(工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣州 510610)

0 引言

隨著現(xiàn)代魚雷技術智能化和自導方式多樣化等方面的快速發(fā)展，對反魚雷技術提出了更高要求[1-3]。反魚雷技術總體來說可以分為軟殺傷和硬殺傷兩大類型，其中軟殺傷是通過利用噪聲或信號發(fā)生器來偽裝艦艇，對魚雷進行干擾和誘導，而硬殺傷則是用硬手段直接摧毀來襲魚雷。

近年來，隨著水下等離子體強聲技術[4]的突破性進展以及其在管道除垢、污水處理、海洋地質勘探、水下目標探測[5]等領域取得的顯著成果和成功應用，采用水下等離子體強聲脈沖來干擾魚雷自導接收系統(tǒng)，直至使其自導接收系統(tǒng)阻塞致盲，達到壓制效果，是一種比較有效和可行的方法。

魚雷自導接收系統(tǒng)接收到的聲壓信號要先經(jīng)過換能器的轉換，然后再到達接收機預處理電路進行放大、濾波等后續(xù)處理。由于傳播后的強聲直接作用在聲換能器上，因此要研究強聲脈沖對自導接收機的干擾壓制影響，首先應當研究對換能器的影響，再研究對接收機預處理系統(tǒng)的影響。

本文分析了某型魚雷自導接收機電路原理，建立了基于Multisim軟件的水聲換能器和接收機預處理的電路仿真模型，使用湖試采集的強聲脈沖數(shù)據(jù)作為輸入，仿真分析了強聲脈沖對接收機的干擾壓制特性。研究成果對水下等離子體超寬帶脈沖的工程應用具有重要的參考價值，同時，對研究魚雷接收機系統(tǒng)的抗干擾特性具有一定的借鑒價值。

1 水下等離子體強聲脈沖產(chǎn)生系統(tǒng)概述

前蘇聯(lián)科學家尤特金于1955年提出的“液電效應”[6]是水下等離子體技術的提出和發(fā)展的重要理論支撐。尤特金提出的“液電效應”其工作原理是利用電容器儲能并通過置于流體介質中的放電電極在特別短的時間內來快速地產(chǎn)生脈沖放電，在放電的過程中，會將流體介質迅速氣化，同時產(chǎn)生高溫高壓的等離子體，進而在流體介質中產(chǎn)生巨大的沖擊波并釋放出強烈的熱、光、聲輻射的現(xiàn)象。水下等離子體產(chǎn)生的脈沖聲波具有輸出功率大、聲源級高、頻譜范圍寬、可聚焦、作用距離遠、易控制等多種優(yōu)點。

在實驗室中，產(chǎn)生等離子體的方法和途徑有很多，如氣體放電、激光壓縮、射線輻照及熱電離等，但最常見、最主要的還是氣體放電法[7]。根據(jù)“液電效應”理論，要產(chǎn)生水下等離子體，繼而產(chǎn)生強聲脈沖，聲源必須具備以下幾個條件：

1)有儲能單元，可以把外界供給的能量(主要是電能)儲存起來；

2)為了提高瞬時放電功率，需要儲能單元存儲足夠高的能量，同時體積盡可能地小，也就是要求儲能密度高；

3)有能隔離充電電路和放電電路的部件，并在需要時可通過觸發(fā)器導通放電電路，其導通電阻和寄生電感應足夠??；

4)放電電極的設計，要使兩電極間形成足夠不均勻的電場，以便形成“液電效應”。

根據(jù)以上幾點要求，水下等離子體強聲源應由6個部分所組成，即高壓發(fā)生器、控制器、儲能單元、觸發(fā)電路、觸發(fā)電極和放電電極，其基本結構如圖1所示。

圖1 水下等離子體強聲源基本結構

2 水聲換能器的等效電路建模及仿真

水下聲信號在發(fā)射聲信號和接收聲信號時普遍使用的是水聲換能器，水聲換能器可以把水下聲信號和電信號相互轉換。在海水下傳遞消息時，在發(fā)射端是將電信號轉變?yōu)樗侣曅盘柡笤賹⑾髦聊康牡?，而在接收端正好相反，是把接收的水下聲信號轉變?yōu)殡娦盘柡笤龠M行處理。

水聲換能器的性能會直接影響到強聲脈沖信號對接收機預處理電路的壓制干擾特性。為了建立數(shù)據(jù)匹配的水聲換能器，以及研究分析水聲換能器的性能，通常需要測量建立水聲換能器的等效電路模型來進行仿真分析研究。本文為了建立數(shù)據(jù)匹配的水聲換能器等效電路，通過研究分析后根據(jù)導納圓圖法[8]得到換能器的等效電路。

通過分析，使用電路仿真軟件Multisim對得到的水聲換能器的等效電路進行仿真，分析水聲換能器的等效電路在強聲脈沖下的響應特性。仿真電路如圖2所示，其中V1為分段線性電壓源，XSC1為雙通道示波器。

圖2 水聲換能器仿真等效電路

實際情況中某型自導接收換能器的接收靈敏度在-188～-180 dB之間，此處假設為-180 dB，仿真計算換能器等效電路在200 m距離的強聲脈沖下的輸出時域波形如圖3所示，將此波形作為換能器等效電路的輸入，得到換能器在200 m距離的強聲脈沖下的響應波形如圖4所示。

圖3 水聲換能器等效電路的輸入波形

圖4 水聲換能器等效電路的響應波形

由圖4可以看出，單個強聲脈沖作用在換能器后使換能器產(chǎn)生了一定持續(xù)時間的振蕩，振蕩持續(xù)了約30 ms的時間，特別是在強聲脈沖的附近振蕩幅度較大。由于自導系統(tǒng)的接收換能器的接收靈敏度比一般的水聲換能器高，因此可推測自導系統(tǒng)的接收換能器在強聲脈沖的干擾下會產(chǎn)生振蕩，且幅值較大。

3 接收機預處理等效電路建模

在水下實際的環(huán)境中，接收機預處理電路系統(tǒng)把水聲換能器接收到的水聲信號進行濾波放大，水聲換能器的輸出是模擬的電壓信號，因此預處理電路也是先把模擬電壓信號進行濾波放大，再利用接收機預處理后續(xù)電路對電壓信號進行數(shù)據(jù)處理分析。

在本文中，為了使強聲脈沖對接收機的影響研究更貼近實際產(chǎn)品，參考某國某型自導接收機預處理系統(tǒng)，第一級濾波放大使用選頻濾波，使用電容電感形成串聯(lián)諧振進行選頻，并使用共射級放大。共射級電路既有電壓增益又有電流增益，但作為電壓或是電流放大器，它的輸入和輸出電阻并不理想，即在電壓放大時，輸入電阻不夠大且輸出電阻又不夠?。欢鳛殡娏鞣糯髸r，則輸入電阻又不夠小且輸出電阻又不夠大。第二級和第三級也選用共射電級放大，第三級后面是一個選頻網(wǎng)絡，第四級是共集電級放大，共集電級的輸入電阻大而輸出電阻小，故接近理想電壓放大器，但電壓放大倍數(shù)卻小于(接近)1，因此，共集電路在此作為多級放大器的輸入輸出級，實現(xiàn)阻抗變換，即將高阻的輸入電壓幾乎不衰減地變換為低阻電壓源，或將低阻負載變換為高阻負載，從而有利于電壓的放大傳輸。每一級電路的輸入端都并聯(lián)了兩個開關二極管來限幅。對于后續(xù)處理電路[9-10]，本論文將不做介紹。因為強聲脈沖對接收機的影響主要是在預處理電路初級。

建立的接收機預處理仿真等效電路模型如圖5所示。

圖5 接收機預處理仿真等效電路

用Mulitisim的波特儀分析接收機預處理仿真等效電路的頻率響應如圖6所示。

圖6 接收機預處理等效電路的幅頻響應

可以看出等效電路在30 kHz的頻率響應最大，故在輸入端加入一個30 kHz、100 mVpp的信號，如圖7所示。分析接收機在正常情況下的輸出，如圖7所示。

圖7 接收機預處理等效電路的輸出

從圖7中可以看出，輸入信號經(jīng)過接收機預處理等效電路的第一級濾波放大了5倍，而經(jīng)過前兩級總共放大了10倍，經(jīng)過三級總共放大了75倍，經(jīng)過200 μs的時間后，電路基本進入穩(wěn)定工作狀態(tài)，增益保持穩(wěn)定。

4 強聲脈沖對接收機預處理的干擾壓制特性的仿真

本文中，用來進行仿真研究的實驗數(shù)據(jù)是一個通過湖試采集的單頻水下強聲脈沖[5]，在采集的湖試原始數(shù)據(jù)基礎上，充分考慮原始數(shù)據(jù)的有效性及分布的情況下，以及鑒于本文的研究重點和目的，基于UWB脈沖的峰值頻率設計[11-13]，在有效保留強聲脈沖峰值數(shù)據(jù)的前提下，假設強聲脈沖的其余數(shù)據(jù)都為零，使用Matlab軟件通過編碼重新整合原始的湖試數(shù)據(jù)，得到了用于本文仿真分析的強聲脈沖。

根據(jù)上一節(jié)建立的接收機預處理等效電路模型，利用仿真軟件Multisim，本文仿真研究了強聲脈沖在距離聲源100 m、200 m、500 m、1 000 m、2 000 m、3 000 m、5 000 m時對接收機預處理等效電路的干擾壓制特性。

如圖8所示，仿真研究了強聲脈沖在距離聲源100 m時對接收機預處理電路的各級電路的干擾壓制特性。

圖8 接收機預處理電路的各級電路的輸出

由圖8可以看出，接收機預處理電路的各級電路在距離聲源100 m的強聲脈沖的作用下均產(chǎn)生了不同幅度的振蕩波形，從第一級到第三級，電路的振蕩峰值變化不大(原因是該接收機每一級均使用二極管輸入限幅保護電路)，振蕩波形卻逐漸減小。

如圖9所示，仿真研究了強聲脈沖在距離聲源100 m距離處對接收機預處理電路的最后一級電路的干擾壓制特性。

圖9 接收機預處理電路在100 m處的最后一級的輸出

由圖9可以看出，接收機預處理電路在距離聲源100 m距離處的強聲脈沖作用下，產(chǎn)生了振蕩波形，振蕩幅度接近3 000 mV，可以看出接收機預處理電路處于非正常狀態(tài)，強聲脈沖對接收機預處理電路的干擾和壓制效果明顯。

如圖10所示，仿真研究了強聲脈沖在距離聲源200 m距離處對接收機預處理電路的最后一級電路的干擾壓制特性。

圖10 接收機預處理電路在200 m處的最后一級的輸出

由圖10可看出，接收機預處理電路在距離聲源200 m距離處的強聲脈沖作用下，產(chǎn)生了振蕩波形，振蕩幅度超過2 000 mV，可以看出接收機預處理電路處于非正常狀態(tài)，強聲脈沖對接收機預處理電路的干擾和壓制效果明顯。

如圖11所示，仿真研究了強聲脈沖在距離聲源500 m距離處對接收機預處理電路的最后一級電路的干擾壓制特性。

圖11 接收機預處理電路在500 m處的最后一級的輸出

由圖11可看出，接收機預處理電路在距離聲源500 m距離處的強聲脈沖作用下，產(chǎn)生了振蕩波形，振蕩幅度達到1 000 mV，可以看出接收機預處理電路處于非正常狀態(tài)，強聲脈沖對接收機預處理電路產(chǎn)生干擾和壓制。

如圖12所示，仿真研究了強聲脈沖在距離聲源1 000 m距離處對接收機預處理電路的最后一級電路的干擾壓制特性。

圖12 接收機預處理電路在1 000 m處的最后一級的輸出

由圖12可以看出，接收機預處理電路在距離聲源1 000 m距離處的強聲脈沖作用下，產(chǎn)生了振蕩波形，振蕩幅度在800 mV左右，振蕩幅度隨著強聲脈沖的作用距離增大而減小減緩，但強聲脈沖仍對接收機預處理電路產(chǎn)生干擾和壓制。

如圖13所示，仿真研究了強聲脈沖在距離聲源2 000 m距離處對接收機預處理電路的最后一級電路的干擾壓制特性。

圖13 接收機預處理電路在2 000 m處的最后一級的輸出

由圖13可看出，接收機預處理電路在距離聲源2 000 m距離處的強聲脈沖作用下，產(chǎn)生了振蕩波形，振蕩幅度在800 mV左右，與距離聲源1 000 m接收機預處理電路產(chǎn)生的振蕩變化不大，可以認為此時強聲脈沖因距離的變化對接收機預處理電路的干擾和壓制作用變化不大。

如圖14所示，仿真研究了強聲脈沖在距離聲源3 000 m距離處對接收機預處理電路的最后一級電路的干擾壓制特性。

圖14 接收機預處理電路在3 000 m處的最后一級的輸出

由圖14可看出，接收機預處理電路在距離聲源3 000 m距離處的強聲脈沖作用下，產(chǎn)生了振蕩波形，振蕩幅度大幅度減小至400 mV左右，可以認為此時強聲脈沖對接收機預處理電路的干擾和壓制很微弱。

如圖15所示，仿真研究了強聲脈沖在距離聲源5 000 m距離處對接收機預處理電路的最后一級電路的干擾壓制特性。

圖15 接收機預處理電路在5 000 m處的最后一級的輸出

由圖15可看出，接收機預處理電路在距離聲源5 000 m距離處的強聲脈沖作用下，產(chǎn)生的振蕩幅度在200 mV左右，此時強聲脈沖對接收機預處理電路的干擾和壓制已經(jīng)非常微弱。

綜上所述，接收機預處理電路在不同距離的強聲脈沖作用下，產(chǎn)生了不同幅度的振蕩，從圖9～圖13中可以明顯看出，強聲脈沖在距離聲源小于2 000 mV時對接收機預處理電路產(chǎn)生了振蕩波形，可以認為在這種情況下，接收機預處理電路處于非正常狀態(tài)下工作，強聲脈沖的干擾和壓制效果明顯；從3 000 m和5 000 m的仿真結果可以看出，電路的振蕩幅度小于400 mV，可以認為此時強聲脈沖對電路的壓制作用已經(jīng)很微弱，但還是有一定干擾效果。

5 結束語

本文建立了換能器和接收機預處理電路的仿真模型，通過仿真分析，主要研究了強聲脈沖對接收機預處理的干擾壓制特性。本文中，對水下強聲脈沖對魚雷自導接收系統(tǒng)干擾壓制進行分析建模，利用仿真軟件Multisim對強聲脈沖在不同距離處對接收機預處理的干擾壓制特性進行了仿真研究。研究表明，接收機預處理電路在不同距離的強聲脈沖作用下，產(chǎn)生了不同幅度的振蕩，可以認為在這種情況下，接收機預處理電路處于非正常狀態(tài)下工作，干擾和壓制效果明顯。而當強聲脈沖在距離聲源3 000 m后對接收機預處理電路進行干擾壓制時，電路的振蕩幅度小于400 mV，可以認為此時強聲脈沖對電路的壓制作用微弱，但還有一定的干擾效果。

從本文的研究可以看出，水下定向強聲脈沖技術利用水下等離子體放電產(chǎn)生強聲脈沖，通過聚焦在一定方向上可以形成高功率的聲波脈沖，這種直接能量技術作為一種有效的硬殺傷手段可以大大提高艦艇防御能力；同時，在聲波的強度尚達不到硬殺傷效果時，又可成為一個強的水聲干擾源。利用該技術研制的強聲壓制器具有大功率寬頻帶的特點，通過發(fā)射這種大功率寬帶噪聲來阻塞自導魚雷的接收機，從而達到使聲自導系統(tǒng)致盲的效果，該技術是今后水下防御的發(fā)展方向之一。

本文研究成果對水下強聲脈沖的工程應用具有重要的參考價值，同時，對研究魚雷接收機系統(tǒng)的抗干擾特性具有一定的借鑒價值。