魚(yú)雷電磁引信干擾機(jī)關(guān)鍵參數(shù)研究?

劉文鈺 高永琪 譚思煒

（海軍工程大學(xué)兵器工程學(xué)院 武漢 430033）

1 引言

尾流自導(dǎo)魚(yú)雷強(qiáng)大的作戰(zhàn)能力給水面艦艇的生存帶來(lái)了巨大的威脅［1～2］。目前，世界各國(guó)都在對(duì)抗尾流自導(dǎo)魚(yú)雷的研究上投入了大量的精力，研制了多種硬殺傷、軟殺傷和非殺傷的裝備［3～4］，提出了各種方法，例如反魚(yú)雷魚(yú)雷、懸浮式深彈、模擬氣泡尾流法、尾流能量吸收法等。然而以往的對(duì)抗方式不同程度上存在著不足，難以起到很好的對(duì)抗作用，主要原因有：1）對(duì)艦艇探測(cè)聲吶的準(zhǔn)確性要求比較高，2）魚(yú)雷智能化程度不斷提高，3）魚(yú)雷航速航程不斷增加等。

如果未能在已方水面艦艇尾流區(qū)域外成功攔截?cái)撤絹?lái)襲尾流自導(dǎo)魚(yú)雷，一旦其進(jìn)入艦艇尾流內(nèi)就有很高的概率成功命中艦艇，并對(duì)其產(chǎn)生致命的傷害［5］。因此，研究在尾流自導(dǎo)魚(yú)雷進(jìn)入水面艦艇尾流之后對(duì)其進(jìn)行對(duì)抗和攔截是很有必要的，可以為水面艦艇對(duì)抗尾流自導(dǎo)魚(yú)雷提供一種新的方法手段，進(jìn)一步增強(qiáng)水面艦艇的生存能力。一種可行的方法是在艦船尾流內(nèi)布放魚(yú)雷電磁引信干擾機(jī)。

魚(yú)雷電磁引信干擾機(jī)屬于反魚(yú)雷誘爆式硬殺傷器材，國(guó)內(nèi)研究尚處于起步階段。相關(guān)資料表明，英國(guó)“以硬殺傷為主的反魚(yú)雷防御系統(tǒng)”中含有的“引爆魚(yú)雷器材”、“磁干擾引爆魚(yú)雷”兩種硬殺傷對(duì)抗裝備以及美國(guó)“新一代水面艦艇反魚(yú)雷防御系統(tǒng)”應(yīng)該都使用了魚(yú)雷引信誘爆對(duì)抗技術(shù)，但有關(guān)材料尚未公開(kāi)［6］。對(duì)魚(yú)雷電磁引信干擾機(jī)的輻射功率和關(guān)鍵參數(shù)如干擾機(jī)的布放深度、作用半徑以及魚(yú)雷電磁引信的工作頻率、磁動(dòng)作值等進(jìn)行研究有利于提高干擾機(jī)的作戰(zhàn)效能。

2 魚(yú)雷電磁引信干擾機(jī)

2.1 工作原理

目前尾流自導(dǎo)魚(yú)雷裝備的引信大部分為電磁引信，因此提出了一種基于電磁引信對(duì)抗的反尾流自導(dǎo)魚(yú)雷新方法。其原理是在艦艇拖曳線列陣上按一定間隔布設(shè)一系列電磁引信干擾機(jī)，在干擾機(jī)上裝備來(lái)襲魚(yú)雷的引信檢測(cè)模塊，用來(lái)接收魚(yú)雷電磁引信的輻射信號(hào)，然后模擬本艦的反射信號(hào)，產(chǎn)生并輻射干擾信號(hào)，使干擾信號(hào)被魚(yú)雷電磁引信接收機(jī)接收到，誘使魚(yú)雷電磁引信誤動(dòng)，給魚(yú)雷戰(zhàn)斗部發(fā)送起爆信號(hào)，使魚(yú)雷提前起爆，這樣能極大減弱魚(yú)雷的殺傷效果，從而保護(hù)己方艦艇的安全。電磁引信干擾機(jī)在艦船的尾流區(qū)域內(nèi)使用，其布設(shè)方式如圖1所示，圖中h為干擾機(jī)布設(shè)深度，R0為干擾機(jī)有效作用半徑。

2.2 基本組成與工作過(guò)程

魚(yú)雷電磁引信干擾機(jī)由接收端、預(yù)處理電路、轉(zhuǎn)換電路（A/D、D/A）、程控移相器、程控放大器、數(shù)字信號(hào)處理（DSP）模塊和發(fā)射端等組成，如圖2所示。

當(dāng)魚(yú)雷進(jìn)入電磁引信干擾機(jī)有效作用范圍時(shí)，干擾機(jī)接收線圈接收到魚(yú)雷電磁引信輻射線圈輻射的信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)預(yù)處理電路進(jìn)行帶通濾波、放大等處理后，送入高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器中進(jìn)行模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換。DSP芯片對(duì)數(shù)字化后的引信輻射信號(hào)進(jìn)行頻譜分析［7］，并將信號(hào)送入高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換，這個(gè)過(guò)程中不對(duì)信號(hào)的幅度、頻率等信息進(jìn)行改變處理。根據(jù)頻譜分析的結(jié)果，DSP模塊發(fā)送指令，改變程控放大器、程控移相電路和發(fā)射端電路的元件參數(shù)，從而使輻射信號(hào)符合設(shè)定要求。輻射信號(hào)自高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器送出，經(jīng)程控放大器與程控移相器處理后，送入干擾機(jī)發(fā)射端。干擾機(jī)發(fā)射端通過(guò)RLC振蕩回路向外輻射干擾信號(hào)，該干擾信號(hào)能被魚(yú)雷電磁引信接收機(jī)接收到，經(jīng)處理后使魚(yú)雷引信產(chǎn)生誤動(dòng)作信號(hào)，從而提前誘爆魚(yú)雷。

圖1 電磁引信干擾機(jī)布設(shè)示意圖

3 干擾機(jī)輻射參數(shù)計(jì)算

3.1 輻射磁矩建模

電磁引信干擾機(jī)干擾過(guò)程如圖3所示，圖中S1為海平面，S2為魚(yú)雷搜索平面，S3為干擾機(jī)布設(shè)平面，S4為海底。以干擾機(jī)為原點(diǎn)O建立直角坐標(biāo)系，其設(shè)計(jì)作用半徑為R0。魚(yú)雷自A點(diǎn)進(jìn)入干擾機(jī)作用范圍，運(yùn)動(dòng)方向?yàn)榧俣~(yú)雷電磁引信接收天線、干擾機(jī)發(fā)射天線的軸線方向都與海平面垂直。若某時(shí)刻魚(yú)雷位于T點(diǎn)，其坐標(biāo)為(x,y,z)，則設(shè)O、T兩點(diǎn)之間的距離SOT=R1，∠O1OT=θ。

圖2 干擾機(jī)基本組成示意圖

設(shè)魚(yú)雷搜索深度為h1，干擾機(jī)的布設(shè)深度為h，SOO1為O與O1點(diǎn)之間的距離，則SOO1=h-h1，因魚(yú)雷搜索深度和干擾機(jī)布設(shè)深度的不同，干擾機(jī)的實(shí)際作用半徑為

若C為AB上某點(diǎn)，SO1C為O1與C點(diǎn)之間的距離，則干擾機(jī)與魚(yú)雷之間的直線距離R1可表示為

因ΔO1AB為等腰三角形，故當(dāng)C點(diǎn)為AB中點(diǎn)時(shí)，R1達(dá)到最小值；當(dāng)C點(diǎn)與A點(diǎn)或B點(diǎn)重合時(shí)，R1達(dá)到最大值。

假設(shè)干擾機(jī)發(fā)射線圈的輻射磁矩為，則魚(yú)雷電磁引信接收線圈所接收到的磁場(chǎng)強(qiáng)度?OZ可表示為

的?？杀硎緸?/p>

設(shè)

則式（1）可整理為

在輻射磁矩不變M的前提下，顯然HOZ的值是先增大后減小的，即當(dāng)C點(diǎn)為AB中點(diǎn)時(shí)，HOZ達(dá)到最大值，當(dāng)C點(diǎn)與A、B兩點(diǎn)重合時(shí)，HOZ達(dá)到最小值。那么為了成功干擾來(lái)襲魚(yú)雷電磁引信，只需在敵方魚(yú)雷剛進(jìn)入干擾機(jī)實(shí)際作用范圍時(shí)，使其引信接收信號(hào)值達(dá)到磁動(dòng)作靈敏度的要求即可。

假設(shè)魚(yú)雷引信動(dòng)作的磁動(dòng)作值為Hp，若想在魚(yú)雷剛進(jìn)入干擾機(jī)實(shí)際作用范圍時(shí)，即R1=R0時(shí)，其引信磁接收值便達(dá)到動(dòng)作值，需使HOZ=Hp。

則有

可見(jiàn)魚(yú)雷電磁引信干擾機(jī)的設(shè)定磁矩M受到干擾機(jī)的作用半徑R0、布設(shè)深度h，魚(yú)雷電磁引信的動(dòng)作磁動(dòng)作值Hp、工作頻率f以及魚(yú)雷搜索深度h1共同影響。

3.2 輻射功率計(jì)算

干擾機(jī)發(fā)射端的RLC振蕩電路在理想的情況下能量沒(méi)有損失，但實(shí)際的振蕩電路如果要想保持振蕩電流的振幅不變，就需要不斷向電路補(bǔ)充能量。原因有：1）電路中電阻對(duì)電流的阻礙作用，2）鐵芯損耗，即鐵芯的渦流、磁滯、剩磁損失［8～9］，3）當(dāng)振蕩電路的線圈中通入交變電流時(shí)，會(huì)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，交變磁場(chǎng)又產(chǎn)生渦旋電場(chǎng)，渦旋電場(chǎng)在海水中引起的渦流電流會(huì)產(chǎn)生熱量［10］。

對(duì)于原因1），繞制電感的導(dǎo)線電阻以及電容的等效電阻很小，其產(chǎn)生的功率損耗可忽略不計(jì)。對(duì)于原因2），若選取高磁導(dǎo)率的材料作為鐵芯，磁滯損失可忽略不計(jì)，剩磁損失在低頻時(shí)可忽略不計(jì)。所以發(fā)射回路的能量絕大部分被海水以及鐵芯中的感應(yīng)渦流所消耗。下面就發(fā)射回路損耗功率（即干擾機(jī)的電磁輻射功率）進(jìn)行計(jì)算。

由于電流密度J與電場(chǎng)滿足歐姆定律，即J=σE，所以感生電場(chǎng)E與渦流有相同的方向與分布。設(shè)渦流損耗功率密度為wr，則wr可表示為［11］

式中ρ是電阻率，ρ=1σ，故渦流損耗功率P可表示為

圖3 對(duì)抗過(guò)程示意圖

將干擾機(jī)的電磁輻射器等效為磁偶極子，其輻射的電磁場(chǎng)可用求解麥克斯韋方程的方法獲得。對(duì)球面坐標(biāo)（原點(diǎn)建立在偶極子中心）電磁場(chǎng)表示式為［12］

輻射功率計(jì)算的積分區(qū)域如圖4所示。

圖4 積分區(qū)域示意圖

其中積分區(qū)域Ω是以干擾機(jī)為圓心，R2（足夠大）為積分半徑的球體，對(duì)應(yīng)的體積為V。將Ω劃分為四個(gè)不同的區(qū)域 Ω1、Ω2、Ω3、Ω4，對(duì)應(yīng)的體積分別為V1、V2、V3、V4。 Ω1為海平面以上區(qū)域，Ω4為螺線管內(nèi)部區(qū)域，Ω3為螺線管兩底面所在平面之間除去Ω4后所剩區(qū)域，Ω2為Ω除去Ω1、Ω3、Ω4后所剩區(qū)域。

設(shè) Ω1、Ω2、Ω3、Ω4四個(gè)區(qū)域的輻射功率分別為P1、P2、P3、P4。下面對(duì)這四個(gè)功率分別進(jìn)行推導(dǎo)計(jì)算。

計(jì)算輻射功率P1的Ω1區(qū)域如圖5所示。

圖5 Ω區(qū)域示意圖

對(duì)于輻射功率P1的計(jì)算：

由于空氣中電導(dǎo)率σ約等于零，所以wr1約等于0，那么P1也近似為零。

計(jì)算輻射功率P2的Ω2區(qū)域如圖6所示。

圖6 Ω2區(qū)域示意圖

圖6中的積分半徑為R2，根據(jù)三重積分的計(jì)算規(guī)則，為方便計(jì)算和表達(dá)，將P2分為三部分P21、P22、P23進(jìn)行計(jì)算，對(duì)應(yīng)的積分區(qū)域分別為Ω21、Ω22、Ω23，體積分別為V21、V22、V23。觀察式（5）可知，半徑R=1m處的電場(chǎng)強(qiáng)度要遠(yuǎn)大于半徑R=10m處的電場(chǎng)強(qiáng)度，故積分半徑R2增大到一定程度后，半徑R=R2處的電場(chǎng)強(qiáng)度可以忽略不計(jì)，功率P的數(shù)值將基本保持不變。

輻射功率P2的表達(dá)式為

式中：

式中L為螺線管長(zhǎng)度。

計(jì)算輻射功率P3的Ω3區(qū)域如圖7所示，將Ω3分為兩個(gè)部分進(jìn)行積分。

圖7 Ω3區(qū)域示意圖

圖7中，假定天線對(duì)海水的電導(dǎo)率影響可以忽略，輻射功率P3可表示為

式中D為螺線管底面直徑。

計(jì)算輻射功率P4的Ω4區(qū)域如圖8所示。

圖8 Ω4區(qū)域示意圖

圖8中設(shè)半徑為r1、平行于螺線管截面的圓環(huán)S上的電場(chǎng)強(qiáng)度為E1，根據(jù)介質(zhì)中的法拉第電磁感應(yīng)定律［13］，可得

式中εr為鐵芯的相對(duì)介電常數(shù)。

輻射功率P4可表示為

式中σT為鐵芯的電導(dǎo)率。

由于螺線管中交變電流I的強(qiáng)度為周期函數(shù)，那么即時(shí)電磁輻射功率P(t)可表示為

設(shè)電磁輻射功率?(t)的周期為T(mén)，則平均電磁輻射功率（實(shí)際有功功率）可表示為

4 關(guān)鍵參數(shù)研究

已知海水磁導(dǎo)率μ0=4π×10-7H/m，電導(dǎo)率為σ=5S/m，鐵芯的相對(duì)磁導(dǎo)率μT=1×104，電導(dǎo)率σ=9.93×106S/m。魚(yú)雷電磁引信工作頻率f取值為(f1,f2,f3,f4,f5)，魚(yú)雷電磁引信磁動(dòng)作值Hp的取值范圍為(Hp1,Hp2,Hp3,Hp4,Hp5)，魚(yú)雷搜索深度h1=11m。下面主要對(duì)干擾機(jī)的布設(shè)深度、作用半徑和魚(yú)雷電磁引信工作頻率、磁動(dòng)作值這四個(gè)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究。

4.1 干擾機(jī)的作用半徑

假定干擾機(jī)的布設(shè)深度h=11m，魚(yú)雷引信動(dòng)作的磁動(dòng)作值Hp=Hp5，工作頻率f=f3，作用半徑R0在［10m，14m］內(nèi)變化。設(shè)由式（7）得輻射功率功率－作用半徑關(guān)系如圖9所示，相關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示。

圖9 功率－作用半徑關(guān)系曲線圖

表1 功率－作用半徑關(guān)系表

分析表1中的數(shù)據(jù)以及圖9可知：

1）隨著作用半徑R0的增大，平均電磁輻射功率Pˉ也迅速增大，且呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。

2）作用半徑從10m增加到14m，其所需要的電磁輻射功率從59W提高到1104W。作用半徑從10m增加到11m，僅需使功率增大72W即可，但從13m增大到14m，這一數(shù)值變?yōu)?43W。這說(shuō)明可以通過(guò)小幅度減小作用半徑來(lái)大幅度減少功率損耗，以延長(zhǎng)干擾機(jī)的工作時(shí)間，同時(shí)也可以減弱電磁引信工作頻率對(duì)干擾機(jī)輻射功率的影響。

4.2 干擾機(jī)的布設(shè)深度

假定干擾機(jī)的作用半徑R0=12m，魚(yú)雷搜索平面深度h1=11m，布設(shè)深度h在［8m，14m］內(nèi)變化，其余參數(shù)不變，輻射功率與干擾機(jī)的布設(shè)深度關(guān)系如圖10所示，相關(guān)數(shù)據(jù)如表2所示。

分析圖10以及表2中的數(shù)據(jù)可知：

1）當(dāng)h=h1=11m時(shí)，平均電磁輻射功率達(dá)到最小值，并且其實(shí)際作用半徑也達(dá)到最大值。h=8m與h=9m時(shí)的輻射功率分別為h=11m時(shí)的3.75倍與1.62倍，所以應(yīng)將深度差Δh盡量控制在2m以?xún)?nèi)。

圖10 功率－布設(shè)深度關(guān)系曲線圖

表2 功率－布設(shè)深度關(guān)系表

2）當(dāng)魚(yú)雷搜索平面深度h1的取值范圍為時(shí)，干擾機(jī)的布設(shè)深度h應(yīng)取值為目的是為了讓魚(yú)雷電磁引信干擾機(jī)的布設(shè)深度與來(lái)襲魚(yú)雷的搜索平面深度之差盡量小，這樣可以使魚(yú)雷電磁引信干擾機(jī)在消耗更少能量的同時(shí)可以更大的范圍內(nèi)對(duì)來(lái)襲魚(yú)雷進(jìn)行有效對(duì)抗。在實(shí)戰(zhàn)過(guò)程中，如果能準(zhǔn)確得知來(lái)襲魚(yú)雷的搜索深度或者其范圍，選擇合適的干擾機(jī)布設(shè)深度，可以大大增強(qiáng)干擾機(jī)的干擾效果。

4.3 魚(yú)雷電磁引信的工作頻率

假定干擾機(jī)的布設(shè)深度h為11m，作用半徑R0在［14m，18m］內(nèi)變化，磁動(dòng)作值Hp=Hp5，得到干擾機(jī)的輻射功率與魚(yú)雷電磁引信工作頻率的關(guān)系曲線如圖11所示。

圖11 功率-引信工作頻率關(guān)系曲線

由圖11可知：

1）在同一作用半徑下，干擾機(jī)的輻射功率隨著電磁引信工作頻率的增大而增大，并且增大的速度越來(lái)越快。

2）在相同功率條件下，來(lái)襲魚(yú)雷電磁引信的工作頻率越高，干擾機(jī)的有效作用半徑越小。

3）在確定干擾機(jī)的輻射功率指標(biāo)時(shí)，應(yīng)以魚(yú)雷電磁引信的工作頻率上限為確定依據(jù)，以保證應(yīng)對(duì)不同頻率來(lái)襲魚(yú)雷時(shí)，輻射功率都可以滿足工作要求。

4.4 魚(yú)雷電磁引信的磁動(dòng)作值

假定干擾機(jī)的布設(shè)深度h為11m，作用半徑R0在［14m，18m］內(nèi)變化，f=f3，得到干擾機(jī)的輻射功率與魚(yú)雷電磁引信磁動(dòng)作值的關(guān)系曲線如圖12所示。

圖12 輻射功率-磁動(dòng)作值關(guān)系曲線

由圖12可知：

1）同一作用半徑條件下，干擾機(jī)的輻射功率隨著電磁引信的磁動(dòng)作值增大而增大。

2）在相同功率條件下，來(lái)襲魚(yú)雷電磁引信的磁動(dòng)作值越大，有效作用半徑越小。

3）在確定干擾機(jī)的輻射功率指標(biāo)時(shí)，應(yīng)以魚(yú)雷電磁引信的磁動(dòng)作值上限為確定依據(jù)，以保證應(yīng)對(duì)不同磁動(dòng)作值來(lái)襲魚(yú)雷時(shí)，輻射功率都可以滿足工作要求。

5 結(jié)語(yǔ)

本文較詳細(xì)地推導(dǎo)了魚(yú)雷電磁引信干擾機(jī)輻射磁矩的表達(dá)式，表明了魚(yú)雷電磁引信干擾機(jī)的設(shè)定磁矩受到其有效作用半徑、布設(shè)深度以及來(lái)襲魚(yú)雷搜索深度、魚(yú)雷電磁引信的動(dòng)作磁動(dòng)作值和引信工作頻率等關(guān)鍵參數(shù)的共同影響。仿真計(jì)算了電磁引信干擾機(jī)的輻射功率與其布設(shè)深度、作用半徑、魚(yú)雷電磁引信的動(dòng)作磁動(dòng)作值和引信工作頻率的關(guān)系，計(jì)算結(jié)果表明干擾機(jī)的布設(shè)深度、作用半徑、魚(yú)雷電磁引信的工作頻率、磁動(dòng)作值對(duì)其輻射功率都有一定的不同程度的影響。在確定具體的魚(yú)雷電磁引信干擾機(jī)輻射功率指標(biāo)數(shù)值時(shí)，應(yīng)綜合考慮這四個(gè)因素的影響，以保證電磁引信干擾機(jī)可以在足夠長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)持續(xù)正常工作，產(chǎn)生對(duì)尾流自導(dǎo)魚(yú)雷的最佳對(duì)抗效果。