王福林 胡青

（1.第七一五研究所，杭州，310023；2.聲納技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州，310023）

在海上，港口設(shè)施、停泊的艦船、石油鉆井平臺及輸油設(shè)施等時常會遭到蛙人的隱蔽攻擊，為此，西方各海軍國家都在著力研發(fā)近海監(jiān)視防護(hù)系統(tǒng)，其核心是反蛙人聲吶，如英國QinetiQ公司的Cerberus360、以色列DslT公司的DDS和俄羅斯的Pallada是其典型代表。蛙人是指穿著潛水服和背負(fù)著呼吸系統(tǒng)（氧氣瓶等）的潛水員。蛙人目標(biāo)特性是低速、小尺寸、目標(biāo)強(qiáng)度低[1]。蛙人攻擊艦船的最可能時機(jī)是艦船?？看a頭或在港灣內(nèi)拋錨，這都是典型的淺水海區(qū)，水深在5～100 m范圍，在此區(qū)域內(nèi)，海底會有大量高目標(biāo)強(qiáng)度的物體，同時海底混響嚴(yán)重，為避開混響，要使用窄的水平及垂直波束。

反蛙人聲吶發(fā)射機(jī)是反蛙人聲吶的主動探測源，輸入三相380 V 50 Hz交流電，采用逆變功率合成技術(shù)實(shí)現(xiàn)高頻信號功率放大，放大的電信號經(jīng)長纜傳輸后驅(qū)動換能器負(fù)載產(chǎn)生高強(qiáng)度的聲波，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)探測水中蛙人的功能。

1 功能與組成

反蛙人聲吶發(fā)射機(jī)研制技術(shù)指標(biāo)：工作頻率，60～100 kHz；脈沖寬度，25 ms、50 ms、100 ms；輸出功率≥4000 W；功率分檔，分 1、1/2、1/4、1/8四檔。

反蛙人聲吶發(fā)射機(jī)根據(jù)顯控指令，能自動產(chǎn)生工作頻帶內(nèi)的線性調(diào)頻信號，選擇發(fā)射信號脈沖寬度和發(fā)射功率檔等，經(jīng)過全橋逆變和功率合成技術(shù)實(shí)現(xiàn)高頻信號功率放大，放大的電信號經(jīng)長纜傳輸后驅(qū)動換能器負(fù)載產(chǎn)生高強(qiáng)度的聲波，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)探測水中蛙人的功能。

發(fā)射機(jī)按照功能模塊劃分，主要由發(fā)射信號源、RS-422串行接口、驅(qū)動電路、功率放大器、功率合成（阻抗變換）、輸出回路（調(diào)諧匹配網(wǎng)絡(luò)）、保護(hù)電路和故障指示電路、低壓電源和功率電源等部分組成，如圖1所示。

圖1 發(fā)射機(jī)組成框圖

2 信號及控制實(shí)現(xiàn)

信號源 CPU 經(jīng)過軟件計算產(chǎn)生線性調(diào)頻信號，通過RS-422串口由上位機(jī)控制選擇信號頻段，同時信號源CPU通過定時器控制產(chǎn)生3種可選的信號脈沖寬度。功率分檔由可調(diào)的功率電源控制實(shí)現(xiàn)，控制CPU通過D/A產(chǎn)生4種控制電壓，即4.5 V、3.2 V、2.3 V和1.6 V，功率電源接收控制電壓產(chǎn)生不同的輸出電壓，4種控制電壓分別對應(yīng)功率電源輸出電壓為200 V、144 V、103 V、72 V，功率放大器的輸出電壓與所加功率電源電壓一一對應(yīng)，實(shí)現(xiàn)輸出功率控制。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 功率合成技術(shù)

對于聲吶發(fā)射機(jī)而言，工作頻率100 kHz已經(jīng)屬于高頻范疇，輸出功率4000 W也屬于大功率，高頻大功率發(fā)射機(jī)實(shí)現(xiàn)技術(shù)難度很大，傳統(tǒng)的線性功率放大效率較低，本文設(shè)計4路1 kW的開關(guān)功率放大器，再采用功率合成技術(shù)實(shí)現(xiàn)大功率高頻發(fā)射。采用同相疊加方法實(shí)現(xiàn)功率合成，其原理是多路功放采用隔離變壓器輸出，在輸出級將變壓器隔離副邊串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)倍壓，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)功率疊加。

功率合成仿真波形見圖 2。頻率為 60～100 kHz，脈寬為1 ms，上圖為合成之前的信號，下圖為合成之后的信號，二者幅度為4倍關(guān)系，符合4路合成原理。

圖2 功率合成仿真波形

在負(fù)載RL=100 ?條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測試，4路疊加后負(fù)載上輸出信號幅度為UO=680.2 V，根據(jù)公式（1）計算輸出功率PO=4626.7 W，滿足輸出電功率≥4000 W的要求。

3.2 長線傳輸技術(shù)

反蛙人聲吶將發(fā)射換能器布放在較遠(yuǎn)水域，因此功率信號傳輸距離要求達(dá)到1000 m以上。解決長線傳輸問題的目的是降低高頻傳輸損耗和提高負(fù)載匹配效率。

高頻功率信號在長纜中傳輸存在最突出的問題是信號衰減很快，根據(jù)通常電力傳輸經(jīng)驗(yàn)一般采用高電壓小電流傳輸，另外應(yīng)盡量增加傳輸線的截面積、減小傳輸線阻抗，進(jìn)而減小傳輸線損耗，提高傳輸效率。在特定的換能器負(fù)載條件下，再加上傳輸距離在1000 m以上，大功率的高頻信號傳輸效率很低，借鑒低頻電力傳輸技術(shù)，采取適當(dāng)?shù)母唠妷盒‰娏?，?fù)載需要進(jìn)行阻抗匹配和調(diào)諧匹配，重點(diǎn)在于長纜的選擇，通常的電力平行線和信號傳輸?shù)碾p絞線都無法解決，因?yàn)楣こ虘?yīng)用不可能在很長的傳輸距離條件下無限增大導(dǎo)線的截面積。本研究方案借鑒通信信號傳輸?shù)耐S纜技術(shù)加上換能器負(fù)載阻抗匹配和調(diào)諧匹配技術(shù)，解決傳輸效率問題。采用并聯(lián)調(diào)諧電感對負(fù)載進(jìn)行調(diào)諧匹配, 調(diào)諧前后換能器導(dǎo)納曲線見圖3。

從圖3中可以看出調(diào)諧后在工作頻帶內(nèi)電納在零附近。根據(jù)公式（2）分析，調(diào)諧匹配之后，在工作頻帶內(nèi)相角φ調(diào)諧在?15°～15°之間（低頻邊緣頻帶除外）。調(diào)諧效果很好。

圖3 調(diào)諧前后換能器導(dǎo)納曲線圖

采用變壓器對負(fù)載阻抗進(jìn)行變換，并對輸出進(jìn)行功率合成。同時采用特性阻抗為55 ?的同軸電纜進(jìn)行傳輸，與負(fù)載阻抗匹配。使得發(fā)射機(jī)與負(fù)載換能器之間匹配效果達(dá)到最佳。阻抗匹配后換能器導(dǎo)納曲線見圖4。

圖4 阻抗匹配后換能器導(dǎo)納曲線圖

從圖4(a)中電導(dǎo)G曲線數(shù)據(jù)和公式（3）分析，在工作頻帶內(nèi)阻抗基本匹配在55 ?左右，圖4(b)為接1000 m特性阻抗為55 ?的同軸纜，導(dǎo)納曲線與接長纜前保持一致，長纜沒有影響換能器特性，達(dá)到了長纜傳輸高頻功率信號的極佳效果。

經(jīng)過實(shí)際試驗(yàn)測試，同軸纜高頻傳輸損失在15%左右，而普通平行纜、雙絞纜等高頻傳輸損失高達(dá)50%以上，說明采用同軸纜進(jìn)行高頻功率信號傳輸是可行方案。

4 結(jié)論

在解決了負(fù)載匹配問題前提下，通過功率合成技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高頻大功率發(fā)射。采用同軸電纜傳輸高頻功率信號大大降低了傳輸損耗。兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的解決，為反蛙人聲吶發(fā)射機(jī)研制成功提供重要保證，也為高頻大功率長線傳輸提供了可行的技術(shù)途徑。經(jīng)過消聲水池試驗(yàn)和千島湖聲學(xué)試驗(yàn)站湖試，發(fā)射系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)滿足各項(xiàng)指標(biāo)要求，反蛙人聲吶發(fā)射系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠。

[1] 羅善政,章偉江,蘇慧茹. 反蛙人聲吶工作環(huán)境和蛙人目標(biāo)特性分析[J] 聲學(xué)與電子工程,2007,增刊:190-193.