潛艇魚(yú)雷武器通道檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王新華，高洪林，李偉

（海軍潛艇學(xué)院，山東青島 266071）

0 引言

各型潛艇魚(yú)雷武器系統(tǒng)維修后，在實(shí)際發(fā)射魚(yú)雷武器前，為了檢測(cè)信息通道的通斷情況和系統(tǒng)中各設(shè)備的工作性能，往往需要裝載不同型號(hào)的魚(yú)雷武器配合調(diào)試檢測(cè)，其系統(tǒng)連接示意如圖1所示。

圖1 通道檢測(cè)連接示意圖Fig．1Schematic diagram of the channel test connection

魚(yú)雷發(fā)控設(shè)備通過(guò)××芯電設(shè)定電纜與魚(yú)雷相連，電設(shè)定信號(hào)需經(jīng)過(guò)該電纜由管外傳輸?shù)焦軆?nèi)魚(yú)雷中，控制線(xiàn)導(dǎo)魚(yú)雷時(shí)還需要利用線(xiàn)導(dǎo)通信電纜傳遞遙控遙測(cè)信號(hào)。為了保證通道聯(lián)調(diào)檢測(cè)的正常進(jìn)行，必須在管內(nèi)（或備用架上）裝載相應(yīng)的魚(yú)雷武器，這給使用帶來(lái)很大困難，同時(shí)如果魚(yú)雷準(zhǔn)備異?；蛳到y(tǒng)的某一設(shè)備異常都可能釀成不可挽回的聯(lián)調(diào)事故。

為了在無(wú)雷條件下進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，避免聯(lián)調(diào)事故的發(fā)生和簡(jiǎn)化聯(lián)調(diào)程序，現(xiàn)提出通用型潛艇魚(yú)雷武器通道檢測(cè)裝置，并進(jìn)行了原理樣機(jī)的設(shè)計(jì)。

1 聯(lián)調(diào)檢測(cè)原理

1.1 電設(shè)定通道性能檢測(cè)原理

電設(shè)定通道性能調(diào)試主要涉及的設(shè)備包括指控設(shè)備、魚(yú)雷發(fā)控設(shè)備和通道轉(zhuǎn)接設(shè)備等。聯(lián)調(diào)檢測(cè)時(shí)由指控設(shè)備發(fā)送魚(yú)雷數(shù)據(jù)和命令，經(jīng)過(guò)魚(yú)雷發(fā)控設(shè)備和信息轉(zhuǎn)接，通過(guò)××芯電纜傳遞給魚(yú)雷，在魚(yú)雷專(zhuān)用電源供電正常的情況下，如果系統(tǒng)通道正常，且各設(shè)備工作狀態(tài)正常，則魚(yú)雷的返回?cái)?shù)據(jù)和命令均正常，否則調(diào)試過(guò)程不能正常進(jìn)行，這時(shí)可根據(jù)具體現(xiàn)象分析原因。

1.2 線(xiàn)導(dǎo)魚(yú)雷遙控遙測(cè)通道性能檢測(cè)原理

線(xiàn)導(dǎo)通道性能調(diào)試主要涉及的設(shè)備包括指控設(shè)備、調(diào)制解調(diào)裝置、魚(yú)雷發(fā)控設(shè)備、信息通道轉(zhuǎn)接設(shè)備等。在電設(shè)定通道正常的情況下，檢測(cè)時(shí)由指控設(shè)備發(fā)送魚(yú)雷數(shù)據(jù)和命令，遙控?cái)?shù)據(jù)和遙控命令經(jīng)過(guò)調(diào)制解調(diào)裝置的調(diào)制后，經(jīng)過(guò)信息轉(zhuǎn)接設(shè)備的轉(zhuǎn)接，通過(guò)線(xiàn)導(dǎo)通信電纜傳遞給魚(yú)雷，如果整個(gè)系統(tǒng)工作正常且電設(shè)定通道工作正常，則魚(yú)雷返回的遙測(cè)數(shù)據(jù)和魚(yú)雷狀態(tài)信息均正常，否則調(diào)試過(guò)程不能正常進(jìn)行，這時(shí)可根據(jù)具體現(xiàn)象分析原因。

2 檢測(cè)方法改進(jìn)的必要性

由以上分析可知，潛艇魚(yú)雷武器通道的檢測(cè)區(qū)別于一般意義檢測(cè)的重要方面在于整個(gè)檢測(cè)過(guò)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)、在線(xiàn)檢測(cè)過(guò)程?，F(xiàn)有的系統(tǒng)聯(lián)調(diào)檢測(cè)時(shí)，魚(yú)雷的準(zhǔn)備情況及工作性能對(duì)檢測(cè)能否順利進(jìn)行具有重要影響，并且艇員所能見(jiàn)到的只是聯(lián)調(diào)檢測(cè)正?；虿徽?，而各個(gè)設(shè)備的詳細(xì)工作狀態(tài)和技術(shù)性能無(wú)法顯示。這給戰(zhàn)斗使用帶來(lái)很多安全隱患，如某支隊(duì)在進(jìn)行某型魚(yú)雷檢查時(shí)，將雷內(nèi)的線(xiàn)路板燒壞，而該武器系統(tǒng)在檢查其他魚(yú)雷時(shí)卻顯示正常，后來(lái)發(fā)現(xiàn)魚(yú)雷專(zhuān)用電源所供的標(biāo)稱(chēng)為27 V的電壓實(shí)際高出很多。

為了保證魚(yú)雷武器通道聯(lián)調(diào)檢測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性，以及檢測(cè)過(guò)程中的安全性，必須改變現(xiàn)有的聯(lián)調(diào)檢測(cè)模式。從安全方面考慮，可以改變實(shí)際魚(yú)雷參加調(diào)試的方法，利用自動(dòng)控制及計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，研制等效實(shí)際魚(yú)雷的裝置代替魚(yú)雷參加調(diào)試檢測(cè)，同時(shí)增加人機(jī)交換及信息顯示功能，使艇員在檢測(cè)調(diào)試時(shí)不僅知道結(jié)果，而且對(duì)檢測(cè)過(guò)程和各裝備的工作狀態(tài)有更深入的理解。

目前，魚(yú)雷武器系統(tǒng)維修后的通道聯(lián)調(diào)檢測(cè)方法不能滿(mǎn)足現(xiàn)代潛艇戰(zhàn)備保障的使用要求，研制魚(yú)雷武器通道檢測(cè)裝置代替實(shí)際魚(yú)雷，滿(mǎn)足通道聯(lián)調(diào)檢測(cè)的安全性和可靠性，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)檢測(cè)是目前部隊(duì)亟待解決的裝備難題。

3 檢測(cè)裝置研制涉及的主要技術(shù)

由上述分析可知，需要研制的可視化聯(lián)調(diào)檢測(cè)裝置，一方面能代替實(shí)際魚(yú)雷的工作流程，能同時(shí)檢測(cè)魚(yú)雷武器發(fā)控的設(shè)定通道和線(xiàn)導(dǎo)通道的通斷，同時(shí)能檢測(cè)發(fā)控設(shè)備對(duì)各型魚(yú)雷的供電、自檢、預(yù)設(shè)定、電池內(nèi)注液、轉(zhuǎn)雷內(nèi)供電等的執(zhí)行和反饋情況、線(xiàn)導(dǎo)魚(yú)雷的遙控命令執(zhí)行情況、遙測(cè)信息返回情況、魚(yú)雷專(zhuān)用電源的帶負(fù)載能力等。可視化通道檢測(cè)裝置研制涉及的主要技術(shù)有:

1）檢測(cè)線(xiàn)導(dǎo)遙控遙測(cè)通道的調(diào)制解調(diào)及通訊技術(shù);

2）檢測(cè)魚(yú)雷的供電、自檢、預(yù)設(shè)定、電池內(nèi)注液、轉(zhuǎn)雷內(nèi)供電等的執(zhí)行和反饋情況需要的RS232串行口通訊;

3）檢測(cè)專(zhuān)用電源帶負(fù)載能力的模擬負(fù)載及相應(yīng)的電流電壓檢測(cè)技術(shù);

4）保證艇載設(shè)備安全的信號(hào)隔離技術(shù)等。

3.1 調(diào)制解調(diào)及相關(guān)通訊技術(shù)

要完成線(xiàn)導(dǎo)通道聯(lián)調(diào)檢測(cè)，聯(lián)調(diào)檢測(cè)裝置必須具有與艇上線(xiàn)導(dǎo)調(diào)制解調(diào)裝置相協(xié)調(diào)的調(diào)制解調(diào)裝置及相關(guān)的監(jiān)測(cè)等通訊接口。

對(duì)線(xiàn)導(dǎo)通道的接口分析知，待研制的調(diào)制解調(diào)部分應(yīng)具有以下功能:

1）通過(guò)RS232串行口接收線(xiàn)導(dǎo)魚(yú)雷的發(fā)控命令及數(shù)據(jù)和設(shè)定信息，并發(fā)送檢測(cè)信息;

2）通過(guò)線(xiàn)導(dǎo)導(dǎo)線(xiàn)與艇上調(diào)制解調(diào)裝置通信，接收線(xiàn)導(dǎo)魚(yú)雷遙控命令及遙控?cái)?shù)據(jù)、發(fā)送遙測(cè)數(shù)據(jù)等。

實(shí)現(xiàn)調(diào)制解調(diào)裝置基本功用的途徑一是通過(guò)研究線(xiàn)導(dǎo)魚(yú)雷的調(diào)制解調(diào)裝置，根據(jù)其工作原理及主要技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)代替產(chǎn)品，二是分析研究艇上調(diào)制解調(diào)裝置的工作原理及主要技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)配套檢測(cè)調(diào)試設(shè)備。

由線(xiàn)導(dǎo)魚(yú)雷的相關(guān)資料可知線(xiàn)導(dǎo)魚(yú)雷調(diào)制解調(diào)裝置［1］的工作體制，調(diào)制方式、調(diào)制器和解調(diào)器中心頻率以及與指控設(shè)備通訊口信號(hào)傳輸速率等，本方案采用仿照雷上調(diào)制解調(diào)裝置研制等效調(diào)制解調(diào)裝置。

線(xiàn)導(dǎo)魚(yú)雷雷上調(diào)制解調(diào)裝置由通信處理機(jī)、功放及分路濾波器、線(xiàn)導(dǎo)電源等組成，功能是接收發(fā)射艇由線(xiàn)導(dǎo)導(dǎo)線(xiàn)傳輸至魚(yú)雷的自檢命令和遙控指令，經(jīng)分路濾波、AGC放大、解調(diào)和碼元同步后送至單片機(jī)進(jìn)行處理，并經(jīng)串行口送往控制系統(tǒng);同時(shí)，將控制系統(tǒng)送來(lái)的遙測(cè)信息加以調(diào)制、成形濾波、功率放大后經(jīng)同一根線(xiàn)導(dǎo)導(dǎo)線(xiàn)傳輸至發(fā)射艇。組成如圖2所示。

各組成部分的功能如下:

分路濾波器除參加信號(hào)提取外，還擔(dān)負(fù)阻擋發(fā)送模塊向線(xiàn)導(dǎo)導(dǎo)線(xiàn)上發(fā)射的近百伏峰峰值電壓。

2）接收濾波器

圖2 調(diào)制解調(diào)器裝置組成示意圖Fig．2Schematic diagram of the modem

2 塊MAX274組成了2個(gè)八階接收濾波器，這種濾波器性能穩(wěn)定，易于調(diào)試，另外每級(jí)八階濾波器設(shè)計(jì)具有6 dB的增益。提高了接收靈敏度。

3）AGC放大電路

由于本裝置的輸入信號(hào)在魚(yú)雷運(yùn)動(dòng)過(guò)程中變化較大，為使解碼電路穩(wěn)定工作，故用了AGC電路。若用分離元件的話(huà)，則AGC電路在選管、調(diào)試上都較困難，為此用VCA610AGC集成電路，該電路具有±40 dB的控制能力，且使用方便、穩(wěn)定。

4）解調(diào)及碼元同步電路

用于遙控命令及數(shù)據(jù)的解調(diào)及同步通訊。5）調(diào)制電路

①“綠色的馬克思”是一個(gè)生態(tài)主義的前衛(wèi)術(shù)語(yǔ)，引自孫文亮、李安增、鐵省林主編的《馬克思在21世紀(jì)——晚期馬克思主義的視角》，鳳凰出版?zhèn)髅郊瘓F(tuán)、江蘇人民出版社,2011.

用于遙測(cè)數(shù)據(jù)的調(diào)制及同步通訊。

6）有源濾波器

由于調(diào)制信號(hào)為脈沖信號(hào)，為壓縮傳遞信號(hào)的頻譜需輸出正弦波信號(hào)，為此用1塊MAX274組成1個(gè)四階濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)方波變正弦波的工作。

7）功放電路

用OPA541集成功放塊來(lái)完成。該集成塊工作范圍寬，輸出電流大（最大可達(dá)10A）能滿(mǎn)足需要。

3.2 多串口通訊技術(shù)

由魚(yú)雷發(fā)控設(shè)備與魚(yú)雷武器接口分析可知，輔助調(diào)試設(shè)備除應(yīng)具有負(fù)載電流、電壓接口外，還有供設(shè)定數(shù)據(jù)傳輸?shù)腞S232串行通訊口。同時(shí)，輔助調(diào)試設(shè)備為了進(jìn)行用戶(hù)界面友好設(shè)計(jì)，要加裝信號(hào)監(jiān)測(cè)口等。在微機(jī)外設(shè)中，RS232串行口是應(yīng)用最為廣泛的I/O通道之一，串行線(xiàn)路上的數(shù)據(jù)是一次一位地發(fā)送或接收，數(shù)據(jù)字節(jié)的間隔是任意長(zhǎng)短的，雖然有如各數(shù)據(jù)位的間隔必須精確定時(shí)、通信速率無(wú)法同并行通信相比等不足。但大多數(shù)外設(shè)都提供了串行接口，尤其在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)RS232C的應(yīng)用更為常見(jiàn)。IBMPC及兼容機(jī)系列都有RS232的適配器，操作系統(tǒng)也提供了編程接口［2］。所以，多個(gè)RS232串口通訊實(shí)現(xiàn)輔助設(shè)備與發(fā)控設(shè)備、監(jiān)測(cè)設(shè)備通訊等是理想選擇。

3.3 傳感器及檢測(cè)技術(shù)

從現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)看［3］，內(nèi)裝自測(cè)試及測(cè)試自動(dòng)化、智能化是其主要方向。在輔助設(shè)備的研制中，可以利用一種新的電壓電流組合傳感器［4］實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓電流的實(shí)時(shí)檢測(cè)，新型電壓電流傳感器是一種采用Rogowski線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)的電流電壓傳感器，重量輕，且無(wú)磁飽和現(xiàn)象，在很寬的頻帶（0.1 Hz～1 MHz）內(nèi)都有很好的線(xiàn)性度［5－6］，組合式傳感器中的電壓傳感器以電容環(huán)為高壓臂電容作成阻容分壓器，可大幅減小體積、重量，還可消除傳統(tǒng)的電壓互感器PT固有的鐵磁諧振問(wèn)題。根據(jù)這2種傳感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可將它們做成組合式傳感器（見(jiàn)圖3）

圖3 組合式傳感器組成示意圖Fig．3Schematic diagram of the combinatorial sensor

圖3中高壓導(dǎo)體通過(guò)電流時(shí)，在Rogowski線(xiàn)圈兩端感生出電動(dòng)勢(shì)，經(jīng)信號(hào)線(xiàn)引出至信號(hào)處理盒內(nèi);取導(dǎo)體環(huán)與高壓側(cè)導(dǎo)體之間的分布電容為高壓臂電容，再串聯(lián)一取信號(hào)電阻Rd，其上的電壓信號(hào)經(jīng)電纜線(xiàn)傳送至信號(hào)處理盒內(nèi)，經(jīng)其輸出端子輸出。信號(hào)處理盒內(nèi)裝有對(duì)2路信號(hào)進(jìn)行積分等處理的電子線(xiàn)路，電源由接線(xiàn)端子引入。

3.4 信號(hào)隔離技術(shù)

檢測(cè)裝置與魚(yú)雷武器發(fā)射控制設(shè)備配合聯(lián)調(diào)檢測(cè)時(shí)，經(jīng)過(guò)該裝置的既有大電流（如某型魚(yú)雷提前啟動(dòng)時(shí)電流為25 A左右）、高電壓，又有調(diào)制解調(diào)信號(hào)和多個(gè)RS232串行口通信信號(hào)，為避免信號(hào)間相互干擾，必須采取相應(yīng)的信號(hào)隔離技術(shù)。光電隔離技術(shù)［7－9］在可行性、可靠性等方面均符合要求。

4 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

4.1 軟硬件設(shè)計(jì)

針對(duì)上述分析和滿(mǎn)足現(xiàn)代潛艇戰(zhàn)備保障的使用要求，研究設(shè)計(jì)了潛艇魚(yú)雷武器通道檢測(cè)裝置。

該裝置主要由工控計(jì)算機(jī)、等效負(fù)載及其控制、測(cè)量部分、線(xiàn)導(dǎo)調(diào)制解調(diào)裝置等部分組成，其原理如圖4所示。

圖4 通道檢測(cè)裝置組成Fig．4Schematic diagram of the channel testing devices

其中，線(xiàn)導(dǎo)調(diào)制解調(diào)裝置與艇上調(diào)制解調(diào)器配合，接收并解調(diào)指控設(shè)備發(fā)送給魚(yú)雷的遙控?cái)?shù)據(jù)和遙控命令，調(diào)制并發(fā)送遙測(cè)數(shù)據(jù)和魚(yú)雷狀態(tài)信息，軟件模塊組成如圖5所示。

圖5 調(diào)制解調(diào)裝置軟件組成Fig．5Software form of the modem

等效負(fù)載及其控制、測(cè)量部分用來(lái)模擬所要等效的各雷種的不同負(fù)載，并在檢測(cè)調(diào)試過(guò)程顯示通過(guò)各負(fù)載的電流及端部電壓，進(jìn)而分析魚(yú)雷專(zhuān)用電源的供電邏輯和電源參數(shù)的準(zhǔn)確性。

工控計(jì)算機(jī)用于信號(hào)的集中統(tǒng)一處理，利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、圖形顯示、自動(dòng)控制等技術(shù)使該設(shè)備可以通過(guò)軟件選擇所要等效的魚(yú)雷種類(lèi)，同時(shí)顯示調(diào)試過(guò)程中接收到的命令和設(shè)定數(shù)據(jù)信息、命令執(zhí)行情況、命令及數(shù)據(jù)的返回情況、遙控命令及遙控?cái)?shù)據(jù)的接收和執(zhí)行情況、遙測(cè)數(shù)據(jù)的返回情況等，其軟件組成如圖6所示。

圖6 控制的計(jì)算機(jī)軟件組成Fig．6Software form of the controlling computer

該裝置在代替各種不同魚(yú)雷進(jìn)行魚(yú)雷武器系統(tǒng)聯(lián)調(diào)檢測(cè)時(shí)，不僅可以與實(shí)際魚(yú)雷一樣檢測(cè)系統(tǒng)的通斷、工作性能等，還將調(diào)試過(guò)程中的各種信息動(dòng)態(tài)顯示出來(lái)，保證了系統(tǒng)聯(lián)調(diào)檢測(cè)的準(zhǔn)確性、可靠性和安全性。

4.2 試驗(yàn)

根據(jù)上述軟硬件設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)的檢測(cè)裝置研制成功后，按照潛用武器裝備的使用要求，分別對(duì)2條檢修后的潛艇的魚(yú)雷武器系統(tǒng)進(jìn)行了檢測(cè)和配合調(diào)試。同時(shí)，按照有關(guān)要求對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了抗震性、電磁兼容性等相關(guān)試驗(yàn)，各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果表明，該設(shè)備達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求，可以滿(mǎn)足魚(yú)雷武器通道相關(guān)參數(shù)的檢測(cè)需要。

5 結(jié)語(yǔ)

潛艇魚(yú)雷武器通道檢測(cè)裝置采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、在線(xiàn)測(cè)量技術(shù)和信號(hào)隔離等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)主戰(zhàn)魚(yú)雷模擬負(fù)載的正確轉(zhuǎn)換和發(fā)控通道電參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量，以及模擬戰(zhàn)雷進(jìn)行遙控遙測(cè)的正確通信并適時(shí)顯示魚(yú)雷的平面彈道。解決了潛艇部隊(duì)在沒(méi)有戰(zhàn)雷的情況下進(jìn)行魚(yú)雷武器系統(tǒng)檢修后的系統(tǒng)聯(lián)調(diào)檢測(cè)困難的實(shí)際問(wèn)題，同時(shí)為維修技術(shù)人員提供了魚(yú)雷發(fā)控通道供電故障的快速定位和對(duì)發(fā)控裝備維修后進(jìn)行系統(tǒng)檢查的保障設(shè)備，滿(mǎn)足部隊(duì)使新裝備盡快形成戰(zhàn)斗力的需要，滿(mǎn)足裝備維修人員在艇上快速保障需要，為潛艇魚(yú)雷武器系統(tǒng)快速移動(dòng)保障奠定了基礎(chǔ)，具有重要的軍事意義。同時(shí)，該裝置可擴(kuò)充性強(qiáng)，克服了實(shí)裝武器參與檢測(cè)、訓(xùn)練不安全且需耗費(fèi)大量人力物力等缺點(diǎn)，具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

［1］周敏，宋明玉．某型魚(yú)雷培訓(xùn)資料［R］．系統(tǒng)工程部，2000．16－20．

［2］孔慶彥，王革非．最新串行通信接口程序設(shè)計(jì)［J］．哈爾濱師范大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào)，2003，19（5）:76－81．

［3］千難能．當(dāng)代測(cè)試技術(shù)［M］．上海:華東化工學(xué)院，1992．2－7．

［4］王鵬，羅承沐，李成榕，等．新型組合式電壓電流傳感器的研究［J］．高電壓技術(shù)，2002，28（Z1）:61－63．

［5］MAHONEN P．The Rogowski coil and the voltage divider in power system protection and monitoring［Z］．CIGRE'96， Paris，F(xiàn)rance:1996．

［6］SCHET G．The intelligent GIS:A fundamental change in the combination of primary and secondary equipment［A］．CIGRE 1996［C］．coil and the voltage divider in power system protectionandmonitoring．CIGRE'96，Paris，F(xiàn)rance:1996．

［7］王慶義，羅慧，劉杰，等．集成光電隔離驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)及應(yīng)用［J］．電力電子技術(shù)，2003，37（6）:47－49．

［8］華偉．IGBT驅(qū)動(dòng)及短路保護(hù)電路MS7959L研究［J］．電力電子技術(shù)，1998，32（1）:88－90．

［9］趙莉．IGBT驅(qū)動(dòng)電路的分析與設(shè)計(jì)［J］．南昌:華東交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，16（3）:39－46．