）：孙胜 有限时间收敛寻的导引律 哈尔滨：哈尔滨工业大学，张运喜有限时间收敛滑模制导律研究南京：南京理工大学，赵玉清，田斌，谢增亮，等弹道修正引信设计与发展趋势分析制导与引信，（）：（上接第 页）张弋珂，肖素娟，杨云川，等线性调频信号在鱼雷主动电磁引信中的应用水下无人系统学报，（）：于洪海，闫晓鹏，贾瑞丽，等序列伪码调相脉冲多普勒引信抗干扰性能研究兵工学报，（）：林可祥，汪一飞伪随机码的原理与应用北京：人民邮电出版社，王绍卿 鱼雷近炸引信原理与设计西安：西北工业大学出版社，张淑宁 伪码调相引信抗典型干扰的信号处理方法研究南京：南京理工大学，朱全银，邓建平基于分数阶傅里叶变换的线性调频干扰抑制探测与控制学报，（）：，（）：张天鹏，刘忙龙，谢嘉基于 的调频引信 干扰抑制改进方法探测与控制学报，（）：张淑宁，赵惠昌，邓建平基于平方变换原理的伪码引信抗 干扰方法航天电子 对 抗，（）：探 测 与 控 制 学 报