鱼雷主动超声非触发引信抗水中爆炸干扰研究＊

陈 喜 周 琨

（海军工程大学兵器工程系1） 武汉 430033）（武汉市长虹桥37-12） 武汉 430064）

1 引言

鱼雷主动超声非触发引信工作机理是：声引信装置向海水介质发射特定的声波脉冲，经海水介质的传播，由接收机接收来自目标反射回来的声信号，经过对接收信号的处理，判断是否为真实目标；符合判断标准的信号认为是真实目标，否则为干扰信号，从而决定是否引爆装药。现代鱼雷通常都配置具有信息融合的主动声、电磁复合引信［1］。鱼雷主动超声非触发引信的设计需考虑多项性能指标［2］，其中抗干扰能力是引信设计中一个重要指标，其性能的优劣直接维系着鱼雷的安全性、可靠性与战斗使命的完成。

通常主动超声非触发引信发射为单一正弦填充脉冲（CW 波）f（t），接收样本信号r（t）主要由目标回波s（t）、混响nr（t）和背景噪声n（t）三部分所组成［3］，即：

s（t）涵复三层含义：1）目标反射回波，携带着有关目标的所有信息，是检测目标和目标参数估计的全部依据；2）人工干扰，如对抗器材干扰与单个或系列爆炸声源的干扰，后者目前使用较广泛，此干扰也携带与目标相类似信息；3）针对反舰声引信而言，在大于3级海况，海面波浪的反射（自然干扰）同样也携带着与目标相关的信息。

nr（t）表示混响与尾流散射干扰。

n（t）主要包括海洋环境自然噪声、鱼雷螺旋桨噪声以及舰艇噪声。接收样本信号r（t）如图1。从图中可看出，单个或系列爆炸干扰信号属于s（t）范畴与目标回波信号有许多相似之处，仅从时域寻找两者信号不同的特征量非常困难，需从时域与频域中共同解决。

图1 声引信接收机接收样本信号原理框图

2 水中爆炸干扰成因分析与抗干扰措施

研究发现，含能材料水中爆炸，存在着爆炸相似律。水中爆炸所产生的声波，具有频谱宽、能量大的特点［4］。炸药在水中爆炸形成的冲击波波阵面压力和速度在水中传播过程中下降很快，迅速衰减成强声波。应用爆炸相似律，可以用模拟试验的方法获取水下爆炸的最大压力、声能谱等［5～6］，从时域与频域两方面考虑水下爆炸的声学模型。

2.1 水中爆炸时域特性分析

水中爆炸所产生的声脉冲波是一个高功率的声源，同时又是一个无指向性声源［4］，对于鱼雷主动超声非触发引信则归类于混响干扰，此类混响属体积混响。

混响干扰原本为一种背景干扰，由于海洋是非均匀的，海洋中存在着杂乱分布的散射体（海水中存在着大量的海洋生物、气泡和悬浮于海水中的泥沙等硬粒子）以及起伏不平的界面。当声源发射出声波以后，碰到这些散射体就会产生所谓散射作用，即把一部分入射声能向空间再辐射，改变原来入射的路径，形成不同于原来传播方向的各个方向上的散射波。散射体产生的散射声波先后在接收机上叠加，便造成了混响干扰［7～8］。水中爆炸声所引起混响尽管与声非触发引信发射声波能量无关，但其机理与混响相同，其表达式为：

上式各项的物理意义如下：

TL1＝20lgr，为单程球面扩展损失；

TL2＝20βrlge＝αr，为单程吸收损失。

式中，c为声速；r为距离；ψ为指向性立体角，α为对数吸收系数，表示每传播单位距离声强衰减αdB，单位为dB／km。α与β有如下关系：

需对式（2）进行三点诠释：1）水中爆炸声的声源级，其量级高达200dB；2）空间混响体积脉冲宽度τ为水中爆炸声的持续时间，5kg左右的TNT持续时间约为2ms［4］；3）对于水中爆炸声所引起混响干扰抵达主动超声非触发引信则是按单程传播损失计算。

克服此类混响干扰亦可采用当声非触发引信接收机接收到爆炸波信号起始时，在时间t＝（2－3）τ内阻断接收通道［9］；τ为水中爆炸声的持续时间，取（2～3）τ主要原因是尽可能地消除爆炸波引起的混响干扰。以τ＝20ms，鱼雷航速v＝40kn为例：鱼雷航行距离约为40ms×40kn＝0.82m。通常舰／潜艇对来袭鱼雷实施深水炸弹爆炸干扰时，一般选择鱼雷距攻击目标大于1000m，由此可见声引信在鱼雷航行0.8m内阻断声非触发引信接收通道并不影响鱼雷作战效能。

2.2 水中爆炸频域特性分析

水中爆炸产生出的声波频谱很宽，复盖声引信频段。文献［4］指出：爆炸声的频谱基本上是由冲击波的频谱和二次气泡脉动的频谱相加得到的，高频段主要由冲击波决定，而在低频段主要是由气泡膨胀决定，同时冲击波和气泡脉动相位存在一定的相干作用。

水中爆炸的能量分布在很宽的频带上，不同药量爆炸的能谱也不同。鱼雷主动超声非触发引信工作频段为高频，因此仅考虑水中爆炸冲击波时，对于一个峰值压力为p0，时间常数为t0的指数脉冲，其能流谱密度可由傅里叶分析得出：

式中，p0为冲击波初始时的最大压强；ρc为声特性阻抗；f为频率（Hz）。

由式（4）可得出水中爆炸其显著的特点具有较宽的频谱范围，且声源级较高。利用此特征，主动超声非触发引信在接收装置可采用工作和保护两个通道，工作通道接收和处理目标舰／潜艇反射的回波信号，当存在单个或系列水中爆炸干扰时，工作通道同样接收与回波信号相似爆炸干扰信号，但是主动超声非触发引信是否发出起爆指令还需观察保护通道工作状况，如果保护通道也收到爆炸干扰信号，则阻断起爆指令的发出，从而避免鱼雷主动超声非触发引信误动。

保护通道的工作频率的选取应低于或高于工作通道的工作频率，即f1＝f0±Δf，f1为保护通道的工作频率（kHz），f0为工作通道工作频率。考虑到声非触发引信换能器的接收响应特性，选取Δf＝100kHz。采用两个保护通道措施可进一步提高主动超声非触发引信抗水中爆炸干扰的能力。

3 抗水中爆炸干扰电路设计与试验

从电路形式与工作原理上看，声引信系统与鱼雷声自导系统相类似。也是由发射机、接收机与指令电路三大部分组成。声引信电路设计原则是：简单可靠，很复杂的技术设计一般不采用［2］。

3.1 抗水中爆炸干扰电路设计

主动超声非触发引信电路框图如图2，其工作原理为：在无单个或系列爆炸干扰时（正常状态），主动超声非触发引信换能器接收来自目标反射回波信号s（t），海洋背景噪声与鱼雷自噪声信号n（t），由主动超声非触发引信发射声信号而引起的混响信号nr（t）。克服n（t）与nr（t）信号干扰在文献［9］已详解，本文不再赘述。s（t）信号（其工作频率与发射频率f0相等）经前置放大、工作通道（经检波、积分后变为直流脉冲信号）送至数字逻辑判别电路进行数字逻辑综合判别后，馈入信号保持与继电器组件电路、从而启动爆发器引爆炸药。

图2 抗水中爆炸干扰电路框图

当存在单个或系列爆炸干扰时（非正常状态），由于爆炸干扰具有较宽的频谱范围，除工作通道收到爆炸干扰信号外，与工作通道频率f0相差Δf＝100kHz（f1＝f0±Δf）的保护通道（两个中其中一个即可）也收到爆炸干扰信号，此时封闭电路启动，最终锁闭爆发器电路，禁止引爆炸药。封闭电路从启动到结束约为20ms。封闭电路指令解除后，主动超声非触发引信又恢复到正常工作状态。

此电路抗干扰的特点为：

1）双保护通道设置可有效抗击单个或者是连续的水中爆炸干扰。保护通道若接收到信号（其接收信号频率高于或低于接收通道工作频率），则封闭电路启动，从而封锁继电器组件。

2）封闭电路工作时间的确定：（1）按可能出现较大地水中爆炸持续时间固定设置；（2）也可由封闭电路从启动到监测保护通道的输出信号幅值低于某一门限值的时间确定。通常采用前者，而后者的使用则是考虑出现未预见的水中爆炸，而此时持续时间已超过固定设置时间，因此按实际持续时间对封闭电路进行启闭。

3.2 抗水中爆炸干扰电路试验

利用文献［10］给出单枚深水炸弹爆炸形成的噪声信号仿真的原理图（如图3）来构成水中爆炸信号产生电路。多枚深水炸弹连续爆炸形成的干扰信号是单枚爆炸干扰信号时间序列的线性叠加。

图4为基于声对接工作方式构成抗水中爆炸干扰电路海上试验平台，系统采用声输入工作方式，反潜工作方式需四个对接换能器，反舰工作方式仅需一个对接换能器。对接换能器通过模拟海水阻抗匹配材料，加之一定预应力与鱼雷声引信换能器准确机械耦合。其原理为：仿其系统人工设定炸药类型、装药量、爆炸深度与海区条件等参数后，启动系统，根椐以实采声非触发引信发射信号为同步信号，水中爆炸信号产生电路输出含有设定信息的信号，传送至对接换能器，通过模拟海水阻抗匹配材料馈入主动超声非触发引信换能器，从而验证抗水中爆炸干扰电路设计的合理性。图4中水中爆炸信号产生电路硬件平台忆在文献［3］进行详解，本文不再赘述。表1设定装药量30kg，爆炸深度50m的抗水中爆炸干扰电路试验结果。

图3 水中爆炸信号仿真原理图

图4 抗水中爆炸干扰电路试验平台框图

表1 抗水中爆炸干扰电路试验结果

4 结语

主动超声非触发引信抗干扰性能是声引信设计问题的关键；本文针对单个或系列水中爆炸干扰因素的分析；提出抗干扰措施；导出了鱼雷主动超声非触发引信抗水中爆炸干扰电路框图（限于篇幅有限，具体线路未展开讨论）。通过基于声对接工作方式构成抗水中爆炸干扰电路海上试验平台对声引信抗水中爆炸干扰电路进行仿真试验，其结果证明了抗水中爆炸干扰电路设计的正确性和仿真方法的有效性。

抗水中爆炸干扰电路己在实验室环境下调试成功，并通过相应的匹配试验。值得一提的是声引信电路安装于鱼雷还需考虑：1）电磁兼容问题；2）与鱼雷总电路接口问题；3）声引信电路结构与电源回路等一系列工程实施问题。另外，由于水中爆炸声在海洋传播存在诸多不确定因素，门限设置是否精确，误差有多大，这些都需要在鱼雷海上实航试验中加以验证。

［1］705所编译.现代鱼雷［M］.昆明：鱼雷杂志社，1985

［2］蒋兴舟.声非触发引信技术说明书［M］.武汉：海军工程学院，1996

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