孫鐘阜，龐 博

(海軍駐上海地區(qū)水聲導(dǎo)航系統(tǒng)軍事代表室，上海 201108)

0 引 言

引信是戰(zhàn)斗部的重要組成部分，按作用方式可分為觸發(fā)引信和近炸引信(又稱為非觸發(fā)引信)。近炸引信的基本作用是探測目標(biāo)，由傳感器采集環(huán)境信息和目標(biāo)信息，并由信號處理裝置處理后實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的空間、時(shí)間選擇，輸出起爆信號。

聲引信是近炸引信中的一種，按工作原理分為主動聲引信和被動聲引信[1]。聲引信能在復(fù)雜干擾背景中可靠地檢測、分析和處理目標(biāo)信號，按預(yù)定條件輸出起爆信號，既可在空氣中使用，也可在水中使用。

主動聲引信以其作用半徑容易控制、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用[2-3]。與主動聲引信相比，被動聲引信[4]具有隱蔽性強(qiáng)、體積小、能耗低等優(yōu)點(diǎn)?；诖?，對于目標(biāo)輻射噪聲能量遠(yuǎn)高于自噪聲和環(huán)境噪聲的情況，被動聲引信仍得到了有效的應(yīng)用。

本文分別給出主、被動聲引信的工作原理和特點(diǎn)，針對主、被動聲引信的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合目標(biāo)特征對聲引信性能的影響分析，提出主、被動聲引信配合使用的原則。并將所提原則應(yīng)用到使用主被動聲引信的水下硬殺傷武器中，對使用策略進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)與分析。

1 聲引信工作原理和特點(diǎn)

1.1 主動聲引信原理和特點(diǎn)

主動聲引信系統(tǒng)工作流程如圖1所示。聲引信工作后接收回波信號進(jìn)行檢測處理。根據(jù)接收回波與發(fā)射脈沖信號間的時(shí)間差進(jìn)行目標(biāo)距離估計(jì)；根據(jù)回波距離和頻率信息進(jìn)行目標(biāo)速度估計(jì)；根據(jù)目標(biāo)運(yùn)動連續(xù)性的特點(diǎn)，利用距離門、頻率門等信息對探測到的目標(biāo)進(jìn)行進(jìn)一步判決，排除干擾信號。

當(dāng)探測高速目標(biāo)時(shí)，主動聲引信利用高速目標(biāo)回波自身多普勒頻移大的特點(diǎn)，采用混響帶阻濾波器抑制混響，提高目標(biāo)探測性能和工作可靠性。但當(dāng)目標(biāo)接近主動聲引信正橫方向時(shí)，多普勒頻偏減小，此時(shí)混響帶阻濾波器會使回波信號級減小，存在某一臨界距離使回波信號級小到無法檢測，該距離范圍內(nèi)的區(qū)域稱為“多普勒陷波盲區(qū)”。

圖1 主動聲引信系統(tǒng)工作流程Fig.1 Workflow of active acoustic fuze

為了保證最大限度的毀傷目標(biāo)，設(shè)計(jì)起爆邏輯尋求最近距離起爆。根據(jù)目標(biāo)距離、跟蹤狀態(tài)和速度估計(jì)等結(jié)果進(jìn)行綜合判決，輸出起爆信號。

主動聲引信的優(yōu)缺點(diǎn)如下：

優(yōu)點(diǎn)：利用目標(biāo)反射回波的多普勒頻率、時(shí)間-距離特性對目標(biāo)回波信號進(jìn)行有效確認(rèn)，排除靜止(低速)目標(biāo)、尖峰脈沖等隨機(jī)干擾，具有高可靠性。

缺點(diǎn)：系統(tǒng)復(fù)雜、功耗大、占用總體資源多；目標(biāo)在遠(yuǎn)距離通過聲引信時(shí)，存在多普勒盲區(qū)。

1.2 被動聲引信原理和特點(diǎn)

在近距離處，目標(biāo)輻射噪聲在傳播過程中的衰減符合球面波衰減規(guī)律。當(dāng)目標(biāo)與聲引信近距離交會時(shí)，接收到的目標(biāo)輻射噪聲遵循目標(biāo)逐漸接近時(shí)變大、遠(yuǎn)離時(shí)變小的規(guī)律。利用這一特點(diǎn)選擇“極大值”出現(xiàn)時(shí)刻給出起爆信號，可以尋求被動聲引信的最佳起爆時(shí)刻。

圖2 被動聲引信系統(tǒng)工作流程Fig.2 Workflow of passive acoustic fuze

被動聲引信系統(tǒng)工作流程如圖2所示。聲引信接收目標(biāo)輻射噪聲，經(jīng)過對接收信號的分析處理，得到信號包絡(luò)的斜率變化曲線，根據(jù)斜率的大小判斷目標(biāo)是否近距離通過，根據(jù)斜率的變化趨勢判斷目標(biāo)與聲引信的相對位置，按預(yù)設(shè)的邏輯條件判決是否輸出起爆信號。

被動聲引信優(yōu)缺點(diǎn)如下：

優(yōu)點(diǎn)：方案實(shí)施簡單可行，傳感器、電路體積小、功耗低，消耗總體資源少，便于總體集成設(shè)計(jì)；

缺點(diǎn)：當(dāng)所接收的目標(biāo)輻射噪聲起伏較大時(shí)，被動聲引信起爆時(shí)機(jī)不穩(wěn)定，有提前起爆和滯后起爆的風(fēng)險(xiǎn)，抗干擾能力不強(qiáng)。

2 目標(biāo)特征對聲引信性能的影響

目標(biāo)特征包括目標(biāo)強(qiáng)度和輻射噪聲強(qiáng)度。目標(biāo)強(qiáng)度表征距離目標(biāo)聲學(xué)中心1 m處由目標(biāo)返回的聲強(qiáng)與入射聲強(qiáng)之比，主要與目標(biāo)的幾何尺度與形狀有關(guān)；目標(biāo)輻射噪聲表征聲源輻射噪聲的強(qiáng)度，水下目標(biāo)輻射噪聲主要包括機(jī)械噪聲、螺旋槳噪聲和流噪聲，與目標(biāo)的航速、動力類型等有關(guān)。

影響主動聲引信工作性能的主要特征是目標(biāo)強(qiáng)度，為得到好的探測性能，希望目標(biāo)強(qiáng)度大。影響被動聲引信工作性能的主要特征是輻射噪聲強(qiáng)度，為得到好的探測性能，希望目標(biāo)輻射噪聲高。然而，輻射噪聲高將影響主動聲引信探測性能。

由此，根據(jù)目標(biāo)特征對主被動聲引信的影響，主被動聲引信的使用可有以下基本原則：

(1) 對于高輻射噪聲的目標(biāo)，采用被動聲引信工作；

(2) 對于低輻射噪聲的目標(biāo)，采用主動聲引信工作，可同時(shí)通過提高主動聲引信發(fā)射信號源級等方式提高探測性能；

(3) 在實(shí)際工作中，若目標(biāo)輻射噪聲強(qiáng)度多變，且系統(tǒng)無法事先知道?？刹捎弥鞅粍勇曇怕?lián)合工作方式，充分利用主被動聲引信各自的優(yōu)點(diǎn)，提高聲引信的探測能力和工作可靠性。

3 聲引信聯(lián)合工作應(yīng)用分析

某水下目標(biāo)，輻射噪聲強(qiáng)度變化范圍大，差值約 20 dB?？紤]將主被動聲引信應(yīng)用到針對該類型目標(biāo)的戰(zhàn)斗部中。

主被動聲引信的探測距離與目標(biāo)的輻射噪聲強(qiáng)度有關(guān)。主被動聲引信探測距離和目標(biāo)輻射噪聲強(qiáng)度的關(guān)系如圖3所示，目標(biāo)輻射噪聲強(qiáng)度為歸一化值，范圍為0 dB至20 dB。對于被動聲引信而言，目標(biāo)輻射噪聲強(qiáng)度為0 dB時(shí)，探測距離為15 m；噪聲強(qiáng)度為20 dB時(shí)，探測距離約為150 m。對于主動聲引信而言，噪聲強(qiáng)度為0 dB時(shí)，探測距離約為 100 m; 噪聲強(qiáng)度為 20 dB時(shí)，探測距離約為30 m。

圖3 主被動聲引信探測距離和目標(biāo)輻射噪聲強(qiáng)度之間的關(guān)系Fig.3 Relationship between the detection range of active/passive acoustic fuze and the intensity of target radiated noise

根據(jù)主被動聲引信工作特點(diǎn)，結(jié)合第2節(jié)中主被動聲引信使用的基本原則，將主被動聲引信應(yīng)用到戰(zhàn)斗部中，主要有以下考慮：

(1) 戰(zhàn)斗部起爆范圍R1為15 m，戰(zhàn)斗部與目標(biāo)在此距離外交會時(shí)，戰(zhàn)斗部爆炸的毀傷作用較小，設(shè)計(jì)中只考慮目標(biāo)通過距離在R1內(nèi)的情況；

(2) 通常要求引信探測距離為起爆范圍的 1.5倍+保險(xiǎn)解除時(shí)間內(nèi)目標(biāo)的運(yùn)動距離。戰(zhàn)斗部起爆范圍R1為15 m；戰(zhàn)斗部安全保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)采用目標(biāo)探測信息解除保險(xiǎn)，考慮到引信解除保險(xiǎn)所需時(shí)間以及在此時(shí)間段內(nèi)戰(zhàn)斗部與目標(biāo)快速接近，引信探測距離要求為大于35 m；

(3) 主動聲引信可利用距離、頻率等信息對目標(biāo)進(jìn)行綜合確認(rèn)、判決，具有高可靠性。該戰(zhàn)斗部優(yōu)先使用主動聲引信；

(4) 根據(jù)圖3主被動聲引信探測與目標(biāo)輻射噪聲強(qiáng)度的關(guān)系，當(dāng)目標(biāo)輻射噪聲低于18 dB(歸一化值)時(shí)，主動引信探測距離大于35 m，可獨(dú)立使用主動聲引信工作。當(dāng)目標(biāo)輻射噪聲大于18 dB時(shí)，主動引信探測距離會小于35 m，可能影響戰(zhàn)斗部保險(xiǎn)解除時(shí)機(jī)，從而影響戰(zhàn)斗部正常起爆工作；

(5) 目標(biāo)輻射噪聲只影響主動聲引信探測距離，但不影響主動聲引信對近距離目標(biāo)的探測，也就是只影響戰(zhàn)斗部保險(xiǎn)解除時(shí)機(jī)，不影響起爆控制?？刹捎弥鞅粍勇曇怕?lián)合工作，共同提供保險(xiǎn)解除信號，提高戰(zhàn)斗部的工作可靠性。

4 聲引信聯(lián)合工作策略設(shè)計(jì)

基于第3節(jié)的聲引信聯(lián)合工作應(yīng)用分析，該戰(zhàn)斗部采用主被動聲引信聯(lián)合工作，設(shè)計(jì)起爆策略，并進(jìn)行分析，判斷主被動聲引信工作效果。根據(jù)戰(zhàn)斗部工作流程以及主被動聲引信配合使用的原則，起爆策略由主被動聲引信共同確定，完成保險(xiǎn)解除和起爆信號輸出兩個(gè)功能。

(1)保險(xiǎn)解除信號輸出

保險(xiǎn)解除信號由主被動聲引信共同確定，當(dāng)主動聲引信或被動聲引信探測到目標(biāo)時(shí)，輸出解保信號。

考慮主動聲引信自身抗干擾能力較強(qiáng)，且在此應(yīng)用中，滿足探測大部分輻射噪聲強(qiáng)度目標(biāo)的需求。被動聲引信只是補(bǔ)充針對少數(shù)高輻射噪聲目標(biāo)的探測需求，因此可考慮提高被動聲引信的檢測門限，以減小聲引信解除保險(xiǎn)的虛警，提高工作可靠性。

(2)起爆信號輸出主動聲引信根據(jù)目標(biāo)信息輸出起爆信號，起爆信號輸出時(shí)機(jī)決定了戰(zhàn)斗部起爆時(shí)與目標(biāo)的相對位置關(guān)系，也決定了戰(zhàn)斗部裝藥量一定的情況下對目標(biāo)的毀傷效果。為實(shí)現(xiàn)最大程度的毀傷目標(biāo)，應(yīng)在來襲目標(biāo)距離最近時(shí)起爆戰(zhàn)斗部。根據(jù)戰(zhàn)斗部對目標(biāo)的毀傷能力，以來襲目標(biāo)過靶量R為臨界值，將起爆策略分為目標(biāo)進(jìn)入R距離范圍立即起爆和目標(biāo)過靶量R之外尋求距離最近時(shí)起爆。起爆策略流程圖如圖4所示。

圖5給出了目標(biāo)通過戰(zhàn)斗部時(shí)起爆點(diǎn)示意圖。主被動聲引信在目標(biāo)距離35 m外探測到目標(biāo)，輸出保險(xiǎn)解除信號，解保后戰(zhàn)斗部進(jìn)入待發(fā)狀態(tài)，此時(shí)目標(biāo)距離戰(zhàn)斗部約26 m。當(dāng)目標(biāo)進(jìn)入距離R或判定為最近距離時(shí)，戰(zhàn)斗部起爆，對目標(biāo)進(jìn)行爆破毀傷。

圖4 起爆策略流程圖Fig.4 Flowchart of detonating strategy

圖5 目標(biāo)通過戰(zhàn)斗部時(shí)起爆點(diǎn)示意圖Fig.5 Diagram of the detonating points while target passing by warhead

5 結(jié) 論

本文分別給出主被動聲引信的工作原理和特點(diǎn)。針對主被動聲引信的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合目標(biāo)聲特征對聲引信性能的影響分析，提出主被動聲引信配合使用的原則。并對起爆策略進(jìn)行了初步的分析和設(shè)計(jì)，說明戰(zhàn)斗部采用主被動聲引信聯(lián)合工作，保險(xiǎn)解除時(shí)序合理，實(shí)現(xiàn)了尋求最近距離起爆，本文的討論可為主被動聲引信在水下硬殺傷武器中的聯(lián)合使用提供參考。

[1]孔大偉, 周俊山, 余越. 水聲探測技術(shù)在水雷武器中的應(yīng)用研究[J]. 艦船電子工程, 2012, 32(4): 119-121.

KONG Dawei, ZHOU Junshan, YU Yue. Study on the application of acoustic detection technology in mine[J]. Ship Electronic Engineering, 2012, 32(4): 119-121.

[2]李耀波, 孫常存, 任志良, 等. 一種基于快速傅里葉變換反魚雷魚雷主動聲引信回波檢測方法[J]. 魚雷技術(shù), 2011, 19(3): 176-180.

LI Yaobo, SUN Changcun, REN Zhiliang, et al. An FFT-based detection method of active acoustic fuse echo for anti-torpedo torpedo[J]. Torpedo Tcchnology, 2011, 19(3): 176-180.

[3]謝勝, 陳航, 于平. 魚雷聲引信目標(biāo)回波高精度頻率估計(jì)方法[J].魚雷技術(shù), 2011, 19(1): 14-19.

XIE Sheng, CHEN Hang, YU Ping. High precision frequency estimation method of torpedo acoustic fuse target echo[J]. Torpedo Tcchnology, 2011, 19(1): 14-19.

[4]劉科滿, 相敬林, 候鐵雙, 等. 基于目標(biāo)過零特性與能量特性的聲引信檢測方法[J]. 兵工學(xué)報(bào), 2008, 29(9): 1044-1048.

LIU Keman, XIANG Jinglin, HOU Tieshuang, et al. A joint method of zero-crossing detection and energy detection[J]. Acta Armamentrii, 2008, 29(9): 1044-1048.