鱼雷攻潜末弹道测量中的抗多途专家系统

刘松海，冼观福，孙向前

(91388部队，广东 湛江 524022)

鱼雷攻潜末弹道测量中的抗多途专家系统

刘松海，冼观福，孙向前

(91388部队，广东 湛江 524022)

依据鱼雷攻潜末弹道测量定位模型，对所接收鱼雷上加装的声信标脉冲序列结构进行仿真，并就如何从带有干扰的接收数据中挑选出直达脉冲进行研究。依此总结出的抗多途专家系统，有效解决了直达声脉冲识别难题，提高了测量精度。实验室测试表明，应用该专家系统的处理方法，测距直达脉冲和测深直达脉冲的正确选择概率超过95%。

专家系统;水声跟踪;多途干扰

0 引言

新型智能鱼雷具有潜艇要害部位识别，垂直命中等功能。为对鱼雷产品进行严格细致的、接近实战使用条件的性能测试和考核，需要对鱼雷攻潜末弹道进行测量。鱼雷攻潜末弹道轨迹可由安装于目标潜艇两舷的多元水听器基阵测量获得。测量帧率使用0.1 s，通过测量鱼雷上安装的合作声信标，采用声同步测距方式对鱼雷末弹道实施三维弹道跟踪［1］。

由于界面反射的影响，信号在信道中是多径传播的，其结果是使接收信号序列除了直达声外还有反射声，成为脉冲干扰，使脉冲结构复杂化。对于鱼雷攻潜末弹道测量，从带有干扰的接收数据中挑选出直达脉冲是测量的必要前提。本文主要研究测量软件的核心部分——专家系统，它用于实时跟踪系统的数据预处理，负责在多途干扰背景中提取定位解算所需的有效信息。

1 脉冲序列结构

鱼雷上的信标信号为同步声脉冲信号，1个周期T内包括2个同频脉冲，前者为测距脉冲，后者为测深脉冲，脉冲间距为t1～t2ms，脉宽为t0ms。2个脉冲的间距代表压力传感器测得的鱼雷深度，二者之间的关系为:

式中:H为目标深度，m;Hmax为压力传感器深度最大量程，m;τ为测距和测深脉冲间的时延差，ms。

由于多途信道的影响，每个阵元接收到的信号序列除了直达声外还有反射声，成为脉冲干扰。直达脉冲的时延值是系统的重要信息，一方面，直达测距脉冲的选取直接影响到目标定位，若把反射声误作为直达声进行定位解算，将会导致定位错误;另一方面，测距、测深脉冲间距代表目标的深度信息。因此，能否从脉冲序列中正确选择直达测距、测深脉冲，对于定位精度和测深精度十分关键。

为了合理地设计专家系统软件，同时为主控计算机的脉冲数据处理提供依据，首先分析各种典型情况下的脉冲结构。假定水深为H，潜艇深度H1，目标深度为H2，H2＞H1。二者距离为L，声速取1 500 m/s。目标信号传播的典型声线如图1(a)所示。考虑到声传播损失和界面反射损失，信号的冲激响应如图1(b)所示。可以看出，海面反射声的幅度略小于直达声，海底反射声的幅度最小［2］。

由于鱼雷实施有效攻击的范围是过靶前几百米，在这段距离内，影响系统接收脉冲序列结构的最大因素是水下目标和潜艇间的距离。图2是根据信道仿真结果并结合实际工作状态给出的各种脉冲序列结构示意图，基本包含了除通道串漏外的各种可能的情况。由于通道串漏可用瞬时频率序列分析的方法有效剔出，因此在此不予考虑［3］。

图2中的(a)，(b)，(c)，(d)4个示意图分别为水下目标和潜艇相距300，200，100和50 m时的脉冲序列结构。图中幅度最大的信号为直达声信号，其次的是海面反射声信号，最小的是海底反射声信号。由图中可以看出，在所有可能的条件下，每个同步周期选幅度最大的4个脉冲都不会丢失系统所需信息。

2 专家系统

专家系统用于实时跟踪系统的数据预处理，负责在多途干扰的背景中提取定位解算所需的有效脉冲数据。

依据图2所示，系统每个阵元单个同步周期内最多检测4个脉冲信息(含测距和测深脉冲的直达和反射信号)，每个脉冲含5个参数:载频，脉宽，时延，包络幅度(或能力)和瞬时频率方差。

对于直达脉冲的挑选，可根据一定的判据，为每个脉冲评定测距、测深的品质因数。脉冲的品质因数为该脉冲是有效测距(或测深)脉冲的可能性因子。该值越大即表示该脉冲是有效测距(或测深)脉冲的可能性越大。以测距、测深品质因数的大小和一定的规则为依据，即可选出有效测距脉冲和测深脉冲。

设每个阵元记录了N个脉冲信息，信号周期为T，载频为f0，定义Qa为脉冲的测距品质因数，Qb为脉冲的测深品质因数，Qa和Qb的初值为0，tki为第k个同步周期收到的第i个脉冲信号的时延值，tk－1表示上个周期选出的有效测距或测深脉冲的时延值，Emax表示最大或次大的能量值，Vmin表示最小和次小的瞬时频率方差值，则有效脉冲的选择可按如下方法定义品质因数加以判别［4］:

1)判据1 考虑到多普勒效应的影响，当同周期双脉冲间距Δt(=tkj－tki)满足:

其中，Qai和Qbi为当前的测距、测深品质因数，满足判据后，用Q'ai和Q'bi为经过更新的品质因数值，具体含义为:第i个脉冲的测距品质因数增加2，测深品质因数减小1;第j个脉冲的测深品质因数增加2，测距品质因数减小1，以下类推。

2)判据2 由于目标是运动的，如果是直达脉冲，则在相邻周期一定的时延差内必定存在与之对应的脉冲，这条判据可印证直达脉冲的有效性。为此，将本周期的每个脉冲与上周期选出的测距和测深脉冲相比，则

3)判据3 以最高航速估算，接收到的脉冲信号多普勒Δf应在一定范围内。为保留足够余量，目标最高航速按60 kn计算。

4)判据4 由于信道的影响，声波的能量将逐渐衰减，一般情况下，直达声先于反射声到达，因而能量较大。

5)判据5 一般情况下，直达信号的瞬时频率方差较小。

6)判据6 由于末弹道跟踪测量为短基线基阵，每舷侧的阵元接收的脉冲信号时延应具有同样的分布特性，只是时刻上有所提前或者滞后。

以左舷为例，假设相邻2个阵元1#和2#相距Lm，声速为Cm/s，若在同周期内2个阵元选出的脉冲时延差小于L/C，则令

7)判据7 根据脉冲序列结构示意，鱼雷距潜艇较远时，测距直达脉冲前方相当长时间内没有其他脉冲，而且其后不远必有一个反射信号。

依据上述原则，比较测距品质因数和测深品质因数，选择品质因数最大的脉冲送入定位解算。

3 实验室测试

图3 典型鱼雷攻潜末弹道态势图Fig.3 Situation diagram of a typical torpedo terminal trajectory-measurement

在实验室利用电信号模拟器对系统进行测试。给出一种理想条件的鱼雷攻潜末弹道态势如图3所示。图中潜艇由下而上航行，鱼雷自左而右对潜艇进行攻击，A点和B点的距离为L。模拟器设定水深H，潜艇深度H1，目标深度H2，H2＞H1。模拟器每个同步周期都发送双窄CW脉冲信号，并依据信道模型给出直达声及海面、海底反射声。鱼雷在潜艇左舷时，左舷阵元可以检测到信标信号的直达声及反射声;当鱼雷机动至右舷后，由于艇体物理遮挡，左舷阵元无法接收信标信号的直达声。依据这个原则，模拟器给出相应时延的脉冲信号。末弹道跟踪系统的信号处理机依据每个周期保留4个幅度最大脉冲的原则，给出左舷某阵元接收信号时延如图4所示。

用专家系统对上述信号时延进行挑选，得出直达测距脉冲和直达测深脉冲如图5所示，系统软件解算结果如图6所示，解算的深度值如图7所示。由上述图可以看出，采用该专家系统可以有效地从带有干扰的接收数据中挑选出直达脉冲。

4 结语

本文依据鱼雷攻潜末弹道测量定位模型，对所接收鱼雷上加装的声信标脉冲序列结构进行仿真，并就如何从带有干扰的接收数据中挑选出直达脉冲进行研究。依此总结出的抗多途专家系统，有效解决了直达声脉冲识别难题，提高了测量精度。实验室测试表明，应用该专家系统的处理方法，测距直达脉冲和测深直达脉冲的正确选择概率超过95%。

本文提出的抗多途专家系统已在某型测量系统上应用，效果良好。该方法可为类似测量设备的直达脉冲挑选方法提供参考。

［1］杨志权，刘松海，王文学.鱼雷实艇靶末弹道测量算法分析与误差仿真［J］.鱼雷技术，2003，(4):34 －38.

YANG Zhi-quan，LIU Song-hai，WANG Wen-xue.Terminal trajectory-measuring algorithm and error simulation for submarine target of torpedo［J］.Torpedo Technique，2003，(4):34－38.

［2］惠俊英.水下声信道［M］.北京:国防工业出版社，1992.

［3］梁国龙，惠俊英.瞬时频率方差检测器及其性能评价［J］.声学学报，1999，24(2):183 －190.

LIANG Guo-long，HUI Jun-ying.Variance of instantaneous frequency detector and its performance evaluation［J］.Acta Acoustica，1999，24(2):183 －190.

［4］赵羽，梁国龙，陈晓忠，杨春.水下目标跟踪系统中的抗多途专家系统［J］.应用声学，2004，23(4):29－33.

ZHAO Yu，LIANG Guo-long，CHEN Xiao-zhong，YANG Chun.Anti-multichannelexpertsystem forunderwater target tracking system［J］.Applied Acoustics，2004，23(4):29－33.

Anti-multipath expert system for terminal trajectory-measurment of torpedo

LIU Song-hai，XIAN Guan-fu，SUN Xiang-qian
(No 91388 Unit of PLAN，Zhanjiang 524022，China)

The sequence structure of beacon signal in torpedo is simulated which base on the model of terminal trajectory-measurmet，and a method of selecting direct pulses from the complex

signal sequence is studied.The anti-multipath expert used for resolving the difficult problem of selecting the direct pulses is presented.By means of laboratory test，it is proved that the expert system can sort out the direct pulses effectively，and the accurate rate is more than 95 percent.

expert system;underwater acoustic tracking;multipath interference

TB566

A

1672－7649(2012)03－0111－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2012.03.025

2011－06－09;

2011－10－24

刘松海(1979－)，男，硕士研究生，工程师，主要从事水下测控技术研究。