魚雷電磁引信干擾機關鍵參數研究?

劉文鈺 高永琪 譚思煒

（海軍工程大學兵器工程學院 武漢 430033）

1 引言

尾流自導魚雷強大的作戰能力給水面艦艇的生存帶來了巨大的威脅［1～2］。目前，世界各國都在對抗尾流自導魚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，例如反魚雷魚雷、懸浮式深彈、模擬氣泡尾流法、尾流能量吸收法等。然而以往的對抗方式不同程度上存在著不足，難以起到很好的對抗作用，主要原因有：1）對艦艇探測聲吶的準確性要求比較高，2）魚雷智能化程度不斷提高，3）魚雷航速航程不斷增加等。

如果未能在已方水面艦艇尾流區域外成功攔截敵方來襲尾流自導魚雷，一旦其進入艦艇尾流內就有很高的概率成功命中艦艇，并對其產生致命的傷害［5］。因此，研究在尾流自導魚雷進入水面艦艇尾流之后對其進行對抗和攔截是很有必要的，可以為水面艦艇對抗尾流自導魚雷提供一種新的方法手段，進一步增強水面艦艇的生存能力。一種可行的方法是在艦船尾流內布放魚雷電磁引信干擾機。

魚雷電磁引信干擾機屬于反魚雷誘爆式硬殺傷器材，國內研究尚處于起步階段。相關資料表明，英國“以硬殺傷為主的反魚雷防御系統”中含有的“引爆魚雷器材”、“磁干擾引爆魚雷”兩種硬殺傷對抗裝備以及美國“新一代水面艦艇反魚雷防御系統”應該都使用了魚雷引信誘爆對抗技術，但有關材料尚未公開［6］。對魚雷電磁引信干擾機的輻射功率和關鍵參數如干擾機的布放深度、作用半徑以及魚雷電磁引信的工作頻率、磁動作值等進行研究有利于提高干擾機的作戰效能。

2 魚雷電磁引信干擾機

2.1 工作原理

目前尾流自導魚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抗的反尾流自導魚雷新方法。其原理是在艦艇拖曳線列陣上按一定間隔布設一系列電磁引信干擾機，在干擾機上裝備來襲魚雷的引信檢測模塊，用來接收魚雷電磁引信的輻射信號，然后模擬本艦的反射信號，產生并輻射干擾信號，使干擾信號被魚雷電磁引信接收機接收到，誘使魚雷電磁引信誤動，給魚雷戰斗部發送起爆信號，使魚雷提前起爆，這樣能極大減弱魚雷的殺傷效果，從而保護己方艦艇的安全。電磁引信干擾機在艦船的尾流區域內使用，其布設方式如圖1所示，圖中h為干擾機布設深度，R0為干擾機有效作用半徑。

2.2 基本組成與工作過程

魚雷電磁引信干擾機由接收端、預處理電路、轉換電路（A/D、D/A）、程控移相器、程控放大器、數字信號處理（DSP）模塊和發射端等組成，如圖2所示。

當魚雷進入電磁引信干擾機有效作用范圍時，干擾機接收線圈接收到魚雷電磁引信輻射線圈輻射的信號，該信號經預處理電路進行帶通濾波、放大等處理后，送入高速模數轉換器中進行模擬信號與數字信號的轉換。DSP芯片對數字化后的引信輻射信號進行頻譜分析［7］，并將信號送入高速數模轉換器進行數字信號與模擬信號的轉換，這個過程中不對信號的幅度、頻率等信息進行改變處理。根據頻譜分析的結果，DSP模塊發送指令，改變程控放大器、程控移相電路和發射端電路的元件參數，從而使輻射信號符合設定要求。輻射信號自高速數模轉換器送出，經程控放大器與程控移相器處理后，送入干擾機發射端。干擾機發射端通過RLC振蕩回路向外輻射干擾信號，該干擾信號能被魚雷電磁引信接收機接收到，經處理后使魚雷引信產生誤動作信號，從而提前誘爆魚雷。

圖1 電磁引信干擾機布設示意圖

3 干擾機輻射參數計算

3.1 輻射磁矩建模

電磁引信干擾機干擾過程如圖3所示，圖中S1為海平面，S2為魚雷搜索平面，S3為干擾機布設平面，S4為海底。以干擾機為原點O建立直角坐標系，其設計作用半徑為R0。魚雷自A點進入干擾機作用范圍，運動方向為假定魚雷電磁引信接收天線、干擾機發射天線的軸線方向都與海平面垂直。若某時刻魚雷位于T點，其坐標為(x,y,z)，則設O、T兩點之間的距離SOT=R1，∠O1OT=θ。

圖2 干擾機基本組成示意圖

設魚雷搜索深度為h1，干擾機的布設深度為h，SOO1為O與O1點之間的距離，則SOO1=h-h1，因魚雷搜索深度和干擾機布設深度的不同，干擾機的實際作用半徑為

若C為AB上某點，SO1C為O1與C點之間的距離，則干擾機與魚雷之間的直線距離R1可表示為

因ΔO1AB為等腰三角形，故當C點為AB中點時，R1達到最小值；當C點與A點或B點重合時，R1達到最大值。

假設干擾機發射線圈的輻射磁矩為，則魚雷電磁引信接收線圈所接收到的磁場強度?OZ可表示為

的模可表示為

設

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C點為AB中點時，HOZ達到最大值，當C點與A、B兩點重合時，HOZ達到最小值。那么為了成功干擾來襲魚雷電磁引信，只需在敵方魚雷剛進入干擾機實際作用范圍時，使其引信接收信號值達到磁動作靈敏度的要求即可。

假設魚雷引信動作的磁動作值為Hp，若想在魚雷剛進入干擾機實際作用范圍時，即R1=R0時，其引信磁接收值便達到動作值，需使HOZ=Hp。

則有

可見魚雷電磁引信干擾機的設定磁矩M受到干擾機的作用半徑R0、布設深度h，魚雷電磁引信的動作磁動作值Hp、工作頻率f以及魚雷搜索深度h1共同影響。

3.2 輻射功率計算

干擾機發射端的RLC振蕩電路在理想的情況下能量沒有損失，但實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充能量。原因有：1）電路中電阻對電流的阻礙作用，2）鐵芯損耗，即鐵芯的渦流、磁滯、剩磁損失［8～9］，3）當振蕩電路的線圈中通入交變電流時，會產生交變磁場，交變磁場又產生渦旋電場，渦旋電場在海水中引起的渦流電流會產生熱量［10］。

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

由于電流密度J與電場滿足歐姆定律，即J=σE，所以感生電場E與渦流有相同的方向與分布。設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 對抗過程示意圖

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

輻射功率計算的積分區域如圖4所示。

圖4 積分區域示意圖

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

設 Ω1、Ω2、Ω3、Ω4四個區域的輻射功率分別為P1、P2、P3、P4。下面對這四個功率分別進行推導計算。

計算輻射功率P1的Ω1區域如圖5所示。

圖5 Ω區域示意圖

對于輻射功率P1的計算：

由于空氣中電導率σ約等于零，所以wr1約等于0，那么P1也近似為零。

計算輻射功率P2的Ω2區域如圖6所示。

圖6 Ω2區域示意圖

圖6中的積分半徑為R2，根據三重積分的計算規則，為方便計算和表達，將P2分為三部分P21、P22、P23進行計算，對應的積分區域分別為Ω21、Ω22、Ω23，體積分別為V21、V22、V23。觀察式（5）可知，半徑R=1m處的電場強度要遠大于半徑R=10m處的電場強度，故積分半徑R2增大到一定程度后，半徑R=R2處的電場強度可以忽略不計，功率P的數值將基本保持不變。

輻射功率P2的表達式為

式中：

式中L為螺線管長度。

計算輻射功率P3的Ω3區域如圖7所示，將Ω3分為兩個部分進行積分。

圖7 Ω3區域示意圖

圖7中，假定天線對海水的電導率影響可以忽略，輻射功率P3可表示為

式中D為螺線管底面直徑。

計算輻射功率P4的Ω4區域如圖8所示。

圖8 Ω4區域示意圖

圖8中設半徑為r1、平行于螺線管截面的圓環S上的電場強度為E1，根據介質中的法拉第電磁感應定律［13］，可得

式中εr為鐵芯的相對介電常數。

輻射功率P4可表示為

式中σT為鐵芯的電導率。

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

設電磁輻射功率?(t)的周期為T，則平均電磁輻射功率（實際有功功率）可表示為

4 關鍵參數研究

已知海水磁導率μ0=4π×10-7H/m，電導率為σ=5S/m，鐵芯的相對磁導率μT=1×104，電導率σ=9.93×106S/m。魚雷電磁引信工作頻率f取值為(f1,f2,f3,f4,f5)，魚雷電磁引信磁動作值Hp的取值范圍為(Hp1,Hp2,Hp3,Hp4,Hp5)，魚雷搜索深度h1=11m。下面主要對干擾機的布設深度、作用半徑和魚雷電磁引信工作頻率、磁動作值這四個關鍵參數進行優化研究。

4.1 干擾機的作用半徑

假定干擾機的布設深度h=11m，魚雷引信動作的磁動作值Hp=Hp5，工作頻率f=f3，作用半徑R0在［10m，14m］內變化。設由式（7）得輻射功率功率－作用半徑關系如圖9所示，相關數據如表1所示。

圖9 功率－作用半徑關系曲線圖

表1 功率－作用半徑關系表

分析表1中的數據以及圖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，且呈指數級增長。

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，這一數值變為543W。這說明可以通過小幅度減小作用半徑來大幅度減少功率損耗，以延長干擾機的工作時間，同時也可以減弱電磁引信工作頻率對干擾機輻射功率的影響。

4.2 干擾機的布設深度

假定干擾機的作用半徑R0=12m，魚雷搜索平面深度h1=11m，布設深度h在［8m，14m］內變化，其余參數不變，輻射功率與干擾機的布設深度關系如圖10所示，相關數據如表2所示。

分析圖10以及表2中的數據可知：

1）當h=h1=11m時，平均電磁輻射功率達到最小值，并且其實際作用半徑也達到最大值。h=8m與h=9m時的輻射功率分別為h=11m時的3.75倍與1.62倍，所以應將深度差Δh盡量控制在2m以內。

圖10 功率－布設深度關系曲線圖

表2 功率－布設深度關系表

2）當魚雷搜索平面深度h1的取值范圍為時，干擾機的布設深度h應取值為目的是為了讓魚雷電磁引信干擾機的布設深度與來襲魚雷的搜索平面深度之差盡量小，這樣可以使魚雷電磁引信干擾機在消耗更少能量的同時可以更大的范圍內對來襲魚雷進行有效對抗。在實戰過程中，如果能準確得知來襲魚雷的搜索深度或者其范圍，選擇合適的干擾機布設深度，可以大大增強干擾機的干擾效果。

4.3 魚雷電磁引信的工作頻率

假定干擾機的布設深度h為11m，作用半徑R0在［14m，18m］內變化，磁動作值Hp=Hp5，得到干擾機的輻射功率與魚雷電磁引信工作頻率的關系曲線如圖11所示。

圖11 功率-引信工作頻率關系曲線

由圖11可知：

1）在同一作用半徑下，干擾機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越快。

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

3）在確定干擾機的輻射功率指標時，應以魚雷電磁引信的工作頻率上限為確定依據，以保證應對不同頻率來襲魚雷時，輻射功率都可以滿足工作要求。

4.4 魚雷電磁引信的磁動作值

假定干擾機的布設深度h為11m，作用半徑R0在［14m，18m］內變化，f=f3，得到干擾機的輻射功率與魚雷電磁引信磁動作值的關系曲線如圖12所示。

圖12 輻射功率-磁動作值關系曲線

由圖12可知：

1）同一作用半徑條件下，干擾機的輻射功率隨著電磁引信的磁動作值增大而增大。

2）在相同功率條件下，來襲魚雷電磁引信的磁動作值越大，有效作用半徑越小。

3）在確定干擾機的輻射功率指標時，應以魚雷電磁引信的磁動作值上限為確定依據，以保證應對不同磁動作值來襲魚雷時，輻射功率都可以滿足工作要求。

5 結語

本文較詳細地推導了魚雷電磁引信干擾機輻射磁矩的表達式，表明了魚雷電磁引信干擾機的設定磁矩受到其有效作用半徑、布設深度以及來襲魚雷搜索深度、魚雷電磁引信的動作磁動作值和引信工作頻率等關鍵參數的共同影響。仿真計算了電磁引信干擾機的輻射功率與其布設深度、作用半徑、魚雷電磁引信的動作磁動作值和引信工作頻率的關系，計算結果表明干擾機的布設深度、作用半徑、魚雷電磁引信的工作頻率、磁動作值對其輻射功率都有一定的不同程度的影響。在確定具體的魚雷電磁引信干擾機輻射功率指標數值時，應綜合考慮這四個因素的影響，以保證電磁引信干擾機可以在足夠長的時間內持續正常工作，產生對尾流自導魚雷的最佳對抗效果。