王福林 胡青

（1.第七一五研究所，杭州，310023；2.聲納技術重點實驗室，杭州，310023）

在海上，港口設施、停泊的艦船、石油鉆井平臺及輸油設施等時常會遭到蛙人的隱蔽攻擊，為此，西方各海軍國家都在著力研發(fā)近海監(jiān)視防護系統(tǒng)，其核心是反蛙人聲吶，如英國QinetiQ公司的Cerberus360、以色列DslT公司的DDS和俄羅斯的Pallada是其典型代表。蛙人是指穿著潛水服和背負著呼吸系統(tǒng)（氧氣瓶等）的潛水員。蛙人目標特性是低速、小尺寸、目標強度低[1]。蛙人攻擊艦船的最可能時機是艦船?？看a頭或在港灣內拋錨，這都是典型的淺水海區(qū)，水深在5～100 m范圍，在此區(qū)域內，海底會有大量高目標強度的物體，同時海底混響嚴重，為避開混響，要使用窄的水平及垂直波束。

反蛙人聲吶發(fā)射機是反蛙人聲吶的主動探測源，輸入三相380 V 50 Hz交流電，采用逆變功率合成技術實現(xiàn)高頻信號功率放大，放大的電信號經(jīng)長纜傳輸后驅動換能器負載產(chǎn)生高強度的聲波，進而實現(xiàn)探測水中蛙人的功能。

1 功能與組成

反蛙人聲吶發(fā)射機研制技術指標：工作頻率，60～100 kHz；脈沖寬度，25 ms、50 ms、100 ms；輸出功率≥4000 W；功率分檔，分 1、1/2、1/4、1/8四檔。

反蛙人聲吶發(fā)射機根據(jù)顯控指令，能自動產(chǎn)生工作頻帶內的線性調頻信號，選擇發(fā)射信號脈沖寬度和發(fā)射功率檔等，經(jīng)過全橋逆變和功率合成技術實現(xiàn)高頻信號功率放大，放大的電信號經(jīng)長纜傳輸后驅動換能器負載產(chǎn)生高強度的聲波，進而實現(xiàn)探測水中蛙人的功能。

發(fā)射機按照功能模塊劃分，主要由發(fā)射信號源、RS-422串行接口、驅動電路、功率放大器、功率合成（阻抗變換）、輸出回路（調諧匹配網(wǎng)絡）、保護電路和故障指示電路、低壓電源和功率電源等部分組成，如圖1所示。

圖1 發(fā)射機組成框圖

2 信號及控制實現(xiàn)

信號源 CPU 經(jīng)過軟件計算產(chǎn)生線性調頻信號，通過RS-422串口由上位機控制選擇信號頻段，同時信號源CPU通過定時器控制產(chǎn)生3種可選的信號脈沖寬度。功率分檔由可調的功率電源控制實現(xiàn)，控制CPU通過D/A產(chǎn)生4種控制電壓，即4.5 V、3.2 V、2.3 V和1.6 V，功率電源接收控制電壓產(chǎn)生不同的輸出電壓，4種控制電壓分別對應功率電源輸出電壓為200 V、144 V、103 V、72 V，功率放大器的輸出電壓與所加功率電源電壓一一對應，實現(xiàn)輸出功率控制。

3 關鍵技術

3.1 功率合成技術

對于聲吶發(fā)射機而言，工作頻率100 kHz已經(jīng)屬于高頻范疇，輸出功率4000 W也屬于大功率，高頻大功率發(fā)射機實現(xiàn)技術難度很大，傳統(tǒng)的線性功率放大效率較低，本文設計4路1 kW的開關功率放大器，再采用功率合成技術實現(xiàn)大功率高頻發(fā)射。采用同相疊加方法實現(xiàn)功率合成，其原理是多路功放采用隔離變壓器輸出，在輸出級將變壓器隔離副邊串聯(lián)，實現(xiàn)倍壓，進而實現(xiàn)功率疊加。

功率合成仿真波形見圖 2。頻率為 60～100 kHz，脈寬為1 ms，上圖為合成之前的信號，下圖為合成之后的信號，二者幅度為4倍關系，符合4路合成原理。

圖2 功率合成仿真波形

在負載RL=100 ?條件下進行實驗室測試，4路疊加后負載上輸出信號幅度為UO=680.2 V，根據(jù)公式（1）計算輸出功率PO=4626.7 W，滿足輸出電功率≥4000 W的要求。

3.2 長線傳輸技術

反蛙人聲吶將發(fā)射換能器布放在較遠水域，因此功率信號傳輸距離要求達到1000 m以上。解決長線傳輸問題的目的是降低高頻傳輸損耗和提高負載匹配效率。

高頻功率信號在長纜中傳輸存在最突出的問題是信號衰減很快，根據(jù)通常電力傳輸經(jīng)驗一般采用高電壓小電流傳輸，另外應盡量增加傳輸線的截面積、減小傳輸線阻抗，進而減小傳輸線損耗，提高傳輸效率。在特定的換能器負載條件下，再加上傳輸距離在1000 m以上，大功率的高頻信號傳輸效率很低，借鑒低頻電力傳輸技術，采取適當?shù)母唠妷盒‰娏?，負載需要進行阻抗匹配和調諧匹配，重點在于長纜的選擇，通常的電力平行線和信號傳輸?shù)碾p絞線都無法解決，因為工程應用不可能在很長的傳輸距離條件下無限增大導線的截面積。本研究方案借鑒通信信號傳輸?shù)耐S纜技術加上換能器負載阻抗匹配和調諧匹配技術，解決傳輸效率問題。采用并聯(lián)調諧電感對負載進行調諧匹配, 調諧前后換能器導納曲線見圖3。

從圖3中可以看出調諧后在工作頻帶內電納在零附近。根據(jù)公式（2）分析，調諧匹配之后，在工作頻帶內相角φ調諧在?15°～15°之間（低頻邊緣頻帶除外）。調諧效果很好。

圖3 調諧前后換能器導納曲線圖

采用變壓器對負載阻抗進行變換，并對輸出進行功率合成。同時采用特性阻抗為55 ?的同軸電纜進行傳輸，與負載阻抗匹配。使得發(fā)射機與負載換能器之間匹配效果達到最佳。阻抗匹配后換能器導納曲線見圖4。

圖4 阻抗匹配后換能器導納曲線圖

從圖4(a)中電導G曲線數(shù)據(jù)和公式（3）分析，在工作頻帶內阻抗基本匹配在55 ?左右，圖4(b)為接1000 m特性阻抗為55 ?的同軸纜，導納曲線與接長纜前保持一致，長纜沒有影響換能器特性，達到了長纜傳輸高頻功率信號的極佳效果。

經(jīng)過實際試驗測試，同軸纜高頻傳輸損失在15%左右，而普通平行纜、雙絞纜等高頻傳輸損失高達50%以上，說明采用同軸纜進行高頻功率信號傳輸是可行方案。

4 結論

在解決了負載匹配問題前提下，通過功率合成技術實現(xiàn)了高頻大功率發(fā)射。采用同軸電纜傳輸高頻功率信號大大降低了傳輸損耗。兩項關鍵技術的解決，為反蛙人聲吶發(fā)射機研制成功提供重要保證，也為高頻大功率長線傳輸提供了可行的技術途徑。經(jīng)過消聲水池試驗和千島湖聲學試驗站湖試，發(fā)射系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)滿足各項指標要求，反蛙人聲吶發(fā)射系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠。

[1] 羅善政,章偉江,蘇慧茹. 反蛙人聲吶工作環(huán)境和蛙人目標特性分析[J] 聲學與電子工程,2007,增刊:190-193.