潛艇魚雷武器通道檢測裝置的設計與實現(xiàn)

王新華，高洪林，李偉

（海軍潛艇學院，山東青島 266071）

0 引言

各型潛艇魚雷武器系統(tǒng)維修后，在實際發(fā)射魚雷武器前，為了檢測信息通道的通斷情況和系統(tǒng)中各設備的工作性能，往往需要裝載不同型號的魚雷武器配合調(diào)試檢測，其系統(tǒng)連接示意如圖1所示。

圖1 通道檢測連接示意圖Fig．1Schematic diagram of the channel test connection

魚雷發(fā)控設備通過××芯電設定電纜與魚雷相連，電設定信號需經(jīng)過該電纜由管外傳輸?shù)焦軆?nèi)魚雷中，控制線導魚雷時還需要利用線導通信電纜傳遞遙控遙測信號。為了保證通道聯(lián)調(diào)檢測的正常進行，必須在管內(nèi)（或備用架上）裝載相應的魚雷武器，這給使用帶來很大困難，同時如果魚雷準備異?；蛳到y(tǒng)的某一設備異常都可能釀成不可挽回的聯(lián)調(diào)事故。

為了在無雷條件下進行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，避免聯(lián)調(diào)事故的發(fā)生和簡化聯(lián)調(diào)程序，現(xiàn)提出通用型潛艇魚雷武器通道檢測裝置，并進行了原理樣機的設計。

1 聯(lián)調(diào)檢測原理

1.1 電設定通道性能檢測原理

電設定通道性能調(diào)試主要涉及的設備包括指控設備、魚雷發(fā)控設備和通道轉(zhuǎn)接設備等。聯(lián)調(diào)檢測時由指控設備發(fā)送魚雷數(shù)據(jù)和命令，經(jīng)過魚雷發(fā)控設備和信息轉(zhuǎn)接，通過××芯電纜傳遞給魚雷，在魚雷專用電源供電正常的情況下，如果系統(tǒng)通道正常，且各設備工作狀態(tài)正常，則魚雷的返回數(shù)據(jù)和命令均正常，否則調(diào)試過程不能正常進行，這時可根據(jù)具體現(xiàn)象分析原因。

1.2 線導魚雷遙控遙測通道性能檢測原理

線導通道性能調(diào)試主要涉及的設備包括指控設備、調(diào)制解調(diào)裝置、魚雷發(fā)控設備、信息通道轉(zhuǎn)接設備等。在電設定通道正常的情況下，檢測時由指控設備發(fā)送魚雷數(shù)據(jù)和命令，遙控數(shù)據(jù)和遙控命令經(jīng)過調(diào)制解調(diào)裝置的調(diào)制后，經(jīng)過信息轉(zhuǎn)接設備的轉(zhuǎn)接，通過線導通信電纜傳遞給魚雷，如果整個系統(tǒng)工作正常且電設定通道工作正常，則魚雷返回的遙測數(shù)據(jù)和魚雷狀態(tài)信息均正常，否則調(diào)試過程不能正常進行，這時可根據(jù)具體現(xiàn)象分析原因。

2 檢測方法改進的必要性

由以上分析可知，潛艇魚雷武器通道的檢測區(qū)別于一般意義檢測的重要方面在于整個檢測過程是一個動態(tài)、在線檢測過程?，F(xiàn)有的系統(tǒng)聯(lián)調(diào)檢測時，魚雷的準備情況及工作性能對檢測能否順利進行具有重要影響，并且艇員所能見到的只是聯(lián)調(diào)檢測正?；虿徽＃鱾€設備的詳細工作狀態(tài)和技術(shù)性能無法顯示。這給戰(zhàn)斗使用帶來很多安全隱患，如某支隊在進行某型魚雷檢查時，將雷內(nèi)的線路板燒壞，而該武器系統(tǒng)在檢查其他魚雷時卻顯示正常，后來發(fā)現(xiàn)魚雷專用電源所供的標稱為27 V的電壓實際高出很多。

為了保證魚雷武器通道聯(lián)調(diào)檢測的準確性和可靠性，以及檢測過程中的安全性，必須改變現(xiàn)有的聯(lián)調(diào)檢測模式。從安全方面考慮，可以改變實際魚雷參加調(diào)試的方法，利用自動控制及計算機仿真技術(shù)，研制等效實際魚雷的裝置代替魚雷參加調(diào)試檢測，同時增加人機交換及信息顯示功能，使艇員在檢測調(diào)試時不僅知道結(jié)果，而且對檢測過程和各裝備的工作狀態(tài)有更深入的理解。

目前，魚雷武器系統(tǒng)維修后的通道聯(lián)調(diào)檢測方法不能滿足現(xiàn)代潛艇戰(zhàn)備保障的使用要求，研制魚雷武器通道檢測裝置代替實際魚雷，滿足通道聯(lián)調(diào)檢測的安全性和可靠性，實現(xiàn)動態(tài)檢測是目前部隊亟待解決的裝備難題。

3 檢測裝置研制涉及的主要技術(shù)

由上述分析可知，需要研制的可視化聯(lián)調(diào)檢測裝置，一方面能代替實際魚雷的工作流程，能同時檢測魚雷武器發(fā)控的設定通道和線導通道的通斷，同時能檢測發(fā)控設備對各型魚雷的供電、自檢、預設定、電池內(nèi)注液、轉(zhuǎn)雷內(nèi)供電等的執(zhí)行和反饋情況、線導魚雷的遙控命令執(zhí)行情況、遙測信息返回情況、魚雷專用電源的帶負載能力等?？梢暬ǖ罊z測裝置研制涉及的主要技術(shù)有:

1）檢測線導遙控遙測通道的調(diào)制解調(diào)及通訊技術(shù);

2）檢測魚雷的供電、自檢、預設定、電池內(nèi)注液、轉(zhuǎn)雷內(nèi)供電等的執(zhí)行和反饋情況需要的RS232串行口通訊;

3）檢測專用電源帶負載能力的模擬負載及相應的電流電壓檢測技術(shù);

4）保證艇載設備安全的信號隔離技術(shù)等。

3.1 調(diào)制解調(diào)及相關(guān)通訊技術(shù)

要完成線導通道聯(lián)調(diào)檢測，聯(lián)調(diào)檢測裝置必須具有與艇上線導調(diào)制解調(diào)裝置相協(xié)調(diào)的調(diào)制解調(diào)裝置及相關(guān)的監(jiān)測等通訊接口。

對線導通道的接口分析知，待研制的調(diào)制解調(diào)部分應具有以下功能:

1）通過RS232串行口接收線導魚雷的發(fā)控命令及數(shù)據(jù)和設定信息，并發(fā)送檢測信息;

2）通過線導導線與艇上調(diào)制解調(diào)裝置通信，接收線導魚雷遙控命令及遙控數(shù)據(jù)、發(fā)送遙測數(shù)據(jù)等。

實現(xiàn)調(diào)制解調(diào)裝置基本功用的途徑一是通過研究線導魚雷的調(diào)制解調(diào)裝置，根據(jù)其工作原理及主要技術(shù)指標設計代替產(chǎn)品，二是分析研究艇上調(diào)制解調(diào)裝置的工作原理及主要技術(shù)指標設計配套檢測調(diào)試設備。

由線導魚雷的相關(guān)資料可知線導魚雷調(diào)制解調(diào)裝置［1］的工作體制，調(diào)制方式、調(diào)制器和解調(diào)器中心頻率以及與指控設備通訊口信號傳輸速率等，本方案采用仿照雷上調(diào)制解調(diào)裝置研制等效調(diào)制解調(diào)裝置。

線導魚雷雷上調(diào)制解調(diào)裝置由通信處理機、功放及分路濾波器、線導電源等組成，功能是接收發(fā)射艇由線導導線傳輸至魚雷的自檢命令和遙控指令，經(jīng)分路濾波、AGC放大、解調(diào)和碼元同步后送至單片機進行處理，并經(jīng)串行口送往控制系統(tǒng);同時，將控制系統(tǒng)送來的遙測信息加以調(diào)制、成形濾波、功率放大后經(jīng)同一根線導導線傳輸至發(fā)射艇。組成如圖2所示。

各組成部分的功能如下:

分路濾波器除參加信號提取外，還擔負阻擋發(fā)送模塊向線導導線上發(fā)射的近百伏峰峰值電壓。

2）接收濾波器

圖2 調(diào)制解調(diào)器裝置組成示意圖Fig．2Schematic diagram of the modem

2 塊MAX274組成了2個八階接收濾波器，這種濾波器性能穩(wěn)定，易于調(diào)試，另外每級八階濾波器設計具有6 dB的增益。提高了接收靈敏度。

3）AGC放大電路

由于本裝置的輸入信號在魚雷運動過程中變化較大，為使解碼電路穩(wěn)定工作，故用了AGC電路。若用分離元件的話，則AGC電路在選管、調(diào)試上都較困難，為此用VCA610AGC集成電路，該電路具有±40 dB的控制能力，且使用方便、穩(wěn)定。

4）解調(diào)及碼元同步電路

用于遙控命令及數(shù)據(jù)的解調(diào)及同步通訊。5）調(diào)制電路

①“綠色的馬克思”是一個生態(tài)主義的前衛(wèi)術(shù)語，引自孫文亮、李安增、鐵省林主編的《馬克思在21世紀——晚期馬克思主義的視角》，鳳凰出版?zhèn)髅郊瘓F、江蘇人民出版社,2011.

用于遙測數(shù)據(jù)的調(diào)制及同步通訊。

6）有源濾波器

由于調(diào)制信號為脈沖信號，為壓縮傳遞信號的頻譜需輸出正弦波信號，為此用1塊MAX274組成1個四階濾波器來實現(xiàn)方波變正弦波的工作。

7）功放電路

用OPA541集成功放塊來完成。該集成塊工作范圍寬，輸出電流大（最大可達10A）能滿足需要。

3.2 多串口通訊技術(shù)

由魚雷發(fā)控設備與魚雷武器接口分析可知，輔助調(diào)試設備除應具有負載電流、電壓接口外，還有供設定數(shù)據(jù)傳輸?shù)腞S232串行通訊口。同時，輔助調(diào)試設備為了進行用戶界面友好設計，要加裝信號監(jiān)測口等。在微機外設中，RS232串行口是應用最為廣泛的I/O通道之一，串行線路上的數(shù)據(jù)是一次一位地發(fā)送或接收，數(shù)據(jù)字節(jié)的間隔是任意長短的，雖然有如各數(shù)據(jù)位的間隔必須精確定時、通信速率無法同并行通信相比等不足。但大多數(shù)外設都提供了串行接口，尤其在工業(yè)現(xiàn)場RS232C的應用更為常見。IBMPC及兼容機系列都有RS232的適配器，操作系統(tǒng)也提供了編程接口［2］。所以，多個RS232串口通訊實現(xiàn)輔助設備與發(fā)控設備、監(jiān)測設備通訊等是理想選擇。

3.3 傳感器及檢測技術(shù)

從現(xiàn)代測試技術(shù)的發(fā)展趨勢看［3］，內(nèi)裝自測試及測試自動化、智能化是其主要方向。在輔助設備的研制中，可以利用一種新的電壓電流組合傳感器［4］實現(xiàn)對電壓電流的實時檢測，新型電壓電流傳感器是一種采用Rogowski線圈結(jié)構(gòu)的電流電壓傳感器，重量輕，且無磁飽和現(xiàn)象，在很寬的頻帶（0.1 Hz～1 MHz）內(nèi)都有很好的線性度［5－6］，組合式傳感器中的電壓傳感器以電容環(huán)為高壓臂電容作成阻容分壓器，可大幅減小體積、重量，還可消除傳統(tǒng)的電壓互感器PT固有的鐵磁諧振問題。根據(jù)這2種傳感器的結(jié)構(gòu)特點，可將它們做成組合式傳感器（見圖3）

圖3 組合式傳感器組成示意圖Fig．3Schematic diagram of the combinatorial sensor

圖3中高壓導體通過電流時，在Rogowski線圈兩端感生出電動勢，經(jīng)信號線引出至信號處理盒內(nèi);取導體環(huán)與高壓側(cè)導體之間的分布電容為高壓臂電容，再串聯(lián)一取信號電阻Rd，其上的電壓信號經(jīng)電纜線傳送至信號處理盒內(nèi)，經(jīng)其輸出端子輸出。信號處理盒內(nèi)裝有對2路信號進行積分等處理的電子線路，電源由接線端子引入。

3.4 信號隔離技術(shù)

檢測裝置與魚雷武器發(fā)射控制設備配合聯(lián)調(diào)檢測時，經(jīng)過該裝置的既有大電流（如某型魚雷提前啟動時電流為25 A左右）、高電壓，又有調(diào)制解調(diào)信號和多個RS232串行口通信信號，為避免信號間相互干擾，必須采取相應的信號隔離技術(shù)。光電隔離技術(shù)［7－9］在可行性、可靠性等方面均符合要求。

4 技術(shù)實現(xiàn)

4.1 軟硬件設計

針對上述分析和滿足現(xiàn)代潛艇戰(zhàn)備保障的使用要求，研究設計了潛艇魚雷武器通道檢測裝置。

該裝置主要由工控計算機、等效負載及其控制、測量部分、線導調(diào)制解調(diào)裝置等部分組成，其原理如圖4所示。

圖4 通道檢測裝置組成Fig．4Schematic diagram of the channel testing devices

其中，線導調(diào)制解調(diào)裝置與艇上調(diào)制解調(diào)器配合，接收并解調(diào)指控設備發(fā)送給魚雷的遙控數(shù)據(jù)和遙控命令，調(diào)制并發(fā)送遙測數(shù)據(jù)和魚雷狀態(tài)信息，軟件模塊組成如圖5所示。

圖5 調(diào)制解調(diào)裝置軟件組成Fig．5Software form of the modem

等效負載及其控制、測量部分用來模擬所要等效的各雷種的不同負載，并在檢測調(diào)試過程顯示通過各負載的電流及端部電壓，進而分析魚雷專用電源的供電邏輯和電源參數(shù)的準確性。

工控計算機用于信號的集中統(tǒng)一處理，利用計算機仿真技術(shù)、圖形顯示、自動控制等技術(shù)使該設備可以通過軟件選擇所要等效的魚雷種類，同時顯示調(diào)試過程中接收到的命令和設定數(shù)據(jù)信息、命令執(zhí)行情況、命令及數(shù)據(jù)的返回情況、遙控命令及遙控數(shù)據(jù)的接收和執(zhí)行情況、遙測數(shù)據(jù)的返回情況等，其軟件組成如圖6所示。

圖6 控制的計算機軟件組成Fig．6Software form of the controlling computer

該裝置在代替各種不同魚雷進行魚雷武器系統(tǒng)聯(lián)調(diào)檢測時，不僅可以與實際魚雷一樣檢測系統(tǒng)的通斷、工作性能等，還將調(diào)試過程中的各種信息動態(tài)顯示出來，保證了系統(tǒng)聯(lián)調(diào)檢測的準確性、可靠性和安全性。

4.2 試驗

根據(jù)上述軟硬件設計方案實現(xiàn)的檢測裝置研制成功后，按照潛用武器裝備的使用要求，分別對2條檢修后的潛艇的魚雷武器系統(tǒng)進行了檢測和配合調(diào)試。同時，按照有關(guān)要求對系統(tǒng)進行了抗震性、電磁兼容性等相關(guān)試驗，各項試驗結(jié)果表明，該設備達到了預期的設計要求，可以滿足魚雷武器通道相關(guān)參數(shù)的檢測需要。

5 結(jié)語

潛艇魚雷武器通道檢測裝置采用計算機仿真技術(shù)、自動控制技術(shù)、在線測量技術(shù)和信號隔離等技術(shù)，實現(xiàn)了對主戰(zhàn)魚雷模擬負載的正確轉(zhuǎn)換和發(fā)控通道電參數(shù)的準確測量，以及模擬戰(zhàn)雷進行遙控遙測的正確通信并適時顯示魚雷的平面彈道。解決了潛艇部隊在沒有戰(zhàn)雷的情況下進行魚雷武器系統(tǒng)檢修后的系統(tǒng)聯(lián)調(diào)檢測困難的實際問題，同時為維修技術(shù)人員提供了魚雷發(fā)控通道供電故障的快速定位和對發(fā)控裝備維修后進行系統(tǒng)檢查的保障設備，滿足部隊使新裝備盡快形成戰(zhàn)斗力的需要，滿足裝備維修人員在艇上快速保障需要，為潛艇魚雷武器系統(tǒng)快速移動保障奠定了基礎，具有重要的軍事意義。同時，該裝置可擴充性強，克服了實裝武器參與檢測、訓練不安全且需耗費大量人力物力等缺點，具有巨大的經(jīng)濟效益。

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