鱼雷电磁引信干扰机关键参数研究∗

刘文钰 高永琪 谭思炜

（海军工程大学兵器工程学院 武汉 430033）

1 引言

尾流自导鱼雷强大的作战能力给水面舰艇的生存带来了巨大的威胁［1～2］。目前，世界各国都在对抗尾流自导鱼雷的研究上投入了大量的精力，研制了多种硬杀伤、软杀伤和非杀伤的装备［3～4］，提出了各种方法，例如反鱼雷鱼雷、悬浮式深弹、模拟气泡尾流法、尾流能量吸收法等。然而以往的对抗方式不同程度上存在着不足，难以起到很好的对抗作用，主要原因有：1）对舰艇探测声呐的准确性要求比较高，2）鱼雷智能化程度不断提高，3）鱼雷航速航程不断增加等。

如果未能在已方水面舰艇尾流区域外成功拦截敌方来袭尾流自导鱼雷，一旦其进入舰艇尾流内就有很高的概率成功命中舰艇，并对其产生致命的伤害［5］。因此，研究在尾流自导鱼雷进入水面舰艇尾流之后对其进行对抗和拦截是很有必要的，可以为水面舰艇对抗尾流自导鱼雷提供一种新的方法手段，进一步增强水面舰艇的生存能力。一种可行的方法是在舰船尾流内布放鱼雷电磁引信干扰机。

鱼雷电磁引信干扰机属于反鱼雷诱爆式硬杀伤器材，国内研究尚处于起步阶段。相关资料表明，英国“以硬杀伤为主的反鱼雷防御系统”中含有的“引爆鱼雷器材”、“磁干扰引爆鱼雷”两种硬杀伤对抗装备以及美国“新一代水面舰艇反鱼雷防御系统”应该都使用了鱼雷引信诱爆对抗技术，但有关材料尚未公开［6］。对鱼雷电磁引信干扰机的辐射功率和关键参数如干扰机的布放深度、作用半径以及鱼雷电磁引信的工作频率、磁动作值等进行研究有利于提高干扰机的作战效能。

2 鱼雷电磁引信干扰机

2.1 工作原理

目前尾流自导鱼雷装备的引信大部分为电磁引信，因此提出了一种基于电磁引信对抗的反尾流自导鱼雷新方法。其原理是在舰艇拖曳线列阵上按一定间隔布设一系列电磁引信干扰机，在干扰机上装备来袭鱼雷的引信检测模块，用来接收鱼雷电磁引信的辐射信号，然后模拟本舰的反射信号，产生并辐射干扰信号，使干扰信号被鱼雷电磁引信接收机接收到，诱使鱼雷电磁引信误动，给鱼雷战斗部发送起爆信号，使鱼雷提前起爆，这样能极大减弱鱼雷的杀伤效果，从而保护己方舰艇的安全。电磁引信干扰机在舰船的尾流区域内使用，其布设方式如图1所示，图中h为干扰机布设深度，R0为干扰机有效作用半径。

2.2 基本组成与工作过程

鱼雷电磁引信干扰机由接收端、预处理电路、转换电路（A/D、D/A）、程控移相器、程控放大器、数字信号处理（DSP）模块和发射端等组成，如图2所示。

当鱼雷进入电磁引信干扰机有效作用范围时，干扰机接收线圈接收到鱼雷电磁引信辐射线圈辐射的信号，该信号经预处理电路进行带通滤波、放大等处理后，送入高速模数转换器中进行模拟信号与数字信号的转换。DSP芯片对数字化后的引信辐射信号进行频谱分析［7］，并将信号送入高速数模转换器进行数字信号与模拟信号的转换，这个过程中不对信号的幅度、频率等信息进行改变处理。根据频谱分析的结果，DSP模块发送指令，改变程控放大器、程控移相电路和发射端电路的元件参数，从而使辐射信号符合设定要求。辐射信号自高速数模转换器送出，经程控放大器与程控移相器处理后，送入干扰机发射端。干扰机发射端通过RLC振荡回路向外辐射干扰信号，该干扰信号能被鱼雷电磁引信接收机接收到，经处理后使鱼雷引信产生误动作信号，从而提前诱爆鱼雷。

图1 电磁引信干扰机布设示意图

3 干扰机辐射参数计算

3.1 辐射磁矩建模

电磁引信干扰机干扰过程如图3所示，图中S1为海平面，S2为鱼雷搜索平面，S3为干扰机布设平面，S4为海底。以干扰机为原点O建立直角坐标系，其设计作用半径为R0。鱼雷自A点进入干扰机作用范围，运动方向为假定鱼雷电磁引信接收天线、干扰机发射天线的轴线方向都与海平面垂直。若某时刻鱼雷位于T点，其坐标为(x,y,z)，则设O、T两点之间的距离SOT=R1，∠O1OT=θ。

图2 干扰机基本组成示意图

设鱼雷搜索深度为h1，干扰机的布设深度为h，SOO1为O与O1点之间的距离，则SOO1=h-h1，因鱼雷搜索深度和干扰机布设深度的不同，干扰机的实际作用半径为

若C为AB上某点，SO1C为O1与C点之间的距离，则干扰机与鱼雷之间的直线距离R1可表示为

因ΔO1AB为等腰三角形，故当C点为AB中点时，R1达到最小值；当C点与A点或B点重合时，R1达到最大值。

假设干扰机发射线圈的辐射磁矩为，则鱼雷电磁引信接收线圈所接收到的磁场强度̇OZ可表示为

的模可表示为

设

则式（1）可整理为

在辐射磁矩不变M的前提下，显然HOZ的值是先增大后减小的，即当C点为AB中点时，HOZ达到最大值，当C点与A、B两点重合时，HOZ达到最小值。那么为了成功干扰来袭鱼雷电磁引信，只需在敌方鱼雷刚进入干扰机实际作用范围时，使其引信接收信号值达到磁动作灵敏度的要求即可。

假设鱼雷引信动作的磁动作值为Hp，若想在鱼雷刚进入干扰机实际作用范围时，即R1=R0时，其引信磁接收值便达到动作值，需使HOZ=Hp。

则有

可见鱼雷电磁引信干扰机的设定磁矩M受到干扰机的作用半径R0、布设深度h，鱼雷电磁引信的动作磁动作值Hp、工作频率f以及鱼雷搜索深度h1共同影响。

3.2 辐射功率计算

干扰机发射端的RLC振荡电路在理想的情况下能量没有损失，但实际的振荡电路如果要想保持振荡电流的振幅不变，就需要不断向电路补充能量。原因有：1）电路中电阻对电流的阻碍作用，2）铁芯损耗，即铁芯的涡流、磁滞、剩磁损失［8～9］，3）当振荡电路的线圈中通入交变电流时，会产生交变磁场，交变磁场又产生涡旋电场，涡旋电场在海水中引起的涡流电流会产生热量［10］。

对于原因1），绕制电感的导线电阻以及电容的等效电阻很小，其产生的功率损耗可忽略不计。对于原因2），若选取高磁导率的材料作为铁芯，磁滞损失可忽略不计，剩磁损失在低频时可忽略不计。所以发射回路的能量绝大部分被海水以及铁芯中的感应涡流所消耗。下面就发射回路损耗功率（即干扰机的电磁辐射功率）进行计算。

由于电流密度J与电场满足欧姆定律，即J=σE，所以感生电场E与涡流有相同的方向与分布。设涡流损耗功率密度为wr，则wr可表示为［11］

式中ρ是电阻率，ρ=1σ，故涡流损耗功率P可表示为

图3 对抗过程示意图

将干扰机的电磁辐射器等效为磁偶极子，其辐射的电磁场可用求解麦克斯韦方程的方法获得。对球面坐标（原点建立在偶极子中心）电磁场表示式为［12］

辐射功率计算的积分区域如图4所示。

图4 积分区域示意图

其中积分区域Ω是以干扰机为圆心，R2（足够大）为积分半径的球体，对应的体积为V。将Ω划分为四个不同的区域 Ω1、Ω2、Ω3、Ω4，对应的体积分别为V1、V2、V3、V4。 Ω1为海平面以上区域，Ω4为螺线管内部区域，Ω3为螺线管两底面所在平面之间除去Ω4后所剩区域，Ω2为Ω除去Ω1、Ω3、Ω4后所剩区域。

设 Ω1、Ω2、Ω3、Ω4四个区域的辐射功率分别为P1、P2、P3、P4。下面对这四个功率分别进行推导计算。

计算辐射功率P1的Ω1区域如图5所示。

图5 Ω区域示意图

对于辐射功率P1的计算：

由于空气中电导率σ约等于零，所以wr1约等于0，那么P1也近似为零。

计算辐射功率P2的Ω2区域如图6所示。

图6 Ω2区域示意图

图6中的积分半径为R2，根据三重积分的计算规则，为方便计算和表达，将P2分为三部分P21、P22、P23进行计算，对应的积分区域分别为Ω21、Ω22、Ω23，体积分别为V21、V22、V23。观察式（5）可知，半径R=1m处的电场强度要远大于半径R=10m处的电场强度，故积分半径R2增大到一定程度后，半径R=R2处的电场强度可以忽略不计，功率P的数值将基本保持不变。

辐射功率P2的表达式为

式中：

式中L为螺线管长度。

计算辐射功率P3的Ω3区域如图7所示，将Ω3分为两个部分进行积分。

图7 Ω3区域示意图

图7中，假定天线对海水的电导率影响可以忽略，辐射功率P3可表示为

式中D为螺线管底面直径。

计算辐射功率P4的Ω4区域如图8所示。

图8 Ω4区域示意图

图8中设半径为r1、平行于螺线管截面的圆环S上的电场强度为E1，根据介质中的法拉第电磁感应定律［13］，可得

式中εr为铁芯的相对介电常数。

辐射功率P4可表示为

式中σT为铁芯的电导率。

由于螺线管中交变电流I的强度为周期函数，那么即时电磁辐射功率P(t)可表示为

设电磁辐射功率̇(t)的周期为T，则平均电磁辐射功率（实际有功功率）可表示为

4 关键参数研究

已知海水磁导率μ0=4π×10-7H/m，电导率为σ=5S/m，铁芯的相对磁导率μT=1×104，电导率σ=9.93×106S/m。鱼雷电磁引信工作频率f取值为(f1,f2,f3,f4,f5)，鱼雷电磁引信磁动作值Hp的取值范围为(Hp1,Hp2,Hp3,Hp4,Hp5)，鱼雷搜索深度h1=11m。下面主要对干扰机的布设深度、作用半径和鱼雷电磁引信工作频率、磁动作值这四个关键参数进行优化研究。

4.1 干扰机的作用半径

假定干扰机的布设深度h=11m，鱼雷引信动作的磁动作值Hp=Hp5，工作频率f=f3，作用半径R0在［10m，14m］内变化。设由式（7）得辐射功率功率－作用半径关系如图9所示，相关数据如表1所示。

图9 功率－作用半径关系曲线图

表1 功率－作用半径关系表

分析表1中的数据以及图9可知：

1）随着作用半径R0的增大，平均电磁辐射功率Pˉ也迅速增大，且呈指数级增长。

2）作用半径从10m增加到14m，其所需要的电磁辐射功率从59W提高到1104W。作用半径从10m增加到11m，仅需使功率增大72W即可，但从13m增大到14m，这一数值变为543W。这说明可以通过小幅度减小作用半径来大幅度减少功率损耗，以延长干扰机的工作时间，同时也可以减弱电磁引信工作频率对干扰机辐射功率的影响。

4.2 干扰机的布设深度

假定干扰机的作用半径R0=12m，鱼雷搜索平面深度h1=11m，布设深度h在［8m，14m］内变化，其余参数不变，辐射功率与干扰机的布设深度关系如图10所示，相关数据如表2所示。

分析图10以及表2中的数据可知：

1）当h=h1=11m时，平均电磁辐射功率达到最小值，并且其实际作用半径也达到最大值。h=8m与h=9m时的辐射功率分别为h=11m时的3.75倍与1.62倍，所以应将深度差Δh尽量控制在2m以内。

图10 功率－布设深度关系曲线图

表2 功率－布设深度关系表

2）当鱼雷搜索平面深度h1的取值范围为时，干扰机的布设深度h应取值为目的是为了让鱼雷电磁引信干扰机的布设深度与来袭鱼雷的搜索平面深度之差尽量小，这样可以使鱼雷电磁引信干扰机在消耗更少能量的同时可以更大的范围内对来袭鱼雷进行有效对抗。在实战过程中，如果能准确得知来袭鱼雷的搜索深度或者其范围，选择合适的干扰机布设深度，可以大大增强干扰机的干扰效果。

4.3 鱼雷电磁引信的工作频率

假定干扰机的布设深度h为11m，作用半径R0在［14m，18m］内变化，磁动作值Hp=Hp5，得到干扰机的辐射功率与鱼雷电磁引信工作频率的关系曲线如图11所示。

图11 功率-引信工作频率关系曲线

由图11可知：

1）在同一作用半径下，干扰机的辐射功率随着电磁引信工作频率的增大而增大，并且增大的速度越来越快。

2）在相同功率条件下，来袭鱼雷电磁引信的工作频率越高，干扰机的有效作用半径越小。

3）在确定干扰机的辐射功率指标时，应以鱼雷电磁引信的工作频率上限为确定依据，以保证应对不同频率来袭鱼雷时，辐射功率都可以满足工作要求。

4.4 鱼雷电磁引信的磁动作值

假定干扰机的布设深度h为11m，作用半径R0在［14m，18m］内变化，f=f3，得到干扰机的辐射功率与鱼雷电磁引信磁动作值的关系曲线如图12所示。

图12 辐射功率-磁动作值关系曲线

由图12可知：

1）同一作用半径条件下，干扰机的辐射功率随着电磁引信的磁动作值增大而增大。

2）在相同功率条件下，来袭鱼雷电磁引信的磁动作值越大，有效作用半径越小。

3）在确定干扰机的辐射功率指标时，应以鱼雷电磁引信的磁动作值上限为确定依据，以保证应对不同磁动作值来袭鱼雷时，辐射功率都可以满足工作要求。

5 结语

本文较详细地推导了鱼雷电磁引信干扰机辐射磁矩的表达式，表明了鱼雷电磁引信干扰机的设定磁矩受到其有效作用半径、布设深度以及来袭鱼雷搜索深度、鱼雷电磁引信的动作磁动作值和引信工作频率等关键参数的共同影响。仿真计算了电磁引信干扰机的辐射功率与其布设深度、作用半径、鱼雷电磁引信的动作磁动作值和引信工作频率的关系，计算结果表明干扰机的布设深度、作用半径、鱼雷电磁引信的工作频率、磁动作值对其辐射功率都有一定的不同程度的影响。在确定具体的鱼雷电磁引信干扰机辐射功率指标数值时，应综合考虑这四个因素的影响，以保证电磁引信干扰机可以在足够长的时间内持续正常工作，产生对尾流自导鱼雷的最佳对抗效果。