強(qiáng)聲脈沖對(duì)接收機(jī)的干擾壓制特性仿真

(工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣州 510610)

0 引言

隨著現(xiàn)代魚雷技術(shù)智能化和自導(dǎo)方式多樣化等方面的快速發(fā)展，對(duì)反魚雷技術(shù)提出了更高要求[1-3]。反魚雷技術(shù)總體來說可以分為軟殺傷和硬殺傷兩大類型，其中軟殺傷是通過利用噪聲或信號(hào)發(fā)生器來偽裝艦艇，對(duì)魚雷進(jìn)行干擾和誘導(dǎo)，而硬殺傷則是用硬手段直接摧毀來襲魚雷。

近年來，隨著水下等離子體強(qiáng)聲技術(shù)[4]的突破性進(jìn)展以及其在管道除垢、污水處理、海洋地質(zhì)勘探、水下目標(biāo)探測[5]等領(lǐng)域取得的顯著成果和成功應(yīng)用，采用水下等離子體強(qiáng)聲脈沖來干擾魚雷自導(dǎo)接收系統(tǒng)，直至使其自導(dǎo)接收系統(tǒng)阻塞致盲，達(dá)到壓制效果，是一種比較有效和可行的方法。

魚雷自導(dǎo)接收系統(tǒng)接收到的聲壓信號(hào)要先經(jīng)過換能器的轉(zhuǎn)換，然后再到達(dá)接收機(jī)預(yù)處理電路進(jìn)行放大、濾波等后續(xù)處理。由于傳播后的強(qiáng)聲直接作用在聲換能器上，因此要研究強(qiáng)聲脈沖對(duì)自導(dǎo)接收機(jī)的干擾壓制影響，首先應(yīng)當(dāng)研究對(duì)換能器的影響，再研究對(duì)接收機(jī)預(yù)處理系統(tǒng)的影響。

本文分析了某型魚雷自導(dǎo)接收機(jī)電路原理，建立了基于Multisim軟件的水聲換能器和接收機(jī)預(yù)處理的電路仿真模型，使用湖試采集的強(qiáng)聲脈沖數(shù)據(jù)作為輸入，仿真分析了強(qiáng)聲脈沖對(duì)接收機(jī)的干擾壓制特性。研究成果對(duì)水下等離子體超寬帶脈沖的工程應(yīng)用具有重要的參考價(jià)值，同時(shí)，對(duì)研究魚雷接收機(jī)系統(tǒng)的抗干擾特性具有一定的借鑒價(jià)值。

1 水下等離子體強(qiáng)聲脈沖產(chǎn)生系統(tǒng)概述

前蘇聯(lián)科學(xué)家尤特金于1955年提出的“液電效應(yīng)”[6]是水下等離子體技術(shù)的提出和發(fā)展的重要理論支撐。尤特金提出的“液電效應(yīng)”其工作原理是利用電容器儲(chǔ)能并通過置于流體介質(zhì)中的放電電極在特別短的時(shí)間內(nèi)來快速地產(chǎn)生脈沖放電，在放電的過程中，會(huì)將流體介質(zhì)迅速氣化，同時(shí)產(chǎn)生高溫高壓的等離子體，進(jìn)而在流體介質(zhì)中產(chǎn)生巨大的沖擊波并釋放出強(qiáng)烈的熱、光、聲輻射的現(xiàn)象。水下等離子體產(chǎn)生的脈沖聲波具有輸出功率大、聲源級(jí)高、頻譜范圍寬、可聚焦、作用距離遠(yuǎn)、易控制等多種優(yōu)點(diǎn)。

在實(shí)驗(yàn)室中，產(chǎn)生等離子體的方法和途徑有很多，如氣體放電、激光壓縮、射線輻照及熱電離等，但最常見、最主要的還是氣體放電法[7]。根據(jù)“液電效應(yīng)”理論，要產(chǎn)生水下等離子體，繼而產(chǎn)生強(qiáng)聲脈沖，聲源必須具備以下幾個(gè)條件：

1)有儲(chǔ)能單元，可以把外界供給的能量(主要是電能)儲(chǔ)存起來；

2)為了提高瞬時(shí)放電功率，需要儲(chǔ)能單元存儲(chǔ)足夠高的能量，同時(shí)體積盡可能地小，也就是要求儲(chǔ)能密度高；

3)有能隔離充電電路和放電電路的部件，并在需要時(shí)可通過觸發(fā)器導(dǎo)通放電電路，其導(dǎo)通電阻和寄生電感應(yīng)足夠?。?/p>

4)放電電極的設(shè)計(jì)，要使兩電極間形成足夠不均勻的電場，以便形成“液電效應(yīng)”。

根據(jù)以上幾點(diǎn)要求，水下等離子體強(qiáng)聲源應(yīng)由6個(gè)部分所組成，即高壓發(fā)生器、控制器、儲(chǔ)能單元、觸發(fā)電路、觸發(fā)電極和放電電極，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 水下等離子體強(qiáng)聲源基本結(jié)構(gòu)

2 水聲換能器的等效電路建模及仿真

水下聲信號(hào)在發(fā)射聲信號(hào)和接收聲信號(hào)時(shí)普遍使用的是水聲換能器，水聲換能器可以把水下聲信號(hào)和電信號(hào)相互轉(zhuǎn)換。在海水下傳遞消息時(shí)，在發(fā)射端是將電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)樗侣曅盘?hào)后再將消息傳至目的地，而在接收端正好相反，是把接收的水下聲信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)后再進(jìn)行處理。

水聲換能器的性能會(huì)直接影響到強(qiáng)聲脈沖信號(hào)對(duì)接收機(jī)預(yù)處理電路的壓制干擾特性。為了建立數(shù)據(jù)匹配的水聲換能器，以及研究分析水聲換能器的性能，通常需要測量建立水聲換能器的等效電路模型來進(jìn)行仿真分析研究。本文為了建立數(shù)據(jù)匹配的水聲換能器等效電路，通過研究分析后根據(jù)導(dǎo)納圓圖法[8]得到換能器的等效電路。

通過分析，使用電路仿真軟件Multisim對(duì)得到的水聲換能器的等效電路進(jìn)行仿真，分析水聲換能器的等效電路在強(qiáng)聲脈沖下的響應(yīng)特性。仿真電路如圖2所示，其中V1為分段線性電壓源，XSC1為雙通道示波器。

圖2 水聲換能器仿真等效電路

實(shí)際情況中某型自導(dǎo)接收換能器的接收靈敏度在-188～-180 dB之間，此處假設(shè)為-180 dB，仿真計(jì)算換能器等效電路在200 m距離的強(qiáng)聲脈沖下的輸出時(shí)域波形如圖3所示，將此波形作為換能器等效電路的輸入，得到換能器在200 m距離的強(qiáng)聲脈沖下的響應(yīng)波形如圖4所示。

圖3 水聲換能器等效電路的輸入波形

圖4 水聲換能器等效電路的響應(yīng)波形

由圖4可以看出，單個(gè)強(qiáng)聲脈沖作用在換能器后使換能器產(chǎn)生了一定持續(xù)時(shí)間的振蕩，振蕩持續(xù)了約30 ms的時(shí)間，特別是在強(qiáng)聲脈沖的附近振蕩幅度較大。由于自導(dǎo)系統(tǒng)的接收換能器的接收靈敏度比一般的水聲換能器高，因此可推測自導(dǎo)系統(tǒng)的接收換能器在強(qiáng)聲脈沖的干擾下會(huì)產(chǎn)生振蕩，且幅值較大。

3 接收機(jī)預(yù)處理等效電路建模

在水下實(shí)際的環(huán)境中，接收機(jī)預(yù)處理電路系統(tǒng)把水聲換能器接收到的水聲信號(hào)進(jìn)行濾波放大，水聲換能器的輸出是模擬的電壓信號(hào)，因此預(yù)處理電路也是先把模擬電壓信號(hào)進(jìn)行濾波放大，再利用接收機(jī)預(yù)處理后續(xù)電路對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析。

在本文中，為了使強(qiáng)聲脈沖對(duì)接收機(jī)的影響研究更貼近實(shí)際產(chǎn)品，參考某國某型自導(dǎo)接收機(jī)預(yù)處理系統(tǒng)，第一級(jí)濾波放大使用選頻濾波，使用電容電感形成串聯(lián)諧振進(jìn)行選頻，并使用共射級(jí)放大。共射級(jí)電路既有電壓增益又有電流增益，但作為電壓或是電流放大器，它的輸入和輸出電阻并不理想，即在電壓放大時(shí)，輸入電阻不夠大且輸出電阻又不夠??；而作為電流放大時(shí)，則輸入電阻又不夠小且輸出電阻又不夠大。第二級(jí)和第三級(jí)也選用共射電級(jí)放大，第三級(jí)后面是一個(gè)選頻網(wǎng)絡(luò)，第四級(jí)是共集電級(jí)放大，共集電級(jí)的輸入電阻大而輸出電阻小，故接近理想電壓放大器，但電壓放大倍數(shù)卻小于(接近)1，因此，共集電路在此作為多級(jí)放大器的輸入輸出級(jí)，實(shí)現(xiàn)阻抗變換，即將高阻的輸入電壓幾乎不衰減地變換為低阻電壓源，或?qū)⒌妥柝?fù)載變換為高阻負(fù)載，從而有利于電壓的放大傳輸。每一級(jí)電路的輸入端都并聯(lián)了兩個(gè)開關(guān)二極管來限幅。對(duì)于后續(xù)處理電路[9-10]，本論文將不做介紹。因?yàn)閺?qiáng)聲脈沖對(duì)接收機(jī)的影響主要是在預(yù)處理電路初級(jí)。

建立的接收機(jī)預(yù)處理仿真等效電路模型如圖5所示。

圖5 接收機(jī)預(yù)處理仿真等效電路

用Mulitisim的波特儀分析接收機(jī)預(yù)處理仿真等效電路的頻率響應(yīng)如圖6所示。

圖6 接收機(jī)預(yù)處理等效電路的幅頻響應(yīng)

可以看出等效電路在30 kHz的頻率響應(yīng)最大，故在輸入端加入一個(gè)30 kHz、100 mVpp的信號(hào)，如圖7所示。分析接收機(jī)在正常情況下的輸出，如圖7所示。

圖7 接收機(jī)預(yù)處理等效電路的輸出

從圖7中可以看出，輸入信號(hào)經(jīng)過接收機(jī)預(yù)處理等效電路的第一級(jí)濾波放大了5倍，而經(jīng)過前兩級(jí)總共放大了10倍，經(jīng)過三級(jí)總共放大了75倍，經(jīng)過200 μs的時(shí)間后，電路基本進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)，增益保持穩(wěn)定。

4 強(qiáng)聲脈沖對(duì)接收機(jī)預(yù)處理的干擾壓制特性的仿真

本文中，用來進(jìn)行仿真研究的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是一個(gè)通過湖試采集的單頻水下強(qiáng)聲脈沖[5]，在采集的湖試原始數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，充分考慮原始數(shù)據(jù)的有效性及分布的情況下，以及鑒于本文的研究重點(diǎn)和目的，基于UWB脈沖的峰值頻率設(shè)計(jì)[11-13]，在有效保留強(qiáng)聲脈沖峰值數(shù)據(jù)的前提下，假設(shè)強(qiáng)聲脈沖的其余數(shù)據(jù)都為零，使用Matlab軟件通過編碼重新整合原始的湖試數(shù)據(jù)，得到了用于本文仿真分析的強(qiáng)聲脈沖。

根據(jù)上一節(jié)建立的接收機(jī)預(yù)處理等效電路模型，利用仿真軟件Multisim，本文仿真研究了強(qiáng)聲脈沖在距離聲源100 m、200 m、500 m、1 000 m、2 000 m、3 000 m、5 000 m時(shí)對(duì)接收機(jī)預(yù)處理等效電路的干擾壓制特性。

如圖8所示，仿真研究了強(qiáng)聲脈沖在距離聲源100 m時(shí)對(duì)接收機(jī)預(yù)處理電路的各級(jí)電路的干擾壓制特性。

圖8 接收機(jī)預(yù)處理電路的各級(jí)電路的輸出

由圖8可以看出，接收機(jī)預(yù)處理電路的各級(jí)電路在距離聲源100 m的強(qiáng)聲脈沖的作用下均產(chǎn)生了不同幅度的振蕩波形，從第一級(jí)到第三級(jí)，電路的振蕩峰值變化不大(原因是該接收機(jī)每一級(jí)均使用二極管輸入限幅保護(hù)電路)，振蕩波形卻逐漸減小。

如圖9所示，仿真研究了強(qiáng)聲脈沖在距離聲源100 m距離處對(duì)接收機(jī)預(yù)處理電路的最后一級(jí)電路的干擾壓制特性。

圖9 接收機(jī)預(yù)處理電路在100 m處的最后一級(jí)的輸出

由圖9可以看出，接收機(jī)預(yù)處理電路在距離聲源100 m距離處的強(qiáng)聲脈沖作用下，產(chǎn)生了振蕩波形，振蕩幅度接近3 000 mV，可以看出接收機(jī)預(yù)處理電路處于非正常狀態(tài)，強(qiáng)聲脈沖對(duì)接收機(jī)預(yù)處理電路的干擾和壓制效果明顯。

如圖10所示，仿真研究了強(qiáng)聲脈沖在距離聲源200 m距離處對(duì)接收機(jī)預(yù)處理電路的最后一級(jí)電路的干擾壓制特性。

圖10 接收機(jī)預(yù)處理電路在200 m處的最后一級(jí)的輸出

由圖10可看出，接收機(jī)預(yù)處理電路在距離聲源200 m距離處的強(qiáng)聲脈沖作用下，產(chǎn)生了振蕩波形，振蕩幅度超過2 000 mV，可以看出接收機(jī)預(yù)處理電路處于非正常狀態(tài)，強(qiáng)聲脈沖對(duì)接收機(jī)預(yù)處理電路的干擾和壓制效果明顯。

如圖11所示，仿真研究了強(qiáng)聲脈沖在距離聲源500 m距離處對(duì)接收機(jī)預(yù)處理電路的最后一級(jí)電路的干擾壓制特性。

圖11 接收機(jī)預(yù)處理電路在500 m處的最后一級(jí)的輸出

由圖11可看出，接收機(jī)預(yù)處理電路在距離聲源500 m距離處的強(qiáng)聲脈沖作用下，產(chǎn)生了振蕩波形，振蕩幅度達(dá)到1 000 mV，可以看出接收機(jī)預(yù)處理電路處于非正常狀態(tài)，強(qiáng)聲脈沖對(duì)接收機(jī)預(yù)處理電路產(chǎn)生干擾和壓制。

如圖12所示，仿真研究了強(qiáng)聲脈沖在距離聲源1 000 m距離處對(duì)接收機(jī)預(yù)處理電路的最后一級(jí)電路的干擾壓制特性。

圖12 接收機(jī)預(yù)處理電路在1 000 m處的最后一級(jí)的輸出

由圖12可以看出，接收機(jī)預(yù)處理電路在距離聲源1 000 m距離處的強(qiáng)聲脈沖作用下，產(chǎn)生了振蕩波形，振蕩幅度在800 mV左右，振蕩幅度隨著強(qiáng)聲脈沖的作用距離增大而減小減緩，但強(qiáng)聲脈沖仍對(duì)接收機(jī)預(yù)處理電路產(chǎn)生干擾和壓制。

如圖13所示，仿真研究了強(qiáng)聲脈沖在距離聲源2 000 m距離處對(duì)接收機(jī)預(yù)處理電路的最后一級(jí)電路的干擾壓制特性。

圖13 接收機(jī)預(yù)處理電路在2 000 m處的最后一級(jí)的輸出

由圖13可看出，接收機(jī)預(yù)處理電路在距離聲源2 000 m距離處的強(qiáng)聲脈沖作用下，產(chǎn)生了振蕩波形，振蕩幅度在800 mV左右，與距離聲源1 000 m接收機(jī)預(yù)處理電路產(chǎn)生的振蕩變化不大，可以認(rèn)為此時(shí)強(qiáng)聲脈沖因距離的變化對(duì)接收機(jī)預(yù)處理電路的干擾和壓制作用變化不大。

如圖14所示，仿真研究了強(qiáng)聲脈沖在距離聲源3 000 m距離處對(duì)接收機(jī)預(yù)處理電路的最后一級(jí)電路的干擾壓制特性。

圖14 接收機(jī)預(yù)處理電路在3 000 m處的最后一級(jí)的輸出

由圖14可看出，接收機(jī)預(yù)處理電路在距離聲源3 000 m距離處的強(qiáng)聲脈沖作用下，產(chǎn)生了振蕩波形，振蕩幅度大幅度減小至400 mV左右，可以認(rèn)為此時(shí)強(qiáng)聲脈沖對(duì)接收機(jī)預(yù)處理電路的干擾和壓制很微弱。

如圖15所示，仿真研究了強(qiáng)聲脈沖在距離聲源5 000 m距離處對(duì)接收機(jī)預(yù)處理電路的最后一級(jí)電路的干擾壓制特性。

圖15 接收機(jī)預(yù)處理電路在5 000 m處的最后一級(jí)的輸出

由圖15可看出，接收機(jī)預(yù)處理電路在距離聲源5 000 m距離處的強(qiáng)聲脈沖作用下，產(chǎn)生的振蕩幅度在200 mV左右，此時(shí)強(qiáng)聲脈沖對(duì)接收機(jī)預(yù)處理電路的干擾和壓制已經(jīng)非常微弱。

綜上所述，接收機(jī)預(yù)處理電路在不同距離的強(qiáng)聲脈沖作用下，產(chǎn)生了不同幅度的振蕩，從圖9～圖13中可以明顯看出，強(qiáng)聲脈沖在距離聲源小于2 000 mV時(shí)對(duì)接收機(jī)預(yù)處理電路產(chǎn)生了振蕩波形，可以認(rèn)為在這種情況下，接收機(jī)預(yù)處理電路處于非正常狀態(tài)下工作，強(qiáng)聲脈沖的干擾和壓制效果明顯；從3 000 m和5 000 m的仿真結(jié)果可以看出，電路的振蕩幅度小于400 mV，可以認(rèn)為此時(shí)強(qiáng)聲脈沖對(duì)電路的壓制作用已經(jīng)很微弱，但還是有一定干擾效果。

5 結(jié)束語

本文建立了換能器和接收機(jī)預(yù)處理電路的仿真模型，通過仿真分析，主要研究了強(qiáng)聲脈沖對(duì)接收機(jī)預(yù)處理的干擾壓制特性。本文中，對(duì)水下強(qiáng)聲脈沖對(duì)魚雷自導(dǎo)接收系統(tǒng)干擾壓制進(jìn)行分析建模，利用仿真軟件Multisim對(duì)強(qiáng)聲脈沖在不同距離處對(duì)接收機(jī)預(yù)處理的干擾壓制特性進(jìn)行了仿真研究。研究表明，接收機(jī)預(yù)處理電路在不同距離的強(qiáng)聲脈沖作用下，產(chǎn)生了不同幅度的振蕩，可以認(rèn)為在這種情況下，接收機(jī)預(yù)處理電路處于非正常狀態(tài)下工作，干擾和壓制效果明顯。而當(dāng)強(qiáng)聲脈沖在距離聲源3 000 m后對(duì)接收機(jī)預(yù)處理電路進(jìn)行干擾壓制時(shí)，電路的振蕩幅度小于400 mV，可以認(rèn)為此時(shí)強(qiáng)聲脈沖對(duì)電路的壓制作用微弱，但還有一定的干擾效果。

從本文的研究可以看出，水下定向強(qiáng)聲脈沖技術(shù)利用水下等離子體放電產(chǎn)生強(qiáng)聲脈沖，通過聚焦在一定方向上可以形成高功率的聲波脈沖，這種直接能量技術(shù)作為一種有效的硬殺傷手段可以大大提高艦艇防御能力；同時(shí)，在聲波的強(qiáng)度尚達(dá)不到硬殺傷效果時(shí)，又可成為一個(gè)強(qiáng)的水聲干擾源。利用該技術(shù)研制的強(qiáng)聲壓制器具有大功率寬頻帶的特點(diǎn)，通過發(fā)射這種大功率寬帶噪聲來阻塞自導(dǎo)魚雷的接收機(jī)，從而達(dá)到使聲自導(dǎo)系統(tǒng)致盲的效果，該技術(shù)是今后水下防御的發(fā)展方向之一。

本文研究成果對(duì)水下強(qiáng)聲脈沖的工程應(yīng)用具有重要的參考價(jià)值，同時(shí)，對(duì)研究魚雷接收機(jī)系統(tǒng)的抗干擾特性具有一定的借鑒價(jià)值。