水下目标在被追踪过程中的声反射信号模拟

董真杰　郑琛瑶

摘 要： 为模拟水下目标在被追踪过程中的声反射信号，根据鱼雷和目标的运动方程，采用尾追法进行弹道分析，研究鱼雷追踪目标的轨迹，同时根据鱼雷与目标的距离，生成不同自导信号形式，并通过计算得到反射信号的多普勒频偏和信号强度，最终将数字信号转换为模拟信号供实验室测试，或为其他任务提供模拟信号，对水下目标的设计及研制具有重要作用。

关键词： 水下目标； 目标追踪； 尾追法； 声反射

中图分类号： TN911.7?34； TP391 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）05?0031?02

Simulation of reflected acoustic signal in process of tracking the underwater object

DONG Zhen?jie， ZHENG Chen?yao

（93 Detachment， Unit 91388 of PLA， Zhanjiang 524022， China）

Abstract： To simulate the reflected sound signal of the tracked underwater target， according to the equations of motion torpedoes and targets， the tail chase method is used to analyze the trajectory of torpedo tracking the target. The different self?guided signals are generated according to the distance between target and torpedo， and then the reflected signals Doppler frequency deviation and strength are obtained by calculation. The digital signal is converted to an analog signal for laboratory testing， or for other tasks. It has an important role in the design and development of underwater targets.

Keywords： underwater target； target tracking； tail chase method； sound reflection

0 引 言

声自导鱼雷捕获到水下目标后，随即转入到自导导引段，按照预先设定的导引方法跟踪目标[1]，并根据距离变换自导信号形式。常用的自导导引方法有尾追法、固定提前角法、变提前角法、平行接近法等。常用的自导信号形式有单频脉冲、调频信号等。在实验室测试及仿真中，最常用到鱼雷自导信号在目标上的反射信号，从测试角度和工程实现的难易度等方面考虑，采用尾追法最为简单、易行，测试数据可靠。本文利用LabVIEW软件对鱼雷追踪目标过程进行仿真，同时对鱼雷自导信号作用在水下目标后的反射信号进行模拟，控制D/A硬件产生模拟波形，供测试测量及其他任务需要。

1 数学模型

1.1 目标和鱼雷的运动模型

1.1.1 目标运动模型

目标以一定的速度和航向作等速直线运动。

（1） 目标初始位置

鱼雷与目标的初始距离为[r0，][t0]时刻目标的初始位置为：

[Xm0=r0Ym0=0] （1）

（2） 任一时刻目标的位置为：

[Xm=Xm0+t0tVmdt?cosCmYm=Ym0+t0tVmdt?sinCm] （2）

式中[Cm]为目标运动方向与参考坐标夹角。

1.1.2 鱼雷运动模型

鱼雷方向始终指向目标，作曲线运动。

（1） [t0]时刻鱼雷的初始位置为：

[Xt0=0Yr0=0] （3）

（2） 任一时刻鱼雷的位置为：

[Xt=Xt0+t0tVtdt?cosCtYr0=Yt0+t0tVtdt?sinCt] （4）

式中[Ct]为鱼雷运动方向与参考坐标夹角。

1.2 追踪弹道模型

尾追法追踪弹道过程如图1所示。在鱼雷追踪目标的过程中，鱼雷速度矢量始终指向目标。图1中[Vm]为目标速度矢量，[Vt]为鱼雷速度矢量；[θ]为目标运动方向与鱼雷运动方向夹角；[r]为鱼雷与目标之间的距离。

目标作匀速直线运动，每次运算后的位置容易确定。鱼雷的运动稍显复杂，当前目标位置矢量减去当前鱼雷位置矢量得到鱼雷速度方向，按照该方向和鱼雷速度标量在一次仿真时间内计算出新的位移矢量，新的位移矢量加上上次计算的鱼雷位置矢量就是新的当前位置，依此递推，可同步计算出目标和鱼雷的运动轨迹。

2 LabVIEW运动仿真

2.1 初值设定

可设定鱼雷与目标初始距离[r0，]鱼雷速度[Vt，]目标速度[Vm，]初始夹角[θ0，]仿真时间步长等参数[2]。

2.2 仿真分析

LabVIEW运动仿真程序框图如图2所示。图2中循环外为初值设定，循环内首先在复平面内计算目标运动矢量，按实轴虚轴分别计算，加上上次运算结果得到当前目标位置矢量。鱼雷用上次运算结果得到的位置矢量减去目标上次运算结果得到的位置矢量就是当前速度方向，按照此方向运动一个仿真时间加上上次运算结果得到的位置矢量得到当前位置矢量。将二者当前位置矢量通过移位寄存器送入下次循环中。

2.3 仿真结果

设定[r0]=1 500 m，[Vt]=50 kn，[Vm]=15 kn，[θ0]=[45°，]仿真轨迹如图3所示。

仿真中设定距离小于100 m即停止仿真，从仿真轨迹中可以看出，鱼雷一直追踪水下目标不断改变运动方向，直至达到既定条件[3]。

3 声反射信号仿真

根据鱼雷与目标距离的变化，生成各种测试信号，判断依据如图4所示。

根据鱼雷与目标的距离，模拟鱼雷自导的不同信号形式。

由于鱼雷和目标均在运动，目标反射信号存在多普勒效应，多普勒与两者运动方向夹角及自导频率有关，多普勒公式为：

[f=f0×1+Vt-VmcosθC]

此公式可通过LabVIEW公式节点完成计算[4]。

由运动引起的距离变化会带来反射强度的变化，此计算公式为：

[SLm=SLt-TL+TS]

式中：[SLm]为目标反射信号强度；[SLt]为鱼雷主动声纳的发射声源级；[TL]为传播损失；[TS]为目标强度。传播损失与两者之间距离有关[5]。

4 模拟信号生成

采用NI设备D/A转换功能板将数字信号转换为模拟信号，实现信号传输及监测[6]，程序框图如图5所示。

程序中首先选择物理通道，定义D/A转换类型，然后配置数据量，选择D/A转换方式，配置完成后将数字信号载入到缓存中开始D/A转换，完成既定条件后退出程序。此程序框图与运动仿真程序框图、信号形式变换程序框图并行运算，使用局部变量传递数字信号。

5 结 语

本文利用LabVIEW强大的虚拟仪器设计开发能力，对鱼雷追踪水下目标的运动过程进行仿真，并对鱼雷自导信号作用在水下目标后的反射信号进行模拟，该模拟信号可用于实验室测试或进行鱼雷试验仿真，对水下靶标的设计及研制具有重要作用。

参考文献

[1] 薛昌友，孙雪海，杜亮.声自导鱼雷固定提前角导引法追踪效果研究[J].舰船科学技术，2011，33（3）：112?114.

[2] 贾跃，宋保维，李文哲.某型鱼雷尾追式弹道设计与仿真[J].火力与指挥控制，2006，31（4）：56?59.

[3] 毛俊超，邱华，孙华春.声自导鱼雷追踪导引弹道分析[J].舰船科学技术，2011，33（4）：123?125.

[4] 王福明，于丽霞，刘吉.LabVIEW程序设计与虚拟仪器[M].西安：西安电子科技大学出版社，2009.

[5] 刘伯胜，雷家煜.水声学原理[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2009.

[6] 戴成梅，戴成建，周启龙.基于LabVIEW多功能信号发生器的设计与实现[J].研究与开发，2010，29（6）：57?61.