抑制尺度靶收发换能器边收边发干扰方法

赵龙龙

(1.中国人民解放军91388部队93分队， 广东 湛江 524022)



抑制尺度靶收发换能器边收边发干扰方法

赵龙龙

(1.中国人民解放军91388部队93分队， 广东 湛江 524022)

边收边发技术可以大大地减小转发信号的延时，提高靶标模拟的逼真度。在边收边发过程中，由于发射换能器和接收水听器同时工作，发射换能器转发信号时在发射换能器端面方向存在声串漏，容易给接收水听器造成干扰。为了解决发射换能器和接收水听器干扰的问题，提出了合理设计发射换能器和接收水听器指向性凹点，合理设计靶标换能器阵型结构和采用变门限检测等技术措施。仿真结果表明，提出的措施能够有效解决发射换能器对接收水听器的干扰问题。

靶标；边收边发；换能器；声串漏；声隔离

近年来，随着科学技术的迅猛发展，鱼雷与反鱼雷对抗技术在性能上不断提高，呈现此消彼长的发展态势，既互相压制对方又互相刺激对方发展。鱼雷正在向高速、远程、低噪声、威力大、智能化和网络化为主要特征的第4代信息化鱼雷发展[1]。现代“智能”鱼雷的智能化主要表现为：采用先进的信号处理方法提高作用距离；在中近距离对目标进行特征识别，利用目标的尺度和亮点特征排除单亮点声诱饵干扰；通过测量目标参数对目标进行选择性攻击，选择最佳弹道垂直面中，保证攻击要害部位；采用伪随机编码等复杂主动自导信号使声诱饵难以检测应答，排除声诱饵的假回波干扰等[2]。传统的点源靶标已经不能适应现代智能化鱼雷的试验鉴定要求，必须建设尺度靶标。为了使尺度靶模拟潜艇目标更逼真，应该尽量减小靶标的虚靶量即减小靶标转发信号延时时间，为此采用边收边发技术是关键。所谓边收边发技术，即在靶标发射回波信号的同时接收鱼雷主动探测信号。实现此技术的难点在于如何克服尺度靶发射换能器转发信号对接收水听器的干扰。针对活动尺度靶的特点，本研究提出了利用发射、接收换能器指向性凹点，合理设计线阵阵型结构和采用变门限检测技术等措施解决发射换能器对接收水听器的干扰问题。

1 尺度靶模型

1.1 水下目标回波声学“亮点”模型

理论分析和实验研究证明[3-9]，高频情况下，任何一个目标回波都是由若干个子回波相干迭加而成的，每个子回波都可认为从某个散射点发出的，这个散射点就是亮点，它可以是真实的亮点。也可以是某个等效的亮点，这样，任何一个目标回波都是这些亮点回波相干迭加的结果。

潜艇目标反射回波由几个主要反射子回波构成，主要反射子回波一般为舰体、舰桥大面积光滑部分等部位子回波和舰桥与舰体相接处、舰艏舰艉等部位突出的棱角波[7-8]。各子回波的时间相对位置与制导武器攻击目标舷角有关，这些主要子回波构成潜艇回波的多亮点结构，一般潜艇目标存在3～6个声反射亮点[6-8]。

1.2 尺度靶线阵阵型结构设计

为了模拟潜艇目标的尺度，可以采用多亮点结构，在一条长电缆上等间距或者不等间距布置多个发射换能器和水听器，用于接收和转发鱼雷自导信号，图1所示为一种尺度靶线阵阵型结构。

图1 尺度靶线阵阵型结构

2 尺度靶线阵边收边发干扰问题分析

尺度靶采用边收边发工作模式时，发射换能器和接收水听器处于同时工作状态，发射换能器转发信号过程中，发射换能器端面方向会有一定的信号能量串漏到接收水听器接收端面。当发射换能器转发信号强度太大，而发射换能器和接收水听器声隔离度太小时，接收水听器接收发射换能器串漏信号强度可能超过检测门限，致使靶标误判为鱼雷自导信号，从而转发信号，周而复始形成自激，直到水听器接收串漏的转发的信号强度低于检测门限而停止。靶标的这种自激现象出现会严重影响线阵的工作性能，应该尽量避免。

3 抑制尺度靶收发换能器边收边发干扰措施

3.1 合理设计线阵阵型结构

根据水声学原理传播损失计算公式可知，传播损失随距离增大而增大，因此，可以通过合理设计尺度靶线阵的阵型结构，适当增大发射、接收换能器之间距离获得大的距离传播损失，从而获得较大的声隔离度。可以采用如图2所示的阵型结构。发射换能器等间距布置，一个接收水听器布置于中心发射换能器的附近，另外一个远离发射换能器布置于线阵尾部。当靶标工作时，模拟目标强度较小的时候，采用靠近中心发射换能器的接收水听器接收鱼雷自导信号；模拟目标强度较大时，采用尾部接收水听器接收鱼雷自导信号。由于模拟的目标强度较小时，换能器转发信号串漏到接收水听器的信号强度较小，发生自激可能性小，此时中心位置接收水听器可以满足要求。当模拟大目标强度时，换能器转发信号串漏到接收水听器的信号强度较大，发生自激可能性大。但是，此时采用尾部的水听器，由于尾部接收水听器与发射换能器距离较远，声隔离度较大，可以抵消附加大目标强度带来的影响，减小自激现象的发生。

图2 尺度靶线阵上阵元指向性示意图

3.2 合理设计发射换能器和接收水听器指向性凹点

现代换能器技术中发射换能器和接收水听器在高频段均可获得较好的指向性，利用指向性这一点，将自身系统中的发射换能器指向性凹点或响应最小的方向指向接收水听器，将水听器接收指向性凹点或响应最小的方向指向发射换能器，这样接收到的信号是由发射换能器和接收水听器它们的分别指向性共同作用衰减后的结果。一些文献资料研究表明，基于发射、接收换能器空间指向性可以获得32 dB的衰减量[2]。

在图1的尺度靶线阵结构图中，为了消除收发换能器之间的声干扰，接收换能器和发射换能器均采用圆柱形压电陶瓷结构，在圆柱的两端加隔声材料，形成纺锤形指向性，如图2所示。纺锤形指向性的零点相对，零点深度不小于12 dB，两个指向性衰减共24 dB。

3.3 采用变门限检测技术

所谓变门限检测技术，即在线阵检测到鱼雷寻的信号并重发后，需在后面的时间中采用混响门限，并且此门限保持一个工作周期，然后释放门限，再将门限恢复到原来的噪声门限。这样可较好地抑制混响，同时可适应多脉冲形式的寻的信号。在以往的靶标设计过程中，通常是根据经验或者是现场测量噪声强度来确定靶标检测门限值，门限值确定之后在靶标工作过程中不会再改变。采用固定检测门限值方法适用于存储重发和设定回波方式。在这两种工作方式下，由于收发换能器是分开工作的，此时对靶标工作不会带来任何影响。但是，尺度靶处于边收边发的工作方式时，接收水听器和发射换能器同时都在工作。发射换能器转发信号时有一部分信号通过端面串漏到接收水听器的端面，串漏过来的信号强度可能会超过检测门限，靶标会误判为鱼雷自导信号，会再次转发信号，严重时会多次转发信号形成自激，影响靶标的正常工作。如果采用变门限检测技术，实时根据接收信号的强度调整门限值，使发射换能器串漏信号的强度始终小于靶标检测门限，就可以大大抑制自激现象的发生，即在接收到鱼雷寻的信号并开始转发后，若接收到鱼雷寻的信号能量为TA，则将接收门限设定为TA-固定值(dB)，避免将应答信号再次接收、应答。图3(a)为存储重发方式下信号检测流程图，图3(b)为实收实发方式下信号检测流程图。

图3 信号检测流程

4 仿真分析

上节提出了几种抑制尺度靶收发换能器边收边发干扰的措施，本节通过仿真计算分析这些措施的效果。仿真条件：发射换能器和接收水听器空间指向性衰减为20 dB，背景噪声强度为100 dB。仿真过程中，仅考虑接收鱼雷自导信号一个发射脉冲信号，接收信号的幅度电压为接收水听器输出端电压，转发信号电压幅度为发射换能器输入端电压幅度。

4.1 固定检测门限方法

首先，采用中心位置接收水听器接收鱼雷自导信号，取R1=7 m，鱼雷和靶标距离为3 000 m和50 m，模拟目标强度为5 dB、10 dB、15 dB、20 dB，靶标检测门限为120 dB，仿真结果如图4～图5所示。图4(a) ～图4 (d)为鱼雷和靶距离3 000 m，不同目标强度时的发射换能器转发信号。图5(a) ～图5(d)为鱼雷和靶距离50 m时，不同目标强度时发射换能器转发信号。最后，采用尾部接收水听器接收鱼雷自导信号，取R2=30 m，鱼雷和靶标距离为3 000 m和50 m，模拟目标强度为5 dB、10 dB、15 dB、20 dB，靶标检测门限为120 dB，仿真结果如图6和图7所示。

图6(a)～ 图6(d)为鱼雷和靶距离3 000 m，不同目标强度时发射换能器转发信号。图7(a)～图7(d)为鱼雷和靶距离为50 m，不同目标强度时发射换能器转发信号。

由图4和图5分析可知，当采用中心位置接收水听器接收鱼雷自导信号时，模拟的目标强度较小，发射换能器转发信号对接收水听器干扰较小，不会产生干扰。模拟的目标强度较大，发射换能器转发信号对接收水听器干扰，干扰程度随目标强度增大而增大。同时，发射换能器对接收水听器的干扰程度还与发射换能器转发信号的强度有关，转发信号的强度越大，干扰越严重。由于中心位置水听器和发射换能器距离较小，声隔离度小，故鱼雷和靶标距离较近时，转发信号强度较大，串漏到接收水听器的信号强度也大，容易产生干扰。由图6和图7分析可知，当采用尾部接收水听器接收鱼雷自导信号时，即增大发射换能器和接收水听器的距离，增大传播损失，提高了声隔离度，有效地抑制了干扰现象。

4.2 变检测门限方法

首先，采用中心位置接收水听器接收鱼雷自导信号，取R1=7 m，鱼雷和靶标距离为3 000 m和50 m，模拟目标强度5 dB、10 dB、15 dB、20 dB，靶标检测门限比接收信号低20 dB，仿真结果如图8～图9所示。

图8(a)～图8(d)为鱼雷和靶距离为3 000 m，不同目标强度时发射换能器转发信号。图9(a)～图9(d)为鱼雷和靶距离为50 m，不同目标强度时发射换能器转发信号。

最后，采用尾部接收水听器，取R2=30 m，鱼雷和靶标距离为3 000 m和50 m，目标强度为5 dB、10 dB、15 dB、20 dB，检测门限为120 dB，仿真结果如图10和图11所示。

图10(a)～图10(d)为鱼雷和靶距离3 000 m，不同目标强度时发射换能器转发信号。

图11(a)～图11(d)为鱼雷和靶距离3 000 m，不同目标强度时发射换能器转发信号。

由图8～图11可知，当采用变检测门限方法，根据接收信号的强度实时调整检测门限，同时适当地增大发射换能器和接收水听器之间距离，始终使串漏信号强度低于靶标检测门限值，可以解决大目标强度时发射换能器转发信号端面串漏信号对接收水听器的干扰，有效抑制发射换能器和接收水听器干扰现象。

图4 固定检测门限方法中鱼雷和靶距离3 000 m时的仿真结果(R1=7 m)

图5 固定检测门限方法中鱼雷和靶距离50 m时的仿真结果(R1=7 m)

图6 固定检测门限方法中鱼雷和靶距离3 000 m时的仿真结果(R1=30 m)

图7 固定检测门限方法中鱼雷和靶距离50 m时的仿真结果(R1=30 m)

图8 变检测门限方法中鱼雷和靶距离3 000 m时的仿真结果(R1=7 m)

图9 变检测门限方法中鱼雷和靶距离50 m时的仿真结果(R1=7 m)

图10 变检测门限方法中鱼雷和靶距离3 000 m时的仿真结果(R1=30 m)

图11 变检测门限方法中鱼雷和靶距离50 m时的仿真结果(R1=30 m)

5 结束语

尺度靶处于边收边发工作模式时，发射换能器和接收水听器处于同时工作状态，发射换能器转发信号时，端面存在信号串漏，对接收水听器存在干扰现象。本研究分析了收发换能器干扰原因，提出了抑制收发换能器干扰的几点措施。仿真结果表明，通过合理设计发射换能器和接收水听器的指向性凹点，合理设计线阵结构，采取变门限检测技术等措施可以有效抑制收发换能器之间的干扰，大大提高靶标的工作性能。下一步将在工程实践中对上述方法进行实验验证。

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(责任编辑 杨继森)

Method for Suppressing the Interference Between Transmitting Transducer and Reveiving Hydrophone in the Process of Receiving and Sending

ZHAO Longlong

(The No. 91388thTroop of PLA, Zhanjiang 524022, China)

Receiving and sending technology can greatly reduce the transmitted signal delay and improve the simulation fidelity of the target. Because the transmitting transducer has acoustic leakage in the lateral direction, it is easy to cause interference between transmitting transducer and receiving hydrophone in the process of receiving and sending. In the paper, the rational design of the transducer directivity concave point, the rational design of transducer array structure and variable threshold detection are proposed. The interference between transmitting transducer and receiving hydrophone is solved by these measures. Simulation results show that the proposed measures can effectively solve the interference problem between the transmitting transducer and the receiving hydrophone.

the target；receiving and sending；transducer；acoustic leakage；acoustic isolation

10.11809/scbgxb2017.07.026

2017-03-11；

2017-04-15

赵龙龙(1976—),男,硕士研究生,高级工程师,主要水声信号处理研究。

format:ZHAO Longlong.Method for Suppressing the Interference Between Transmitting Transducer and Reveiving Hydrophone in the Process of Receiving and Sending[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(7):116-122.

TJ63

A

2096-2304(2017)07-0116-07

本文引用格式：赵龙龙.抑制尺度靶收发换能器边收边发干扰方法[J].兵器装备工程学报，2017(7):116-122.