孫 濤, 侯代文

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魚(yú)雷試驗(yàn)中雷靶水聲信號(hào)識(shí)別方法

孫 濤, 侯代文

(中國(guó)人民解放軍 91439部隊(duì), 遼寧 大連, 116041)

在魚(yú)雷試驗(yàn)中，為了能及時(shí)有效地掌握魚(yú)雷水下工作情況，需要第三方監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)魚(yú)雷和目標(biāo)靶信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄和分析，為事后恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)查找問(wèn)題提供有力的數(shù)據(jù)支持。本文通過(guò)分析魚(yú)雷試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的基本情況，提出了一種基于快速傅里葉變換（FFT）技術(shù)的時(shí)域和頻域相結(jié)合的雷靶信號(hào)識(shí)別方法。魚(yú)雷試驗(yàn)中使用該雷靶監(jiān)測(cè)設(shè)備時(shí)的信號(hào)監(jiān)測(cè)效果，驗(yàn)證了該方法的有效性。

魚(yú)雷; 實(shí)航試驗(yàn); 信號(hào)識(shí)別; 雷靶監(jiān)測(cè)設(shè)備; 快速傅里葉變換

0 引言

在魚(yú)雷科研試驗(yàn)中, 對(duì)魚(yú)雷發(fā)現(xiàn)、跟蹤和攻擊目標(biāo)等作戰(zhàn)能力以及自導(dǎo)作用距離等戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)的考核, 是通過(guò)魚(yú)雷攻擊目標(biāo)靶標(biāo)試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的[1-2]。在海上試驗(yàn)過(guò)程中, 經(jīng)常發(fā)生魚(yú)雷不能正常攻擊靶標(biāo)的情況。造成這種情況有兩種可能, 一種是魚(yú)雷自身的問(wèn)題; 另外一種是目標(biāo)靶標(biāo)的問(wèn)題。除了非常明顯的魚(yú)雷或者目標(biāo)靶自身問(wèn)題, 比如機(jī)械故障, 電子器件燒毀等原因比較容易確定的情況外, 大部分情況是魚(yú)雷和目標(biāo)靶都沒(méi)出現(xiàn)明顯異常, 而魚(yú)雷也未能按照預(yù)定流程動(dòng)作。對(duì)魚(yú)雷和目標(biāo)靶各自的應(yīng)答數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后, 發(fā)現(xiàn)問(wèn)題一般出在魚(yú)雷尋的信號(hào)和目標(biāo)靶應(yīng)答信號(hào)的匹配上。此時(shí)魚(yú)雷設(shè)計(jì)方一般認(rèn)為最有可能的情況是目標(biāo)靶對(duì)水聲信號(hào)的錯(cuò)誤應(yīng)答導(dǎo)致魚(yú)雷判斷錯(cuò)誤。為了深入了解目標(biāo)靶在收到魚(yú)雷尋的信號(hào)后發(fā)出應(yīng)答信號(hào)的情況, 從而對(duì)故障進(jìn)行準(zhǔn)確定位, 需要第三方設(shè)備對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)水聲信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄和分析, 并為事后恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)查找問(wèn)題提供數(shù)據(jù)支持。

為此, 研制了雷靶監(jiān)測(cè)設(shè)備, 用于記錄試驗(yàn)過(guò)程中的魚(yú)雷尋的信號(hào)和目標(biāo)靶的應(yīng)答信號(hào), 并以此為基礎(chǔ), 對(duì)魚(yú)雷和目標(biāo)靶的應(yīng)答情況做出評(píng)判, 實(shí)現(xiàn)故障準(zhǔn)確定位, 從而對(duì)魚(yú)雷性能做出客觀公正的評(píng)價(jià)。

本文根據(jù)海上魚(yú)雷試驗(yàn)過(guò)程中雷靶工作的基本態(tài)勢(shì), 利用雷靶監(jiān)測(cè)設(shè)備測(cè)量到的水聲信號(hào), 提出了時(shí)域和頻域相結(jié)合的雷靶信號(hào)識(shí)別方法。并利用海上魚(yú)雷試驗(yàn)中魚(yú)雷和目標(biāo)靶的實(shí)際工作情況與本文方法評(píng)判情況的對(duì)比結(jié)果, 驗(yàn)證所提出方法的有效性。

1 魚(yú)雷性能考核試驗(yàn)的方案設(shè)計(jì)

試驗(yàn)海域水深約60 m, 試驗(yàn)時(shí)海況小于3級(jí)。目標(biāo)靶由測(cè)量船舷側(cè)布放到水下約40 m的海水中。試驗(yàn)開(kāi)始后, 魚(yú)雷從距離測(cè)量船1 000～2 000 m的地方入水。開(kāi)始的40 s內(nèi), 目標(biāo)靶發(fā)射模擬艦船航行噪聲, 魚(yú)雷在該噪聲的導(dǎo)引下, 向噪聲源即目標(biāo)靶方向運(yùn)動(dòng), 同時(shí)發(fā)射周期為3 s的尋的信號(hào)。40 s后目標(biāo)靶停止發(fā)射噪聲, 進(jìn)入被動(dòng)應(yīng)答模式, 開(kāi)始應(yīng)答魚(yú)雷尋的信號(hào)。魚(yú)雷根據(jù)目標(biāo)靶的應(yīng)答信號(hào)快速向目標(biāo)靶靠近, 在距離目標(biāo)靶300 m時(shí)發(fā)射周期變?yōu)?.5 s, 在距離目標(biāo)靶50 s時(shí)開(kāi)始規(guī)避遠(yuǎn)離目標(biāo)靶。整個(gè)魚(yú)雷運(yùn)行軌跡如圖1所示[1]。

圖1 魚(yú)雷性能考核試驗(yàn)時(shí)試驗(yàn)態(tài)勢(shì)圖

受現(xiàn)場(chǎng)條件限制, 雷靶監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布放在目標(biāo)靶另一側(cè)的船舷外面, 距離目標(biāo)靶約20 m, 與目標(biāo)靶布放在同一深度。魚(yú)雷入水前5 min, 雷靶監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開(kāi)機(jī), 全時(shí)段接收并記錄魚(yú)雷發(fā)出的尋的信號(hào)和目標(biāo)靶的應(yīng)答信號(hào)。

2 雷靶信號(hào)特征分析

在試驗(yàn)中, 雷靶監(jiān)測(cè)系統(tǒng)最重要的任務(wù)是準(zhǔn)確地記錄魚(yú)雷尋的信號(hào)和目標(biāo)靶應(yīng)答信號(hào), 并對(duì)誤答和漏答情況做出判斷。

從上一節(jié)的雷靶應(yīng)答過(guò)程可知, 魚(yú)雷尋的信號(hào)和目標(biāo)靶的應(yīng)答信號(hào)在時(shí)域和頻域具有明顯特征。

1) 目標(biāo)靶總是在接收到魚(yú)雷的發(fā)射信號(hào)之后才會(huì)應(yīng)答, 從時(shí)域上來(lái)看, 發(fā)射信號(hào)總是在應(yīng)答信號(hào)之前, 且信號(hào)的幅度、持續(xù)時(shí)間和周期等均已知;

2) 魚(yú)雷發(fā)射信號(hào)的頻率和應(yīng)答信號(hào)的頻率已知, 通過(guò)頻譜分析, 可以快速識(shí)別出接收到的信號(hào)中是否含有發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)。

基于以上兩點(diǎn), 從雷靶監(jiān)測(cè)系統(tǒng)接收到信號(hào)的出現(xiàn)時(shí)刻、幅度、持續(xù)時(shí)間、周期和頻率等幾個(gè)方面聯(lián)合判斷, 可以判斷識(shí)別發(fā)射信號(hào)和應(yīng)答信號(hào)。但實(shí)際的數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn), 有很多因素會(huì)影響信號(hào)的時(shí)域和頻域特征, 包括信號(hào)的出現(xiàn)時(shí)刻, 信號(hào)幅度、持續(xù)時(shí)間和頻率等, 進(jìn)而影響對(duì)信號(hào)的準(zhǔn)確判斷。概括起來(lái), 影響因素主要包括以下幾個(gè)方面。

1) 換能器姿態(tài)對(duì)信號(hào)幅度的影響

由于換能器具有指向性, 故其接收到的信號(hào)強(qiáng)度受自身位置、角度的影響很大。在海水浪、流和涌的影響下, 雷靶監(jiān)測(cè)系統(tǒng)水聽(tīng)器姿態(tài)在水下不斷變化, 即使到達(dá)換能器的信號(hào)強(qiáng)度沒(méi)有任何變化, 雷靶監(jiān)測(cè)系統(tǒng)接收到的信號(hào)在幅度上也是高低起伏變化的, 難以識(shí)別, 易造成誤判和漏判。

2) 魚(yú)雷運(yùn)動(dòng)位置、角度和傳播損失對(duì)信號(hào)幅度的影響

魚(yú)雷在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中, 相對(duì)于雷靶監(jiān)測(cè)的位置、角度在不斷地變化。同樣的, 受換能器指向性的影響, 雷靶監(jiān)測(cè)系統(tǒng)接收到的信號(hào)幅度跳變厲害, 即使距離很近, 由于設(shè)備角度問(wèn)題, 雷靶監(jiān)測(cè)系統(tǒng)接收到的信號(hào)幅度很小甚至完全被噪聲淹沒(méi), 這容易造成應(yīng)答錯(cuò)誤或無(wú)應(yīng)答的情況。

3) 多普勒頻移對(duì)信號(hào)頻率的影響

當(dāng)魚(yú)雷按照一定速度在水中運(yùn)動(dòng)時(shí), 雷靶監(jiān)測(cè)系統(tǒng)信號(hào)的頻率會(huì)發(fā)生改變, 信號(hào)頻率改變的部分即多普勒頻偏, 計(jì)算公式為[3]

4) 混響對(duì)信號(hào)識(shí)別的影響

在淺海海域, 由于魚(yú)雷位置距離海面和海底的聲程較短, 使得水聲信號(hào)受到海底和海面的反射造成的混響嚴(yán)重?；祉懐B加在發(fā)射和接收信號(hào)上面, 對(duì)信號(hào)的時(shí)域波形造成很大的干擾; 同時(shí), 由于多普勒效應(yīng)的存在, 使得混響部分信號(hào)頻率復(fù)雜多變, 既包括已知頻率分量的信號(hào), 也包括未知頻譜分量的信號(hào)。對(duì)混響嚴(yán)重的信號(hào)判別無(wú)論是從時(shí)域還是頻域兩方面都容易造成誤判和漏判。

從以上分析可以看出, 雷靶監(jiān)測(cè)系統(tǒng)接收到的雷靶應(yīng)答信號(hào)實(shí)際上是在幅度、頻率都存在變化的復(fù)雜連續(xù)信號(hào)。單一的時(shí)域頻域分析方法難以從這些復(fù)雜的信號(hào)中, 識(shí)別出魚(yú)雷和目標(biāo)靶的應(yīng)答情況, 因此需要多種手段多種方法結(jié)合才能實(shí)現(xiàn)。

3 雷靶信號(hào)識(shí)別方法及實(shí)例分析

3.1 雷靶監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)雷靶信號(hào)的識(shí)別方法

從上一節(jié)雷靶信號(hào)特征分析來(lái)看, 對(duì)雷靶信號(hào)的判別主要從時(shí)域和頻域兩方面進(jìn)行。對(duì)時(shí)域主要是從信號(hào)的幅度、周期和持續(xù)時(shí)間幾個(gè)方面來(lái)進(jìn)行; 對(duì)頻域主要是利用快速傅立葉變換(fast fourier transform, FFT)技術(shù)對(duì)信號(hào)做頻譜分析[4]。

對(duì)雷靶信號(hào)的分析處理按以下步驟進(jìn)行。

1) 當(dāng)信號(hào)幅度超過(guò)80dB, 認(rèn)為接收到有效信號(hào), 開(kāi)始對(duì)信號(hào)進(jìn)行標(biāo)記。

4) 在目標(biāo)靶應(yīng)答的情況下, 在整個(gè)信號(hào)的時(shí)間序列上, 先出現(xiàn)的是魚(yú)雷信號(hào), 然后是目標(biāo)靶應(yīng)答信號(hào), 最后是混響?；祉懹锌赡芎湍繕?biāo)靶的應(yīng)答信號(hào)疊加在一起。由于多普勒頻率偏移現(xiàn)象, 從不同途徑來(lái)的混響頻率不同, 所以混響中的信號(hào)頻率要比不包含混響的信號(hào)在頻率分量上復(fù)雜得多, 難以從混響中提取到有用的信息。因此步驟3)的分析到出現(xiàn)混響時(shí)應(yīng)該停止。

5) 重復(fù)步驟1)~4), 完成整個(gè)雷靶信號(hào)的分析判別過(guò)程。

受計(jì)算速度和精度的限制, 用上面的判別過(guò)程對(duì)雷靶監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理, 容易造成漏判或者誤判的情況。這可以通過(guò)用4 096點(diǎn)的FFT算法重新處理, 可把其中誤判的剔除、漏判的補(bǔ)全。

3.2 實(shí)例分析

在實(shí)際試驗(yàn)中, 實(shí)測(cè)得到如下4種信號(hào), 按照上面的分析, 處理情況如下。

1) 信號(hào)未發(fā)生混疊, 如圖2。

從信號(hào)時(shí)域波形可以明顯區(qū)分雷靶信號(hào)。進(jìn)一步對(duì)信號(hào)做FFT頻譜圖, 如圖3所示, 可以明顯看出, 雷靶信號(hào)頻譜圖中的雷信號(hào)和目標(biāo)靶信號(hào)頻率相互對(duì)應(yīng), 此時(shí)可判定為雷靶有效應(yīng)答。

圖2 未混疊信號(hào)波形示意圖

圖3 未混疊信號(hào)頻譜示意圖

2) 信號(hào)首尾銜接, 見(jiàn)圖4。

與第1個(gè)信號(hào)類(lèi)似, 從信號(hào)時(shí)域波形(見(jiàn)圖4)和頻域波形(見(jiàn)圖5), 可以非常明顯地判定為有效雷靶應(yīng)答。

圖4 首尾聯(lián)接波形示意圖

圖5 首尾聯(lián)接頻譜示意圖

3) 信號(hào)部分混疊, 見(jiàn)圖6。

由于混疊部分出現(xiàn)干涉現(xiàn)象, 信號(hào)的頻譜圖(見(jiàn)圖7)已出現(xiàn)其他頻率分量, 此時(shí)實(shí)時(shí)處理易出現(xiàn)誤判。需事后處理人工進(jìn)一步識(shí)別才能確定為有效雷靶應(yīng)答信號(hào)。

圖6 信號(hào)混疊波形示意圖

圖7 信號(hào)混疊頻譜示意圖

4) 信號(hào)嚴(yán)重混疊, 見(jiàn)圖8。

在混疊嚴(yán)重的情況下, 從信號(hào)的時(shí)域波形(見(jiàn)圖8)和頻譜分析圖(見(jiàn)圖9)已很難區(qū)分出雷靶信號(hào)。實(shí)際應(yīng)用中, 對(duì)該種信號(hào)一般不予處理。

圖8 混疊嚴(yán)重波形示意圖

圖9 混疊嚴(yán)重頻譜示意圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)試驗(yàn)過(guò)程和試驗(yàn)方案的分析, 提出了一種基于FFT技術(shù)的雷靶信號(hào)識(shí)別方法, 并應(yīng)用于雷靶信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

該系統(tǒng)在新型魚(yú)雷海上試驗(yàn)中發(fā)揮了關(guān)鍵性的作用, 具體工程價(jià)值體現(xiàn)在: 排除了魚(yú)雷跟蹤尾流噪聲現(xiàn)象是現(xiàn)場(chǎng)其他噪聲所致的假設(shè); 發(fā)現(xiàn)并分析驗(yàn)證了淺?；祉懶?yīng), 對(duì)魚(yú)雷聲制導(dǎo)性能的影響以及魚(yú)雷跟蹤“假目標(biāo)”問(wèn)題的原因; 首次檢測(cè)出魚(yú)雷信號(hào)頻率的多變性, 即在1個(gè)脈沖信號(hào)中出現(xiàn)2種甚至3種頻率分量, 從而對(duì)魚(yú)雷制導(dǎo)戰(zhàn)技性能的解釋有了新的依據(jù)。此外, 本系統(tǒng)提供的大量數(shù)據(jù)和結(jié)果分析為魚(yú)雷生產(chǎn)部門(mén)解決問(wèn)題提供了重要參考, 使一度暫停的試驗(yàn)得以繼續(xù)進(jìn)行, 保證了試驗(yàn)結(jié)論的客觀性和權(quán)威性。

今后, 在本文所提供方法的基礎(chǔ)上采用頻帶選擇性傅立葉分析(band-selected Fourier analysis, BSFA)等頻率細(xì)化技術(shù), 將進(jìn)一步提高該設(shè)備的信號(hào)分析精度, 對(duì)提高該類(lèi)設(shè)備在試驗(yàn)中的作用具有重要的研究?jī)r(jià)值。

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Identification Method of Torpedo-Target Hydroacoustic Signal in Torpedo Sea Trial

SUN Tao, HOU Dai-wen

(91439thUnit, The People′s Liberation Army of China, Dalian 352100, China)

In order to efficiently understand torpedo working condition under water in torpedo trials, a third-party monitoring system is usually used to simultaneously record both signals of torpedo and target for subsequent analysis. In this study, sea trial scenario is analyzed, and a fast Fourier transform-based both signals identification method is proposed by combining time domain with frequency domain for torpedo-target monitoring system. Identification results of the monitoring system in a sea trial verify the validity of the proposed method.

torpedo; sea trial; signal identification; torpedo-target monitoring system; fast Fourier transform

TJ630.6; TB565.2

A

1673-1948(2013)01-0058-04

2012-06-12;

2012-08-03.

孫 濤(1973-), 男, 工程師, 主要研究方向?yàn)樗曤娮庸こ?、水聲信?hào)處理及水聲裝備作戰(zhàn)效能及使用.

(責(zé)任編輯: 許 妍)