抑制尺度靶收發換能器邊收邊發干擾方法

趙龍龍

(1.中國人民解放軍91388部隊93分隊， 廣東 湛江 524022)

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抑制尺度靶收發換能器邊收邊發干擾方法

趙龍龍

(1.中國人民解放軍91388部隊93分隊， 廣東 湛江 524022)

邊收邊發技術可以大大地減小轉發信號的延時，提高靶標模擬的逼真度。在邊收邊發過程中，由于發射換能器和接收水聽器同時工作，發射換能器轉發信號時在發射換能器端面方向存在聲串漏，容易給接收水聽器造成干擾。為了解決發射換能器和接收水聽器干擾的問題，提出了合理設計發射換能器和接收水聽器指向性凹點，合理設計靶標換能器陣型結構和采用變門限檢測等技術措施。仿真結果表明，提出的措施能夠有效解決發射換能器對接收水聽器的干擾問題。

靶標；邊收邊發；換能器；聲串漏；聲隔離

近年來，隨著科學技術的迅猛發展，魚雷與反魚雷對抗技術在性能上不斷提高，呈現此消彼長的發展態勢，既互相壓制對方又互相刺激對方發展。魚雷正在向高速、遠程、低噪聲、威力大、智能化和網絡化為主要特征的第4代信息化魚雷發展[1]。現代“智能”魚雷的智能化主要表現為：采用先進的信號處理方法提高作用距離；在中近距離對目標進行特征識別，利用目標的尺度和亮點特征排除單亮點聲誘餌干擾；通過測量目標參數對目標進行選擇性攻擊，選擇最佳彈道垂直面中，保證攻擊要害部位；采用偽隨機編碼等復雜主動自導信號使聲誘餌難以檢測應答，排除聲誘餌的假回波干擾等[2]。傳統的點源靶標已經不能適應現代智能化魚雷的試驗鑒定要求，必須建設尺度靶標。為了使尺度靶模擬潛艇目標更逼真，應該盡量減小靶標的虛靶量即減小靶標轉發信號延時時間，為此采用邊收邊發技術是關鍵。所謂邊收邊發技術，即在靶標發射回波信號的同時接收魚雷主動探測信號。實現此技術的難點在于如何克服尺度靶發射換能器轉發信號對接收水聽器的干擾。針對活動尺度靶的特點，本研究提出了利用發射、接收換能器指向性凹點，合理設計線陣陣型結構和采用變門限檢測技術等措施解決發射換能器對接收水聽器的干擾問題。

1 尺度靶模型

1.1 水下目標回波聲學“亮點”模型

理論分析和實驗研究證明[3-9]，高頻情況下，任何一個目標回波都是由若干個子回波相干迭加而成的，每個子回波都可認為從某個散射點發出的，這個散射點就是亮點，它可以是真實的亮點。也可以是某個等效的亮點，這樣，任何一個目標回波都是這些亮點回波相干迭加的結果。

潛艇目標反射回波由幾個主要反射子回波構成，主要反射子回波一般為艦體、艦橋大面積光滑部分等部位子回波和艦橋與艦體相接處、艦艏艦艉等部位突出的棱角波[7-8]。各子回波的時間相對位置與制導武器攻擊目標舷角有關，這些主要子回波構成潛艇回波的多亮點結構，一般潛艇目標存在3～6個聲反射亮點[6-8]。

1.2 尺度靶線陣陣型結構設計

為了模擬潛艇目標的尺度，可以采用多亮點結構，在一條長電纜上等間距或者不等間距布置多個發射換能器和水聽器，用于接收和轉發魚雷自導信號，圖1所示為一種尺度靶線陣陣型結構。

圖1 尺度靶線陣陣型結構

2 尺度靶線陣邊收邊發干擾問題分析

尺度靶采用邊收邊發工作模式時，發射換能器和接收水聽器處于同時工作狀態，發射換能器轉發信號過程中，發射換能器端面方向會有一定的信號能量串漏到接收水聽器接收端面。當發射換能器轉發信號強度太大，而發射換能器和接收水聽器聲隔離度太小時，接收水聽器接收發射換能器串漏信號強度可能超過檢測門限，致使靶標誤判為魚雷自導信號，從而轉發信號，周而復始形成自激，直到水聽器接收串漏的轉發的信號強度低于檢測門限而停止。靶標的這種自激現象出現會嚴重影響線陣的工作性能，應該盡量避免。

3 抑制尺度靶收發換能器邊收邊發干擾措施

3.1 合理設計線陣陣型結構

根據水聲學原理傳播損失計算公式可知，傳播損失隨距離增大而增大，因此，可以通過合理設計尺度靶線陣的陣型結構，適當增大發射、接收換能器之間距離獲得大的距離傳播損失，從而獲得較大的聲隔離度。可以采用如圖2所示的陣型結構。發射換能器等間距布置，一個接收水聽器布置于中心發射換能器的附近，另外一個遠離發射換能器布置于線陣尾部。當靶標工作時，模擬目標強度較小的時候，采用靠近中心發射換能器的接收水聽器接收魚雷自導信號；模擬目標強度較大時，采用尾部接收水聽器接收魚雷自導信號。由于模擬的目標強度較小時，換能器轉發信號串漏到接收水聽器的信號強度較小，發生自激可能性小，此時中心位置接收水聽器可以滿足要求。當模擬大目標強度時，換能器轉發信號串漏到接收水聽器的信號強度較大，發生自激可能性大。但是，此時采用尾部的水聽器，由于尾部接收水聽器與發射換能器距離較遠，聲隔離度較大，可以抵消附加大目標強度帶來的影響，減小自激現象的發生。

圖2 尺度靶線陣上陣元指向性示意圖

3.2 合理設計發射換能器和接收水聽器指向性凹點

現代換能器技術中發射換能器和接收水聽器在高頻段均可獲得較好的指向性，利用指向性這一點，將自身系統中的發射換能器指向性凹點或響應最小的方向指向接收水聽器，將水聽器接收指向性凹點或響應最小的方向指向發射換能器，這樣接收到的信號是由發射換能器和接收水聽器它們的分別指向性共同作用衰減后的結果。一些文獻資料研究表明，基于發射、接收換能器空間指向性可以獲得32 dB的衰減量[2]。

在圖1的尺度靶線陣結構圖中，為了消除收發換能器之間的聲干擾，接收換能器和發射換能器均采用圓柱形壓電陶瓷結構，在圓柱的兩端加隔聲材料，形成紡錘形指向性，如圖2所示。紡錘形指向性的零點相對，零點深度不小于12 dB，兩個指向性衰減共24 dB。

3.3 采用變門限檢測技術

所謂變門限檢測技術，即在線陣檢測到魚雷尋的信號并重發后，需在后面的時間中采用混響門限，并且此門限保持一個工作周期，然后釋放門限，再將門限恢復到原來的噪聲門限。這樣可較好地抑制混響，同時可適應多脈沖形式的尋的信號。在以往的靶標設計過程中，通常是根據經驗或者是現場測量噪聲強度來確定靶標檢測門限值，門限值確定之后在靶標工作過程中不會再改變。采用固定檢測門限值方法適用于存儲重發和設定回波方式。在這兩種工作方式下，由于收發換能器是分開工作的，此時對靶標工作不會帶來任何影響。但是，尺度靶處于邊收邊發的工作方式時，接收水聽器和發射換能器同時都在工作。發射換能器轉發信號時有一部分信號通過端面串漏到接收水聽器的端面，串漏過來的信號強度可能會超過檢測門限，靶標會誤判為魚雷自導信號，會再次轉發信號，嚴重時會多次轉發信號形成自激，影響靶標的正常工作。如果采用變門限檢測技術，實時根據接收信號的強度調整門限值，使發射換能器串漏信號的強度始終小于靶標檢測門限，就可以大大抑制自激現象的發生，即在接收到魚雷尋的信號并開始轉發后，若接收到魚雷尋的信號能量為TA，則將接收門限設定為TA-固定值(dB)，避免將應答信號再次接收、應答。圖3(a)為存儲重發方式下信號檢測流程圖，圖3(b)為實收實發方式下信號檢測流程圖。

圖3 信號檢測流程

4 仿真分析

上節提出了幾種抑制尺度靶收發換能器邊收邊發干擾的措施，本節通過仿真計算分析這些措施的效果。仿真條件：發射換能器和接收水聽器空間指向性衰減為20 dB，背景噪聲強度為100 dB。仿真過程中，僅考慮接收魚雷自導信號一個發射脈沖信號，接收信號的幅度電壓為接收水聽器輸出端電壓，轉發信號電壓幅度為發射換能器輸入端電壓幅度。

4.1 固定檢測門限方法

首先，采用中心位置接收水聽器接收魚雷自導信號，取R1=7 m，魚雷和靶標距離為3 000 m和50 m，模擬目標強度為5 dB、10 dB、15 dB、20 dB，靶標檢測門限為120 dB，仿真結果如圖4～圖5所示。圖4(a) ～圖4 (d)為魚雷和靶距離3 000 m，不同目標強度時的發射換能器轉發信號。圖5(a) ～圖5(d)為魚雷和靶距離50 m時，不同目標強度時發射換能器轉發信號。最后，采用尾部接收水聽器接收魚雷自導信號，取R2=30 m，魚雷和靶標距離為3 000 m和50 m，模擬目標強度為5 dB、10 dB、15 dB、20 dB，靶標檢測門限為120 dB，仿真結果如圖6和圖7所示。

圖6(a)～ 圖6(d)為魚雷和靶距離3 000 m，不同目標強度時發射換能器轉發信號。圖7(a)～圖7(d)為魚雷和靶距離為50 m，不同目標強度時發射換能器轉發信號。

由圖4和圖5分析可知，當采用中心位置接收水聽器接收魚雷自導信號時，模擬的目標強度較小，發射換能器轉發信號對接收水聽器干擾較小，不會產生干擾。模擬的目標強度較大，發射換能器轉發信號對接收水聽器干擾，干擾程度隨目標強度增大而增大。同時，發射換能器對接收水聽器的干擾程度還與發射換能器轉發信號的強度有關，轉發信號的強度越大，干擾越嚴重。由于中心位置水聽器和發射換能器距離較小，聲隔離度小，故魚雷和靶標距離較近時，轉發信號強度較大，串漏到接收水聽器的信號強度也大，容易產生干擾。由圖6和圖7分析可知，當采用尾部接收水聽器接收魚雷自導信號時，即增大發射換能器和接收水聽器的距離，增大傳播損失，提高了聲隔離度，有效地抑制了干擾現象。

4.2 變檢測門限方法

首先，采用中心位置接收水聽器接收魚雷自導信號，取R1=7 m，魚雷和靶標距離為3 000 m和50 m，模擬目標強度5 dB、10 dB、15 dB、20 dB，靶標檢測門限比接收信號低20 dB，仿真結果如圖8～圖9所示。

圖8(a)～圖8(d)為魚雷和靶距離為3 000 m，不同目標強度時發射換能器轉發信號。圖9(a)～圖9(d)為魚雷和靶距離為50 m，不同目標強度時發射換能器轉發信號。

最后，采用尾部接收水聽器，取R2=30 m，魚雷和靶標距離為3 000 m和50 m，目標強度為5 dB、10 dB、15 dB、20 dB，檢測門限為120 dB，仿真結果如圖10和圖11所示。

圖10(a)～圖10(d)為魚雷和靶距離3 000 m，不同目標強度時發射換能器轉發信號。

圖11(a)～圖11(d)為魚雷和靶距離3 000 m，不同目標強度時發射換能器轉發信號。

由圖8～圖11可知，當采用變檢測門限方法，根據接收信號的強度實時調整檢測門限，同時適當地增大發射換能器和接收水聽器之間距離，始終使串漏信號強度低于靶標檢測門限值，可以解決大目標強度時發射換能器轉發信號端面串漏信號對接收水聽器的干擾，有效抑制發射換能器和接收水聽器干擾現象。

圖4 固定檢測門限方法中魚雷和靶距離3 000 m時的仿真結果(R1=7 m)

圖5 固定檢測門限方法中魚雷和靶距離50 m時的仿真結果(R1=7 m)

圖6 固定檢測門限方法中魚雷和靶距離3 000 m時的仿真結果(R1=30 m)

圖7 固定檢測門限方法中魚雷和靶距離50 m時的仿真結果(R1=30 m)

圖8 變檢測門限方法中魚雷和靶距離3 000 m時的仿真結果(R1=7 m)

圖9 變檢測門限方法中魚雷和靶距離50 m時的仿真結果(R1=7 m)

圖10 變檢測門限方法中魚雷和靶距離3 000 m時的仿真結果(R1=30 m)

圖11 變檢測門限方法中魚雷和靶距離50 m時的仿真結果(R1=30 m)

5 結束語

尺度靶處于邊收邊發工作模式時，發射換能器和接收水聽器處于同時工作狀態，發射換能器轉發信號時，端面存在信號串漏，對接收水聽器存在干擾現象。本研究分析了收發換能器干擾原因，提出了抑制收發換能器干擾的幾點措施。仿真結果表明，通過合理設計發射換能器和接收水聽器的指向性凹點，合理設計線陣結構，采取變門限檢測技術等措施可以有效抑制收發換能器之間的干擾，大大提高靶標的工作性能。下一步將在工程實踐中對上述方法進行實驗驗證。

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(責任編輯 楊繼森)

Method for Suppressing the Interference Between Transmitting Transducer and Reveiving Hydrophone in the Process of Receiving and Sending

ZHAO Longlong

(The No. 91388thTroop of PLA, Zhanjiang 524022, China)

Receiving and sending technology can greatly reduce the transmitted signal delay and improve the simulation fidelity of the target. Because the transmitting transducer has acoustic leakage in the lateral direction, it is easy to cause interference between transmitting transducer and receiving hydrophone in the process of receiving and sending. In the paper, the rational design of the transducer directivity concave point, the rational design of transducer array structure and variable threshold detection are proposed. The interference between transmitting transducer and receiving hydrophone is solved by these measures. Simulation results show that the proposed measures can effectively solve the interference problem between the transmitting transducer and the receiving hydrophone.

the target；receiving and sending；transducer；acoustic leakage；acoustic isolation

10.11809/scbgxb2017.07.026

2017-03-11；

2017-04-15

趙龍龍(1976—),男,碩士研究生,高級工程師,主要水聲信號處理研究。

format:ZHAO Longlong.Method for Suppressing the Interference Between Transmitting Transducer and Reveiving Hydrophone in the Process of Receiving and Sending[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(7):116-122.

TJ63

A

2096-2304(2017)07-0116-07

本文引用格式：趙龍龍.抑制尺度靶收發換能器邊收邊發干擾方法[J].兵器裝備工程學報，2017(7):116-122.