第３２卷第１期２０１２年２月弹箭与制导学报；，，ＭＪｏｕｒｎａｌｏｆＰｒｏｅｃｔｉｌｅｓＲｏ；Ｆｅｂ２０１２；水声探测技术在火箭式深弹引信中的应用；伯华，刘明楠；（）江南机器集团有限公司，湖南湘潭４１１２０７；摘要：一种水声近炸引信，适用于对鱼雷等水下目标实；ＴｈｅＡｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＵｎｄｅｒｗａｔｅｒ；ＦｕｚｅＲｏｃｋｅｔ；，ＢＯＨｕａＬＩＵＭｉｎｎａ
第３２卷　第１期　２０１２年２月弹　箭　与　制　导　学　报
，，ＭＪｏｕｒｎａｌｏｆＰｒｏｅｃｔｉｌｅｓＲｏｃｋｅｔｓｉｓｓｉｌｅｓａｎｄＧｕｉｄａｎｃｅ　　　　ｊｏ．１Ｖｏｌ．３２　Ｎ
Ｆｅｂ２０１２　
水声探测技术在火箭式深弹引信中的应用
伯　华，刘明楠
（）江南机器集团有限公司，湖南湘潭　４１１２０７
摘　要：一种水声近炸引信，适用于对鱼雷等水下目标实施拦截杀伤的火箭式深弹系统，设计中解决的技术问题有：对水下目标的识别技术、有效的测距方法及抗冲击过载技术。所采用的方法是通过对水下目标辐射噪声信号的能量检测、识别和能量变化的比较以及目标所发出的不同线谱的频率来判断和识别目标。验证试验表明，能对不同目标进行识别，并适时发出起爆信号。关键词：水声探测；引信；目标噪声识别中图分类号：ＴＪ４３４　　文献标志码：Ａ
ＴｈｅＡｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＵｎｄｅｒｗａｔｅｒＡｃｏｕｓｔｉｃＤｅｔｅｃｔｉｏｎｉｎＤｅｅｗａｔｅｒ　　　　　　　－ｐｐｐ
ＦｕｚｅＲｏｃｋｅｔ　
，ＢＯ　ＨｕａＬＩＵ　Ｍｉｎｎａｎｇ
（，）ＪｉａｎｎａｎＭａｃｈｉｎｅｒＧ）Ｃｏ．ＬｔｄＨｕｎａｎＸｉａｎｔａｎ４１１２０７，Ｃｈｉｎａ　　　ｇｙ（ｇ
：ＡｂｓｔｒａｃｔＡｎｕｎｄｅｒｗａｔｅｒａｃｏｕｓｔｉｃ　　－ｒｏｘｉｍｉｔｆｕｚｅ　ｗａｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｉｔ　ｉｓ　ｃｏｍａｔｉｂｌｅ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｍｕｎｉｔｉｏｎｓ　ｓｓｔｅｍ　ｄｅｓｉｎｅｄ　ｆｏｒ　ｉｎｔｅｒｒｕ－ｐｙ　ｐｙｇｐ，，，ｔｉｎａｎｄ　ｄｅｓｔｒｏｉｎｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ　ｔａｒｅｔ　ｓｕｃｈ　ａｓ　ｔｏｒｅｄｏ．Ｄｕｒｉｎｄｅｓｉｎｔｈｅｒｅ　ｗｅｒｅ　ｓｏｍｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｒｏｂｌｅｍｓｆｏｒ　ｅｘａｍｌｅｔａｒｅｔ　　　　ｐｇｙｇｇｐｇｇｇｙｐｇ，ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎｒｏｏｆ．Ｔｏ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｖａｌｉｄ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｍｅａｓｕｒｉｎｓｏｕｎｄ　ｔｒａｖｅｌ　ｄｉｓｔａｎｃｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｏｆ　ｏｖｅｒｌｏａｄ－　ｄｉｓｔｉｎｕｉｓｈ　ａｎｄ　　ｐｇｙｇｇｙｇ，，ｉｄｅｎｔｉｆｔａｒｅｔｓｅｖｅｒａｌ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｗｅｒｅ　ａｄｏｔｅｄｉｎｃｌｕｄｉｎｔｅｓｔｉｎａｎｄ　ｉｄｅｎｔｉｆｉｎｓｏｕｎｄ　ｓｉｎａｌ　ｅｎｅｒｖａｒｉｅｔｂｔｈｅ　ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ　ｔａｒ－ｙ　ｇｐｇ　ｇ　ｙｇ　ｇｇｙ　ｙ　ｙ　，，，，ｃｏｍａｒｉｎｗｉｔｈ　ｅｎｅｒｃｈａｎｅｉｎ　ａｄｄｉｔｉｏｎｔｈｒｏｕｈ　ｆｒｅｕｅｎｃｏｆ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｌｉｎｅ－ｓｅｃｔｒｕｍ　ｅｍｉｔｔｅｄ　ｂｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｔａｒｅｔｅｔｃ．Ｔｈｅｅｔｐｇｇｙｇｇｑｙｐｙｇｇ　　　　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｔｅｓｔ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｉｓ　ｆｕｚｅ　ｃａｎ　ｉｄｅｎｔｉｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｔａｒｅｔ　ａｎｄ　ｉｖｅ　ｏｕｔ　ｉｎｉｔｉａｔｉｏｎ　ｓｉｎａｌ．ｙ　ｇｇｇ：；；Ｋｅｗｏｒｄｓｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ　ａｃｏｕｓｔｉｃ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎｆｕｚｅｔａｒｅｔ　ｎｏｉｓｅ　ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎｙｇ
对于水下探测而言，在各种能量形式中，只有声波在水中的传播性能最好，像光波、无线电波等在混因而其在水下的浊含盐的海水中传播时衰减非常大，
传播距离也极其有限，难以实现对水下目标的远距离探测、通讯和导航等，只有以声学为基础的水下声探测技术才能够满足人们对这一方面的需求。随着电子、计算机、微机电、信息等技术的高速发展以及在水声技术领域中的应用，水声技术已从最初单纯对水下深水炸弹的制导、声近炸引目标的探测发展到鱼雷、
信技术、对海洋特性的探测分析等多种应用领域。
文中提出了一种应用水声探测技术的近炸引信，它适用于对鱼雷实施拦截杀伤的火箭式深弹系统，采用了相应的抗冲击过载技术，可承受１５００ｇ以上的发射或击水过载，主要用于拦截来袭鱼雷，保护己方舰艇的安全。
１　水声信息探测的几种方式１－３
声探测技术事实上与雷达技术极其相似，只不过一个是探测空中目标，一个是探测水中目标。不同之处是水下探测技术采用声电转换模式将探测到的声通过放大处理及分析计算来实现信号转化为电信号，
水声探测主要有以下三种实现方对目标的判定识别，
式：①主动式；②被动式；③主被动联合式。
１．１　主动式声探测技术
主动式声探测技术是通过发射声信号及接收目其探测方式如图标反射声信号来实现对目标探测的，１所示
图１　主动声探测信息流程图
根据乌德公式：
（））ｃ＝１４５０＋４．２１Ｔ－０．０３７Ｔ＋１．１４Ｓ－３５＋０．１７５Ｐ（１
可计算出声波在不同海域中的传播速度ｃ，然后
＊收稿日期：２０１１－０３－２６
，作者简介：伯华（男，安徽人，研究员级高级工程师，研究方向：引信技术。１９５９－）
再根据发射声波及接收到回声信号的时间，即可得知目标的距离，通过多个声阵接收到回波的不同反射角度解算出目标的确定方位。
主动声探测技术的优点是能够精确的对目标定距定位，通过尺度识别确定出被测物体的大小，但它在不同的水域、的缺点是容易受到环境因素的影响，
不同的海洋条件下，其探测距离会有较大的变化，且较难发现远距离的像鱼雷这样的小目标。
１．２　被动式声探测技术
被动声探测技术与主动声探测技术不同的是，它不需要专门的发射系统，它是通过接收鱼雷、潜艇等在航行中所辐射的噪声来实现水下目标的探测及对目标特性的确定，其工作方式如图２
）（（）））ｔ＝（Ａｍｃｏｓ２ｔ＋ｔ＋ｔ∑ｍπｙｍ（ｆｍｙｙｉｉｉ０）ｃ（ｌ（φｍ
式中：频率、相Ａｍ、ｍｆｍ、ｉ、ｉ分别表示信号的幅度、φｍ位角、调制深度系数。
从上述公式中可以看出，目标辐射噪声与传播距传播距离越远，其辐射噪声中的连离有极大的关系，
续谱和线谱损失也就越大，换句话说，目标越接近，声呐接收到的噪声能量也就越大。
２．２　目标探测与识别
在鱼雷等目标的运动过程中，单位时间内，其噪声能量的变化率基本上一致，即使是对非匀速运动的虽然变化率会有所不同，但总的趋势是越来越目标，
强，当目标过了拐点之后，接收到的能量则开始渐渐根据水下目标的这个特性，可以通过检测这个减弱，
拐点变化量来对目标进行探测。在有效杀伤范围内，的出现可以作为发出起爆信号的依据。
通过能量的变化率只解决了对目标探测，尚需解决鱼雷、船只等不同目标的识别问题，以防声引信的船只与鱼雷的螺旋桨的频率存误动作。通常情况下，
在着一定的差异，其线谱频率也有所不同，因此可以通过检测线谱来区分不同的目标。
图２　被动声探测信息流程图
被动式声探测技术的优点是探测距离较远，通过对环境电平的门限及噪声频率设置，可以排除较多的海洋背景噪声干扰，同时对被动声技术而言也不存在海洋混响干扰的问题。但单一的声压水听器只能大致的确定出目标的方位和变化，若需要精确的测定目标距离和方位，则需要布设间距尽可能大的多组同时工作的阵元。
１．３　主被动联合式声探测技术
主被动联合式声探测技术结合了主动和被动两种方式的优点，加大了探测距离，也能更准确的对目标定位定距。某些鱼雷的制导和一些吊放声呐采用的就是这种方式。这种类型的探测装置结构尺寸通常较大，往往需要采用一个换能器阵。结构尺寸大是因为需要解决主、被动换能器相互间的干扰问题，因而也难以在结构尺寸较小的引信产品上得到应用。
３　应用设计
根据火箭深弹的总体技术要求及可行性、经济性确定采用单一声压水听器的被动式声探测方分析，
式，系统主要由硬件、软件两部分组成。
３．１　系统硬件构成
系统硬件由水听器、低噪声前置放大器、带通滤波器、报警电路、安全ＤＳＰ信号处理器、ＤＣ－ＤＣ电源、与解除保险系统、爆炸序列、热电池组件等组成。被、垂直１的方位探动式声压水听器可进行水平３６０°２０°测，接收到来袭目标产生的辐射噪声后，将其转换为经过阻抗匹配，提供给低噪声前置放大器。电信号，
由于系统工作频率较高，要求的放大量又很大，极易引起系统的自激和本机电噪声增加，故采用了低噪声运放来完成目标噪声的低噪声放大，其本机等效输入噪声电平可控制在１能有效地消除多种电０Ｖ以下，μ磁干扰的影响。低噪声前置放大器将水听器接收到的微弱的、动态范围大的水下目标噪声信号进行放大，通过带通滤波器，进行信号滤波，选取目标信号，消除干扰信号，并经调节放大后进行检波积分，提取出目标信号，能有效的抑制带外环境噪声和多种人为干扰，大幅度降低声信号的误判概率。ＤＳＰ信号处理模块主要包括：高速Ａ高速数字信号处理Ｄ转换器、器和可编程逻辑控制器（等，是该信号处理的ＣＰＬＤ）其采样数据的处理速度在毫秒级之间。而核心部件，
２　水下目标信号特征
２．１　目标噪声信号特征
目标在水下运动时，由于自身动力装置及螺旋桨的运行，会产生辐射噪声，不同的目标，会生成不同的）、噪声信号特征。通常情况下，辐射噪声由连续谱ｙｔｃ（
、线谱ｙ调制谱ｙｍ（叠加［而成，其表达ｔ）ｔ）ｌ（４］
））））ｔ＝ｔ＋ｔ＋ｔｙ（ｙｙｙｍ（ｃ（ｌ（连续谱可表示为：
）（ｔ＝∑Ａｃｃｏｓ２πｙｆ）ｃ（ｉ
ｆｃｉ＝０／ｆｓ２
线谱可表示为：
）（／ｔ＝∑Ａｃｏｓ２ｎπｙｆｆｌ（１ｓ＋Ｌｊｊ）φ
调制谱信号的时域模型可表示为：
ＤＣ－ＤＣ电源则把热电池组件提供的直流转变成前
放、滤波和ＤＳＰ等模块所需的电源。
安全与解除保险系统在火箭深弹发射时分别解除第一、第二道保险，入水后解除第三道保险，此时爆一旦探测到目标出现需要发出炸序列处于待发状态，
起爆信号时，信息处理电路能迅速提供２Ａ以上的电流起爆引信爆炸序列和战斗部装药。
３．２　软件设计
ＤＳＰ信号处理软件包括ＤＳＰ软件与单片机软件，主要完成水下目标辐射噪声信号的能量检测、识别和瞬时能量变化的比较以及通过目标的不同线谱并根据Ｄ计算结果给出的频率来判断目标，ＳＰ检测、报警信号。
假设１：目标在水下作匀速运动；假设２：目标水下航行轨迹为近似直线。，按照以上假设及式（鱼雷等水下目标的辐射３）噪声曲线大致如图３所示
也就是说换能器处于失效状态，经过一段时间后，再次检测，则其参数值恢复正常，虽然换能器没有损坏，但暂时失去了工作效能，不能满足应用要求。当选用，直径较小的换能器（且在加工工艺上采取≤Φ３０L）经多次冲击模拟，其电性能参数一定的技术措施后，
均无变化，可以满足抗过载方面的要求。
４．２　模拟水下目标通过试验
目标噪声源（模拟水下目标）的仿真信号由发射换能器产生，通过接收换能器送入电路的信号有一定的带宽，经过一个带通滤波器过滤之后，送入电路模拟水下目标通过时产生的辐射噪声信号。水池模拟对起爆距离误差有影响的主要因素及湖上实测表明，
有：目标的距离、目标的航迹、目标的航速及系统参数的设置等。当模拟来袭目标的航速一定时，其探测距离可达到设定要求，并能适时发出起爆信号。４．３　灵敏度及指向性模拟试验在试验水池中进行，目标噪声源发出的噪声工作。试验结果表明：频率为６探测系统的接收０～８０ｋＨｚ、）水平３垂直１可满足对灵敏度和指向性指标（６０°２０°目标探测的要求。
４．４　综合飞行试验采用１在试验弹发射入水后，引信安∶１试验弹，全与解除保险系统可靠解除，声探测系统正常启动，
图３　目标噪声变化曲线图
当目标辐射噪声越大时，其脉冲的幅度越窄，波峰也越高，当噪声值较小时，曲线则较为平缓。主函首先在主程序中完成初始化，包数使用Ｃ语言编程，
括Ｄ中断方式的设置等。通过ＳＰ处理器的初始化，对信号进行幅度比较、脉宽鉴别，当目标在最近距离根据接收到的目标最大通过信号的对比值内经过时，
进行分析解算，当接收解算到Ｎ个点的噪声能量均按一定比例变化时，也就是说收到的目标辐射噪声强即认为目标进度的变化率超过某一个设定的比率时，
入了有效杀伤范围，在第（个点时，声探测系统Ｎ＋１）即可发出起爆信号。
当模拟水下目标出现后，能迅速完成对目标的识别并在目标接近时适时起爆战斗部。
通过模拟试验及综合飞行试验验证，该声近炸引所采用的软件及算法能够满足对目信结构设计合理，
标的探测与识别。目前尚存在起爆距离散布范围略微偏大的问题，解决此问题，可以从两个方面入手：一提高声探测电路的是对软件的算法进行适当的改进，
测距精度；二是增加战斗部装药或是采用高当量的水提高战斗部的威力和有效杀伤半径。下炸药，
参考文献：
４　验证试验
４．１　模拟击水冲击
由于该系统配用在发射弹药中，在它发射及入水其换能器及电路部分必时均要受到较大的冲击过载，
须能承受这样的过载。电路部分通过采取加固及减震措施，经１可正常工作。选５００ｇ的冲击过载试验，，在经过１用直径较大的换能器（≥Φ５０L）５００ｇ的冲击过载试验后，在试验结束后的一定时间内，检测换能器的相关电性能参数，其数值不在正常范围之内，
［］王明洲，等．反鱼雷技术［国１Ｍ］．北京：　陈春玉，张静远，
防工业出版社，２００６．
［］雷家煜．水声学原理［哈尔滨船舶２Ｍ］．哈尔滨：　刘伯胜，
工程学院出版社，１９９３．
［］陆善明，姚蓝．水下动目标近程主动声引信技术３　杨崇林，
］（）：研究［Ｊ．中国造船，２０００，４１４７７－８２．
［］鱼雷辐射噪声传播特性的仿４　杨日杰，李淑华，张宗玉．
］（）：真［Ｊ．系统仿真学报，２００２，１４２２０４－２０６．［］现代声学理论基础［北京：科学出版社，５Ｍ］．２００４．　马大猷．［］水声工程［杭州：浙江科学技术出版社，６Ｍ］．２００３．　刘孟庵．
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