魚雷主動超聲非觸發引信抗水中爆炸干擾研究＊

陳 喜 周 琨

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

1 引言

魚雷主動超聲非觸發引信工作機理是：聲引信裝置向海水介質發射特定的聲波脈沖，經海水介質的傳播，由接收機接收來自目標反射回來的聲信號，經過對接收信號的處理，判斷是否為真實目標；符合判斷標準的信號認為是真實目標，否則為干擾信號，從而決定是否引爆裝藥?，F代魚雷通常都配置具有信息融合的主動聲、電磁復合引信［1］。魚雷主動超聲非觸發引信的設計需考慮多項性能指標［2］，其中抗干擾能力是引信設計中一個重要指標，其性能的優劣直接維系著魚雷的安全性、可靠性與戰斗使命的完成。

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

s（t）涵復三層含義：1）目標反射回波，攜帶著有關目標的所有信息，是檢測目標和目標參數估計的全部依據；2）人工干擾，如對抗器材干擾與單個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相類似信息；3）針對反艦聲引信而言，在大于3級海況，海面波浪的反射（自然干擾）同樣也攜帶著與目標相關的信息。

nr（t）表示混響與尾流散射干擾。

n（t）主要包括海洋環境自然噪聲、魚雷螺旋槳噪聲以及艦艇噪聲。接收樣本信號r（t）如圖1。從圖中可看出，單個或系列爆炸干擾信號屬于s（t）范疇與目標回波信號有許多相似之處，僅從時域尋找兩者信號不同的特征量非常困難，需從時域與頻域中共同解決。

圖1 聲引信接收機接收樣本信號原理框圖

2 水中爆炸干擾成因分析與抗干擾措施

研究發現，含能材料水中爆炸，存在著爆炸相似律。水中爆炸所產生的聲波，具有頻譜寬、能量大的特點［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程中下降很快，迅速衰減成強聲波。應用爆炸相似律，可以用模擬試驗的方法獲取水下爆炸的最大壓力、聲能譜等［5～6］，從時域與頻域兩方面考慮水下爆炸的聲學模型。

2.1 水中爆炸時域特性分析

水中爆炸所產生的聲脈沖波是一個高功率的聲源，同時又是一個無指向性聲源［4］，對于魚雷主動超聲非觸發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。當聲源發射出聲波以后，碰到這些散射體就會產生所謂散射作用，即把一部分入射聲能向空間再輻射，改變原來入射的路徑，形成不同于原來傳播方向的各個方向上的散射波。散射體產生的散射聲波先后在接收機上疊加，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引信發射聲波能量無關，但其機理與混響相同，其表達式為：

上式各項的物理意義如下：

TL1＝20lgr，為單程球面擴展損失；

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為對數吸收系數，表示每傳播單位距離聲強衰減αdB，單位為dB／km。α與β有如下關系：

需對式（2）進行三點詮釋：1）水中爆炸聲的聲源級，其量級高達200dB；2）空間混響體積脈沖寬度τ為水中爆炸聲的持續時間，5kg左右的TNT持續時間約為2ms［4］；3）對于水中爆炸聲所引起混響干擾抵達主動超聲非觸發引信則是按單程傳播損失計算。

克服此類混響干擾亦可采用當聲非觸發引信接收機接收到爆炸波信號起始時，在時間t＝（2－3）τ內阻斷接收通道［9］；τ為水中爆炸聲的持續時間，取（2～3）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／潛艇對來襲魚雷實施深水炸彈爆炸干擾時，一般選擇魚雷距攻擊目標大于1000m，由此可見聲引信在魚雷航行0.8m內阻斷聲非觸發引信接收通道并不影響魚雷作戰效能。

2.2 水中爆炸頻域特性分析

水中爆炸產生出的聲波頻譜很寬，復蓋聲引信頻段。文獻［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，同時沖擊波和氣泡脈動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。魚雷主動超聲非觸發引信工作頻段為高頻，因此僅考慮水中爆炸沖擊波時，對于一個峰值壓力為p0，時間常數為t0的指數脈沖，其能流譜密度可由傅里葉分析得出：

式中，p0為沖擊波初始時的最大壓強；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具有較寬的頻譜范圍，且聲源級較高。利用此特征，主動超聲非觸發引信在接收裝置可采用工作和保護兩個通道，工作通道接收和處理目標艦／潛艇反射的回波信號，當存在單個或系列水中爆炸干擾時，工作通道同樣接收與回波信號相似爆炸干擾信號，但是主動超聲非觸發引信是否發出起爆指令還需觀察保護通道工作狀況，如果保護通道也收到爆炸干擾信號，則阻斷起爆指令的發出，從而避免魚雷主動超聲非觸發引信誤動。

保護通道的工作頻率的選取應低于或高于工作通道的工作頻率，即f1＝f0±Δf，f1為保護通道的工作頻率（kHz），f0為工作通道工作頻率?？紤]到聲非觸發引信換能器的接收響應特性，選取Δf＝100kHz。采用兩個保護通道措施可進一步提高主動超聲非觸發引信抗水中爆炸干擾的能力。

3 抗水中爆炸干擾電路設計與試驗

從電路形式與工作原理上看，聲引信系統與魚雷聲自導系統相類似。也是由發射機、接收機與指令電路三大部分組成。聲引信電路設計原則是：簡單可靠，很復雜的技術設計一般不采用［2］。

3.1 抗水中爆炸干擾電路設計

主動超聲非觸發引信電路框圖如圖2，其工作原理為：在無單個或系列爆炸干擾時（正常狀態），主動超聲非觸發引信換能器接收來自目標反射回波信號s（t），海洋背景噪聲與魚雷自噪聲信號n（t），由主動超聲非觸發引信發射聲信號而引起的混響信號nr（t）。克服n（t）與nr（t）信號干擾在文獻［9］已詳解，本文不再贅述。s（t）信號（其工作頻率與發射頻率f0相等）經前置放大、工作通道（經檢波、積分后變為直流脈沖信號）送至數字邏輯判別電路進行數字邏輯綜合判別后，饋入信號保持與繼電器組件電路、從而啟動爆發器引爆炸藥。

圖2 抗水中爆炸干擾電路框圖

當存在單個或系列爆炸干擾時（非正常狀態），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外，與工作通道頻率f0相差Δf＝100kHz（f1＝f0±Δf）的保護通道（兩個中其中一個即可）也收到爆炸干擾信號，此時封閉電路啟動，最終鎖閉爆發器電路，禁止引爆炸藥。封閉電路從啟動到結束約為20ms。封閉電路指令解除后，主動超聲非觸發引信又恢復到正常工作狀態。

此電路抗干擾的特點為：

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

2）封閉電路工作時間的確定：（1）按可能出現較大地水中爆炸持續時間固定設置；（2）也可由封閉電路從啟動到監測保護通道的輸出信號幅值低于某一門限值的時間確定。通常采用前者，而后者的使用則是考慮出現未預見的水中爆炸，而此時持續時間已超過固定設置時間，因此按實際持續時間對封閉電路進行啟閉。

3.2 抗水中爆炸干擾電路試驗

利用文獻［10］給出單枚深水炸彈爆炸形成的噪聲信號仿真的原理圖（如圖3）來構成水中爆炸信號產生電路。多枚深水炸彈連續爆炸形成的干擾信號是單枚爆炸干擾信號時間序列的線性疊加。

圖4為基于聲對接工作方式構成抗水中爆炸干擾電路海上試驗平臺，系統采用聲輸入工作方式，反潛工作方式需四個對接換能器，反艦工作方式僅需一個對接換能器。對接換能器通過模擬海水阻抗匹配材料，加之一定預應力與魚雷聲引信換能器準確機械耦合。其原理為：仿其系統人工設定炸藥類型、裝藥量、爆炸深度與海區條件等參數后，啟動系統，根椐以實采聲非觸發引信發射信號為同步信號，水中爆炸信號產生電路輸出含有設定信息的信號，傳送至對接換能器，通過模擬海水阻抗匹配材料饋入主動超聲非觸發引信換能器，從而驗證抗水中爆炸干擾電路設計的合理性。圖4中水中爆炸信號產生電路硬件平臺憶在文獻［3］進行詳解，本文不再贅述。表1設定裝藥量30kg，爆炸深度50m的抗水中爆炸干擾電路試驗結果。

圖3 水中爆炸信號仿真原理圖

圖4 抗水中爆炸干擾電路試驗平臺框圖

表1 抗水中爆炸干擾電路試驗結果

4 結語

主動超聲非觸發引信抗干擾性能是聲引信設計問題的關鍵；本文針對單個或系列水中爆炸干擾因素的分析；提出抗干擾措施；導出了魚雷主動超聲非觸發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）。通過基于聲對接工作方式構成抗水中爆炸干擾電路海上試驗平臺對聲引信抗水中爆炸干擾電路進行仿真試驗，其結果證明了抗水中爆炸干擾電路設計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驗室環境下調試成功，并通過相應的匹配試驗。值得一提的是聲引信電路安裝于魚雷還需考慮：1）電磁兼容問題；2）與魚雷總電路接口問題；3）聲引信電路結構與電源回路等一系列工程實施問題。另外，由于水中爆炸聲在海洋傳播存在諸多不確定因素，門限設置是否精確，誤差有多大，這些都需要在魚雷海上實航試驗中加以驗證。

［1］705所編譯.現代魚雷［M］.昆明：魚雷雜志社，1985

［2］蔣興舟.聲非觸發引信技術說明書［M］.武漢：海軍工程學院，1996

［3］陳喜，蔣濤.魚雷主動超聲引信陸上仿真方法研究及其實現［J］.魚雷技術，2008，16（5）：34～37

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