陳 喜 周 琨

（海軍工程大學(xué)兵器工程系1） 武漢 430033）（武漢市長(zhǎng)虹橋37-12） 武漢 430064）

1 引言

魚雷主動(dòng)超聲非觸發(fā)引信工作機(jī)理是：聲引信裝置向海水介質(zhì)發(fā)射特定的聲波脈沖，經(jīng)海水介質(zhì)的傳播，由接收機(jī)接收來(lái)自目標(biāo)反射回來(lái)的聲信號(hào)，經(jīng)過(guò)對(duì)接收信號(hào)的處理，判斷是否為真實(shí)目標(biāo)；符合判斷標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)認(rèn)為是真實(shí)目標(biāo)，否則為干擾信號(hào)，從而決定是否引爆裝藥?，F(xiàn)代魚雷通常都配置具有信息融合的主動(dòng)聲、電磁復(fù)合引信［1］。魚雷主動(dòng)超聲非觸發(fā)引信的設(shè)計(jì)需考慮多項(xiàng)性能指標(biāo)［2］，其中抗干擾能力是引信設(shè)計(jì)中一個(gè)重要指標(biāo)，其性能的優(yōu)劣直接維系著魚雷的安全性、可靠性與戰(zhàn)斗使命的完成。

通常主動(dòng)超聲非觸發(fā)引信發(fā)射為單一正弦填充脈沖（CW 波）f（t），接收樣本信號(hào)r（t）主要由目標(biāo)回波s（t）、混響nr（t）和背景噪聲n（t）三部分所組成［3］，即：

s（t）涵復(fù)三層含義：1）目標(biāo)反射回波，攜帶著有關(guān)目標(biāo)的所有信息，是檢測(cè)目標(biāo)和目標(biāo)參數(shù)估計(jì)的全部依據(jù)；2）人工干擾，如對(duì)抗器材干擾與單個(gè)或系列爆炸聲源的干擾，后者目前使用較廣泛，此干擾也攜帶與目標(biāo)相類似信息；3）針對(duì)反艦聲引信而言，在大于3級(jí)海況，海面波浪的反射（自然干擾）同樣也攜帶著與目標(biāo)相關(guān)的信息。

nr（t）表示混響與尾流散射干擾。

n（t）主要包括海洋環(huán)境自然噪聲、魚雷螺旋槳噪聲以及艦艇噪聲。接收樣本信號(hào)r（t）如圖1。從圖中可看出，單個(gè)或系列爆炸干擾信號(hào)屬于s（t）范疇與目標(biāo)回波信號(hào)有許多相似之處，僅從時(shí)域?qū)ふ覂烧咝盘?hào)不同的特征量非常困難，需從時(shí)域與頻域中共同解決。

圖1 聲引信接收機(jī)接收樣本信號(hào)原理框圖

2 水中爆炸干擾成因分析與抗干擾措施

研究發(fā)現(xiàn)，含能材料水中爆炸，存在著爆炸相似律。水中爆炸所產(chǎn)生的聲波，具有頻譜寬、能量大的特點(diǎn)［4］。炸藥在水中爆炸形成的沖擊波波陣面壓力和速度在水中傳播過(guò)程中下降很快，迅速衰減成強(qiáng)聲波。應(yīng)用爆炸相似律，可以用模擬試驗(yàn)的方法獲取水下爆炸的最大壓力、聲能譜等［5～6］，從時(shí)域與頻域兩方面考慮水下爆炸的聲學(xué)模型。

2.1 水中爆炸時(shí)域特性分析

水中爆炸所產(chǎn)生的聲脈沖波是一個(gè)高功率的聲源，同時(shí)又是一個(gè)無(wú)指向性聲源［4］，對(duì)于魚雷主動(dòng)超聲非觸發(fā)引信則歸類于混響干擾，此類混響屬體積混響。

混響干擾原本為一種背景干擾，由于海洋是非均勻的，海洋中存在著雜亂分布的散射體（海水中存在著大量的海洋生物、氣泡和懸浮于海水中的泥沙等硬粒子）以及起伏不平的界面。當(dāng)聲源發(fā)射出聲波以后，碰到這些散射體就會(huì)產(chǎn)生所謂散射作用，即把一部分入射聲能向空間再輻射，改變?cè)瓉?lái)入射的路徑，形成不同于原來(lái)傳播方向的各個(gè)方向上的散射波。散射體產(chǎn)生的散射聲波先后在接收機(jī)上疊加，便造成了混響干擾［7～8］。水中爆炸聲所引起混響盡管與聲非觸發(fā)引信發(fā)射聲波能量無(wú)關(guān)，但其機(jī)理與混響相同，其表達(dá)式為：

上式各項(xiàng)的物理意義如下：

TL1＝20lgr，為單程球面擴(kuò)展損失；

TL2＝20βrlge＝αr，為單程吸收損失。

式中，c為聲速；r為距離；ψ為指向性立體角，α為對(duì)數(shù)吸收系數(shù)，表示每傳播單位距離聲強(qiáng)衰減αdB，單位為dB／km。α與β有如下關(guān)系：

需對(duì)式（2）進(jìn)行三點(diǎn)詮釋：1）水中爆炸聲的聲源級(jí)，其量級(jí)高達(dá)200dB；2）空間混響體積脈沖寬度τ為水中爆炸聲的持續(xù)時(shí)間，5kg左右的TNT持續(xù)時(shí)間約為2ms［4］；3）對(duì)于水中爆炸聲所引起混響干擾抵達(dá)主動(dòng)超聲非觸發(fā)引信則是按單程傳播損失計(jì)算。

克服此類混響干擾亦可采用當(dāng)聲非觸發(fā)引信接收機(jī)接收到爆炸波信號(hào)起始時(shí)，在時(shí)間t＝（2－3）τ內(nèi)阻斷接收通道［9］；τ為水中爆炸聲的持續(xù)時(shí)間，?。?～3）τ主要原因是盡可能地消除爆炸波引起的混響干擾。以τ＝20ms，魚雷航速v＝40kn為例：魚雷航行距離約為40ms×40kn＝0.82m。通常艦／潛艇對(duì)來(lái)襲魚雷實(shí)施深水炸彈爆炸干擾時(shí)，一般選擇魚雷距攻擊目標(biāo)大于1000m，由此可見聲引信在魚雷航行0.8m內(nèi)阻斷聲非觸發(fā)引信接收通道并不影響魚雷作戰(zhàn)效能。

2.2 水中爆炸頻域特性分析

水中爆炸產(chǎn)生出的聲波頻譜很寬，復(fù)蓋聲引信頻段。文獻(xiàn)［4］指出：爆炸聲的頻譜基本上是由沖擊波的頻譜和二次氣泡脈動(dòng)的頻譜相加得到的，高頻段主要由沖擊波決定，而在低頻段主要是由氣泡膨脹決定，同時(shí)沖擊波和氣泡脈動(dòng)相位存在一定的相干作用。

水中爆炸的能量分布在很寬的頻帶上，不同藥量爆炸的能譜也不同。魚雷主動(dòng)超聲非觸發(fā)引信工作頻段為高頻，因此僅考慮水中爆炸沖擊波時(shí)，對(duì)于一個(gè)峰值壓力為p0，時(shí)間常數(shù)為t0的指數(shù)脈沖，其能流譜密度可由傅里葉分析得出：

式中，p0為沖擊波初始時(shí)的最大壓強(qiáng)；ρc為聲特性阻抗；f為頻率（Hz）。

由式（4）可得出水中爆炸其顯著的特點(diǎn)具有較寬的頻譜范圍，且聲源級(jí)較高。利用此特征，主動(dòng)超聲非觸發(fā)引信在接收裝置可采用工作和保護(hù)兩個(gè)通道，工作通道接收和處理目標(biāo)艦／潛艇反射的回波信號(hào)，當(dāng)存在單個(gè)或系列水中爆炸干擾時(shí)，工作通道同樣接收與回波信號(hào)相似爆炸干擾信號(hào)，但是主動(dòng)超聲非觸發(fā)引信是否發(fā)出起爆指令還需觀察保護(hù)通道工作狀況，如果保護(hù)通道也收到爆炸干擾信號(hào)，則阻斷起爆指令的發(fā)出，從而避免魚雷主動(dòng)超聲非觸發(fā)引信誤動(dòng)。

保護(hù)通道的工作頻率的選取應(yīng)低于或高于工作通道的工作頻率，即f1＝f0±Δf，f1為保護(hù)通道的工作頻率（kHz），f0為工作通道工作頻率?？紤]到聲非觸發(fā)引信換能器的接收響應(yīng)特性，選取Δf＝100kHz。采用兩個(gè)保護(hù)通道措施可進(jìn)一步提高主動(dòng)超聲非觸發(fā)引信抗水中爆炸干擾的能力。

3 抗水中爆炸干擾電路設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

從電路形式與工作原理上看，聲引信系統(tǒng)與魚雷聲自導(dǎo)系統(tǒng)相類似。也是由發(fā)射機(jī)、接收機(jī)與指令電路三大部分組成。聲引信電路設(shè)計(jì)原則是：簡(jiǎn)單可靠，很復(fù)雜的技術(shù)設(shè)計(jì)一般不采用［2］。

3.1 抗水中爆炸干擾電路設(shè)計(jì)

主動(dòng)超聲非觸發(fā)引信電路框圖如圖2，其工作原理為：在無(wú)單個(gè)或系列爆炸干擾時(shí)（正常狀態(tài)），主動(dòng)超聲非觸發(fā)引信換能器接收來(lái)自目標(biāo)反射回波信號(hào)s（t），海洋背景噪聲與魚雷自噪聲信號(hào)n（t），由主動(dòng)超聲非觸發(fā)引信發(fā)射聲信號(hào)而引起的混響信號(hào)nr（t）。克服n（t）與nr（t）信號(hào)干擾在文獻(xiàn)［9］已詳解，本文不再贅述。s（t）信號(hào)（其工作頻率與發(fā)射頻率f0相等）經(jīng)前置放大、工作通道（經(jīng)檢波、積分后變?yōu)橹绷髅}沖信號(hào)）送至數(shù)字邏輯判別電路進(jìn)行數(shù)字邏輯綜合判別后，饋入信號(hào)保持與繼電器組件電路、從而啟動(dòng)爆發(fā)器引爆炸藥。

圖2 抗水中爆炸干擾電路框圖

當(dāng)存在單個(gè)或系列爆炸干擾時(shí)（非正常狀態(tài)），由于爆炸干擾具有較寬的頻譜范圍，除工作通道收到爆炸干擾信號(hào)外，與工作通道頻率f0相差Δf＝100kHz（f1＝f0±Δf）的保護(hù)通道（兩個(gè)中其中一個(gè)即可）也收到爆炸干擾信號(hào)，此時(shí)封閉電路啟動(dòng)，最終鎖閉爆發(fā)器電路，禁止引爆炸藥。封閉電路從啟動(dòng)到結(jié)束約為20ms。封閉電路指令解除后，主動(dòng)超聲非觸發(fā)引信又恢復(fù)到正常工作狀態(tài)。

此電路抗干擾的特點(diǎn)為：

1）雙保護(hù)通道設(shè)置可有效抗擊單個(gè)或者是連續(xù)的水中爆炸干擾。保護(hù)通道若接收到信號(hào)（其接收信號(hào)頻率高于或低于接收通道工作頻率），則封閉電路啟動(dòng)，從而封鎖繼電器組件。

2）封閉電路工作時(shí)間的確定：（1）按可能出現(xiàn)較大地水中爆炸持續(xù)時(shí)間固定設(shè)置；（2）也可由封閉電路從啟動(dòng)到監(jiān)測(cè)保護(hù)通道的輸出信號(hào)幅值低于某一門限值的時(shí)間確定。通常采用前者，而后者的使用則是考慮出現(xiàn)未預(yù)見的水中爆炸，而此時(shí)持續(xù)時(shí)間已超過(guò)固定設(shè)置時(shí)間，因此按實(shí)際持續(xù)時(shí)間對(duì)封閉電路進(jìn)行啟閉。

3.2 抗水中爆炸干擾電路試驗(yàn)

利用文獻(xiàn)［10］給出單枚深水炸彈爆炸形成的噪聲信號(hào)仿真的原理圖（如圖3）來(lái)構(gòu)成水中爆炸信號(hào)產(chǎn)生電路。多枚深水炸彈連續(xù)爆炸形成的干擾信號(hào)是單枚爆炸干擾信號(hào)時(shí)間序列的線性疊加。

圖4為基于聲對(duì)接工作方式構(gòu)成抗水中爆炸干擾電路海上試驗(yàn)平臺(tái)，系統(tǒng)采用聲輸入工作方式，反潛工作方式需四個(gè)對(duì)接換能器，反艦工作方式僅需一個(gè)對(duì)接換能器。對(duì)接換能器通過(guò)模擬海水阻抗匹配材料，加之一定預(yù)應(yīng)力與魚雷聲引信換能器準(zhǔn)確機(jī)械耦合。其原理為：仿其系統(tǒng)人工設(shè)定炸藥類型、裝藥量、爆炸深度與海區(qū)條件等參數(shù)后，啟動(dòng)系統(tǒng)，根椐以實(shí)采聲非觸發(fā)引信發(fā)射信號(hào)為同步信號(hào)，水中爆炸信號(hào)產(chǎn)生電路輸出含有設(shè)定信息的信號(hào)，傳送至對(duì)接換能器，通過(guò)模擬海水阻抗匹配材料饋入主動(dòng)超聲非觸發(fā)引信換能器，從而驗(yàn)證抗水中爆炸干擾電路設(shè)計(jì)的合理性。圖4中水中爆炸信號(hào)產(chǎn)生電路硬件平臺(tái)憶在文獻(xiàn)［3］進(jìn)行詳解，本文不再贅述。表1設(shè)定裝藥量30kg，爆炸深度50m的抗水中爆炸干擾電路試驗(yàn)結(jié)果。

圖3 水中爆炸信號(hào)仿真原理圖

圖4 抗水中爆炸干擾電路試驗(yàn)平臺(tái)框圖

表1 抗水中爆炸干擾電路試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

主動(dòng)超聲非觸發(fā)引信抗干擾性能是聲引信設(shè)計(jì)問(wèn)題的關(guān)鍵；本文針對(duì)單個(gè)或系列水中爆炸干擾因素的分析；提出抗干擾措施；導(dǎo)出了魚雷主動(dòng)超聲非觸發(fā)引信抗水中爆炸干擾電路框圖（限于篇幅有限，具體線路未展開討論）。通過(guò)基于聲對(duì)接工作方式構(gòu)成抗水中爆炸干擾電路海上試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)聲引信抗水中爆炸干擾電路進(jìn)行仿真試驗(yàn)，其結(jié)果證明了抗水中爆炸干擾電路設(shè)計(jì)的正確性和仿真方法的有效性。

抗水中爆炸干擾電路己在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下調(diào)試成功，并通過(guò)相應(yīng)的匹配試驗(yàn)。值得一提的是聲引信電路安裝于魚雷還需考慮：1）電磁兼容問(wèn)題；2）與魚雷總電路接口問(wèn)題；3）聲引信電路結(jié)構(gòu)與電源回路等一系列工程實(shí)施問(wèn)題。另外，由于水中爆炸聲在海洋傳播存在諸多不確定因素，門限設(shè)置是否精確，誤差有多大，這些都需要在魚雷海上實(shí)航試驗(yàn)中加以驗(yàn)證。

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