安 瑞, 何忠平, 施顯林

(中國船舶重工集團公司 第705研究所昆明分部, 云南 昆明, 650106)

基于有限元的偽碼調(diào)相電磁引信目標信號分析

安 瑞, 何忠平, 施顯林

(中國船舶重工集團公司 第705研究所昆明分部, 云南 昆明, 650106)

偽碼調(diào)相信號具有抗干擾能力強, 不易被發(fā)現(xiàn), 相互影響小等優(yōu)點。文中通過Ansoft對引信過靶運動過程進行 1：1尺度的 3D建模仿真和有限元電磁場計算, 獲取了偽碼調(diào)相電磁引信目標信號的仿真波形數(shù)據(jù), 重點分析了目標信號的幅度、相位特征, 尤其是相位跳變的形成原理?；诜抡娣治鼋Y(jié)果的檢測方法在陸上試驗中成功檢測出了明顯的目標信號包絡，驗證了分析結(jié)果的正確性。該研究可為偽碼調(diào)相信號在魚雷電磁引信中應用的可行性和目標檢測提供依據(jù)。

魚雷; 電磁引信; 偽碼調(diào)相; 目標信號; 有限元方法

0 引言

偽碼調(diào)相信號[1]屬于擴展頻譜信號的一種。目前, 擴展頻譜信號已經(jīng)是一種應用成熟的、理想的抗干擾信號體制。在探測領(lǐng)域, 相比于單頻信號, 使用擴頻信號有著諸多優(yōu)勢: 頻譜分散、高度自相關(guān)、抗多路徑反射干擾。這種探測方法對于近年來興起的目標模擬技術(shù)構(gòu)成挑戰(zhàn): 頻譜分散, 使得目標模擬系統(tǒng)截獲或者轉(zhuǎn)發(fā)的難度增加, 即使轉(zhuǎn)發(fā)出來, 也必須高度匹配, 否則就如多路徑反射的雜波而被濾除和削弱, 匹配和實施有效干擾的難度增加。如果電磁引信也可以使用這種擴頻信號探測的方法, 則能進一步提高抵御人工干擾的能力[2]。

目前, 還鮮有關(guān)于魚雷偽碼調(diào)相電磁引信應用研究的信息。類似的研究還主要集中在導彈引信和雷達系統(tǒng)方面[3-8], 主要探討的是偽碼調(diào)相信號體質(zhì)的應用及其抗干擾性能, 導彈引信和雷達采用遠場電磁波探測, 魚雷電磁引信則采用近場探測, 這一區(qū)別決定了它們針對目標信號分析方法的不同[9], 因此導彈引信和雷達方面的類似研究只能作為借鑒和參考。

首先, 要從原理上說明基于低頻的偽碼調(diào)相引信目標信號的特征是什么, 能否被檢測, 只有解決了這些問題, 才能支撐偽碼調(diào)相體制引信的可行性。文中通過Ansoft電磁場有限元分析的方式, 對引信過靶過程進行1: 1尺度的三維建模運動仿真, 將激勵信號設(shè)定為偽碼調(diào)相信號, 獲得了偽碼調(diào)相電磁引信目標信號的仿真波形數(shù)據(jù), 重點分析了目標信號的幅度、相位特征, 尤其是相位跳變的形成原理, 然后基于仿真分析結(jié)果的檢測方法在陸上試驗中成功檢測出了明顯的目標信號包絡。

1 電磁引信建模方法

1.1 接收線圈與發(fā)射線圈

線圈一般采用法向模螺旋天線模型, 但實際的接收線圈和輻射線圈繞線很細, 匝數(shù)很多, 普通計算機無法完成相應的網(wǎng)格剖分計算; 另外,對于越均勻纏繞、繞線越細的線圈, 其內(nèi)部通電電流也越近似為均勻分布。據(jù)此, 文中選擇用薄壁管模型來代表接收線圈與發(fā)射線圈, 并在Ansoft軟件中將其電流設(shè)置為均勻分布, 這樣大大簡化了計算量, 計算結(jié)果理想。

接收線圈橫截面為橢圓形(見圖1), 發(fā)射線圈橫截面為矩形(見圖2), 這2種截面形狀更符合工程應用實際, 壁厚均設(shè)置為 0.5 mm, 材料均為銅(相對磁導率0.999 991, 電導率58 000 000 S/m), 匝數(shù)均設(shè)置為5 000。

1.2 接收器輸入電路

輸入電路由Ansoft自帶的電路編輯器circuiteditor完成(見圖 3), 用 LWingding_92關(guān)聯(lián)接收線圈模型, 采用內(nèi)部封閉端口的形式, 避免了開放端口帶來的邊界條件設(shè)置[10]。工程上不能直接測量線圈兩端的微弱電壓, 而要通過電容、電阻元件調(diào)諧使得輸入信號逐級放大, 文中主要關(guān)心目標信號的頻率、相位及包絡等變化信息, 信號的真實強度反而次要, 因此求解 LWing- ding_92兩端感應電壓就可以達到目的, 省去了接收信號的調(diào)理過程。

圖1 接收線圈模型圖Fig. 1 Model of receiving coil

圖2 發(fā)射線圈模型圖Fig. 2 Model of transmitting coil

圖3 接收線圈輸入電路Fig. 3 Input circuit of receiving coil

1.3 激勵源

發(fā)射線圈的激勵源也采用內(nèi)部封閉端口的形式, 但不需要外部電路銜接, 其激勵源為電流方式, 通過 datasets數(shù)據(jù)表輸入自定義的偽碼調(diào)相波形數(shù)據(jù)。

1.4 完整模型及主要參數(shù)設(shè)置

金屬雷殼開孔對接收器有屏蔽作用, 理論上使感應信號減小, 對信號的相位也有一定影響,但由于缺少魚雷殼體相關(guān)的電磁參數(shù), 仿真時忽略了這一影響, 將魚雷模型內(nèi)部設(shè)置為空氣包。引信收發(fā)方式采用垂直配置, 接收線圈軸線垂直于發(fā)射天線軸線, 并且中心位于發(fā)射天線軸線上,這樣使得接收的輻射場信號接近最小, 而接收的目標反射信號更為突出。

考慮到目標信號主要由艦船產(chǎn)生的渦流二次磁場引起, 其集膚效應的透入深度經(jīng)計算不到2 mm, 模型的壁厚則按這個深度的 3～5倍選取,設(shè)定為10 mm, 模型材質(zhì)為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)1010鋼(ansoft材料庫已自帶, 相對磁導率由BH曲線描述, 電導率2 000 000 S/m), 艦船吃水4 m, 水質(zhì)為海水, 水面上方為空氣, 魚雷在水下航行, 航深 8 m, 過靶方式為正橫過靶, 空氣包和海水合起來為球體求解域。

圖4為Ansoft中引信過靶運動仿真模型。其中, 引信收發(fā)無線中心水平間距為 6 m, 垂直間距為 0.1 m, 雷目中心水平運動距離為–13.3～19.2 m。

圖4 引信過靶運動仿真模型Fig. 4 Simulation model for fuze passing target motion

2 驗證模型

求解偽碼調(diào)相引信目標信號之前, 先對整個Ansoft工程模型進行評估。文獻[11]已經(jīng)給出了基于單頻信號體制的電磁引信目標信號經(jīng)典數(shù)學模型, 可以通過將發(fā)射線圈的激勵源設(shè)置為單頻信號, 而不改變模型的其余物理參數(shù), 如果求解得到的目標信號與經(jīng)典理論和先驗知識相符, 則認為模型的構(gòu)建、邊界條件、網(wǎng)格剖分以及運動方程是合理的。

圖 5是求解結(jié)果, 包含直達波、目標信號以及接收器綜合感應信號。其中, 直達波是沒有目標時, 接收線圈始終感應到的恒定信號, 目標信號是艦船反射的信號, 接收器綜合感應信號是前兩者的疊加, 實際的引信接收信號也是如此構(gòu)成。可以看出, 在接收器與靶中心水平距離–6.6～+15 m之間時, 目標信號開始起伏, 在略微偏離艦船正下方時達到最大, 其目標信號的包絡、到達最大值的時機, 與文獻[11]中給出的經(jīng)典數(shù)學模型完全相符。目標信號與直達波感應信號的相位差在一個π的數(shù)量級[12], 兩者形成抵消,表現(xiàn)為接收器感應信號包絡有個先減小后增大的過程。仿真結(jié)果符合文中所采用的垂直配置方式的反艦情形, 表明有限元模型是可信的。

圖5 引信單頻目標信號圖Fig. 5 Single-frequency target signal

3 偽碼調(diào)相目標信號分析

將激勵源改為偽碼調(diào)相信號, 在0處跳變,跳變量為π, 跳變周期為1個載波周期, 得到接收線圈的感應電壓波形, 見圖6和圖7。

圖6 激勵電流源與接收信號圖Fig. 6 Excitating current source and received signal

可以發(fā)現(xiàn), 當激勵信號相位跳變時, 圖 7中的直達波或者圖6中的目標信號也同時發(fā)生跳變,跳變相角同為π, 目標信號保留著相位跳變信息。并且, 圖 7表明直達波的相位滯后激勵信號π/2,圖6表明目標信號的相位滯后激勵信號3π/2, 結(jié)果就是直達波與目標信號的相位相差一個π的數(shù)量級, 即反相, 使得圖 8中偽碼調(diào)相目標信號也出現(xiàn)了先減小后增大的過程, 這個結(jié)果與前面分析的單頻目標信號情況一致。

圖7 激勵電流源與直達波圖Fig. 7 Excitating current source and direct wave

圖 6還表明, 目標信號的波形不是激勵信號波形的“平移”, 而是相位滯后激勵信號3π/2, 而又和激勵信號同時發(fā)生跳變的結(jié)果。根據(jù)文中采用的垂直配置和反艦模式, 結(jié)合法拉第電磁感應定律和楞次定律分析, 這個結(jié)果是正確的。因為激勵源為電流i, 電流變化產(chǎn)生磁通量φ變化, φ變化產(chǎn)生感應電動勢ε, 而 i的相位與φ的相位一致,φ的相位與ε的相位相差π/2,=sin(ω t ), ε=φ /, 則=-ω cos(ω t ) = -ω sin(ω t + 9。 這里的負號表示感應電流所產(chǎn)生的磁通阻礙激勵磁通的變化。在反艦情形下, 根據(jù)鏡像法原理, 鏡像源發(fā)射的磁通變化方向在 0～π/2 區(qū)間、π/2～3π/2區(qū)間、3π/2～2π區(qū)間分別為“向下”、“向上”和“向下”, 則接收線圈感應的磁通應分別為“向上”、“向下”和“向上”, 由右手螺旋定則推出對應的感應電流方向, 并相應確定感應電動勢方向,文中以右手螺旋定則取“下”為參考方向, 并且Ansoft Maxwell軟件顯示的感應電流方向與感應電壓相位相反, 以此類推出一個周期內(nèi)的電壓波形, 即目標感應電壓相位滯后激勵信號 3π/2, 而直達波感應電壓相位滯后激勵信號π/2。

將仿真得到的單頻目標信號和偽碼調(diào)相目標信號放到同一坐標內(nèi)對比(見圖 8), 可以看出,它們包絡起伏的時間、過程和高度完全一致, 表明它們獲得的目標信號能量是相等的。

綜上所述可知, 對引信偽碼調(diào)相體制的目標信號做出如下判斷: 1) 直達波和目標信號都保留著相位跳變信息, 且它們與激勵源在同一時刻發(fā)生相位跳變; 2) 根據(jù)收發(fā)配置和雷目方位信息,目標信號相位滯后激勵電流信號 3π/2, 而直達波與目標信號相位差0或π(不考慮傳播相移); 3) 引信在單頻體制和偽碼調(diào)相體制下過靶獲得的目標信號能量是相等的, 且其包絡變化規(guī)律相同。

圖8 單頻目標信號和偽碼調(diào)相目標信號圖Fig. 8 Single-frequency target signal and PM-PC target signal

4 陸上試驗驗證

通過陸上試驗某偽碼調(diào)相電磁引信樣機, 獲取試驗數(shù)據(jù), 采用的是垂直配置方式, 收發(fā)水平間距為 1 m, 垂直間距近似為 0 m, 作用距離為3 m, 結(jié)果見圖9。

圖9 偽碼調(diào)相目標信號陸上試驗結(jié)果Fig. 9 PM-PC target signal in land test

可以看出, 圖上半部分中目標信號的相位跳變較為明顯, 跳變點趨向于 0點, 跳變相角為π,而下半部分是目標信號的能量, 在過靶時刻檢出了明顯的包絡特征, 說明其特征與文中的分析結(jié)論吻合, 能夠被檢測。

5 結(jié)束語

魚雷電磁引信的工作特點決定了其目標渦流二次場與輻射場總是不可避免的共同作用于接收器，改變信號體制后，這兩種場的疊加是否會造成目標信息的丟失是偽碼調(diào)相體質(zhì)能否應用的關(guān)鍵; 另外, 從信號檢測尤其是抗干擾的角度看，只有掌握了目標信號的特征，才能將檢測性能發(fā)揮到最佳。文中用有限元電磁場仿真和理論分析的方式，獲得了一種魚雷偽碼調(diào)相電磁引信的目標信號，指出了其關(guān)鍵的幅度、相位變化特征，并根據(jù)特征進行了基于陸上試驗數(shù)據(jù)的檢測驗證，成功檢測出了明顯的目標信號包絡，驗證了此種分析方法的可靠性及魚雷電磁引信偽碼調(diào)相體質(zhì)的可行性，后續(xù)將在信號發(fā)射和編碼對抗人工干擾等方面展開進一步的研究。

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FEM Based Analysis on Target Signal of Phase Modulated by Pseudorandom Code for Torpedo Electromagnetic Fuze

AN Rui, HE Zhong-ping, SHI Xian-lin
(Kunming Branch of the 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Kunming 650106, China)

Phase modulated by pseudorandom code(PM-PC) signal has such advantages as strong anti-interference ability, concealment, and weak interaction with each other. In this paper, the software Ansoft is adopted to perform three-dimensional modeling of fuze passing target motion process in the scale of 1:1 and finite element calculation of the electromagnetic field. Consequently, the simulated waveform data of PM-PC target signal of electromagnetic fuze is achieved. The target signal amplitude and phase characteristics, especially the formation principle of phase jump, are analyzed in detail. According to the simulation results, obvious target signal envelope is successfully detected in land test, which verifies the correctness of the present analysis. This research may provide the basis for application of PM-PC signal to torpedo electromagnetic fuze and target detection.

torpedo; electromagnetic fuze; phase modulated by pseudorandom code(PM-PC); target signal; finite element method

TJ431.7; TB71.2

A

2096-3920(2017)05-0443-05

10.11993/j.issn.2096-3920.2017.05.008

安瑞, 何忠平, 施顯林. 基于有限元的偽碼調(diào)相電磁引信目標信號分析[J]. 水下無人系統(tǒng)學報, 2017, 25(5):443-447.

2017-04-20;

2017-06-26.

安 瑞(1981-), 男, 高級工程師, 主要從事水中兵器非觸發(fā)引信研究.

(責任編輯: 楊力軍)