反蛙人声呐发射机的研制

王福林 胡青

（1.第七一五研究所，杭州，310023；2.声纳技术重点实验室，杭州，310023）

在海上，港口设施、停泊的舰船、石油钻井平台及输油设施等时常会遭到蛙人的隐蔽攻击，为此，西方各海军国家都在着力研发近海监视防护系统，其核心是反蛙人声呐，如英国QinetiQ公司的Cerberus360、以色列DslT公司的DDS和俄罗斯的Pallada是其典型代表。蛙人是指穿着潜水服和背负着呼吸系统（氧气瓶等）的潜水员。蛙人目标特性是低速、小尺寸、目标强度低[1]。蛙人攻击舰船的最可能时机是舰船停靠码头或在港湾内抛锚，这都是典型的浅水海区，水深在5～100 m范围，在此区域内，海底会有大量高目标强度的物体，同时海底混响严重，为避开混响，要使用窄的水平及垂直波束。

反蛙人声呐发射机是反蛙人声呐的主动探测源，输入三相380 V 50 Hz交流电，采用逆变功率合成技术实现高频信号功率放大，放大的电信号经长缆传输后驱动换能器负载产生高强度的声波，进而实现探测水中蛙人的功能。

1 功能与组成

反蛙人声呐发射机研制技术指标：工作频率，60～100 kHz；脉冲宽度，25 ms、50 ms、100 ms；输出功率≥4000 W；功率分档，分 1、1/2、1/4、1/8四档。

反蛙人声呐发射机根据显控指令，能自动产生工作频带内的线性调频信号，选择发射信号脉冲宽度和发射功率档等，经过全桥逆变和功率合成技术实现高频信号功率放大，放大的电信号经长缆传输后驱动换能器负载产生高强度的声波，进而实现探测水中蛙人的功能。

发射机按照功能模块划分，主要由发射信号源、RS-422串行接口、驱动电路、功率放大器、功率合成（阻抗变换）、输出回路（调谐匹配网络）、保护电路和故障指示电路、低压电源和功率电源等部分组成，如图1所示。

图1 发射机组成框图

2 信号及控制实现

信号源 CPU 经过软件计算产生线性调频信号，通过RS-422串口由上位机控制选择信号频段，同时信号源CPU通过定时器控制产生3种可选的信号脉冲宽度。功率分档由可调的功率电源控制实现，控制CPU通过D/A产生4种控制电压，即4.5 V、3.2 V、2.3 V和1.6 V，功率电源接收控制电压产生不同的输出电压，4种控制电压分别对应功率电源输出电压为200 V、144 V、103 V、72 V，功率放大器的输出电压与所加功率电源电压一一对应，实现输出功率控制。

3 关键技术

3.1 功率合成技术

对于声呐发射机而言，工作频率100 kHz已经属于高频范畴，输出功率4000 W也属于大功率，高频大功率发射机实现技术难度很大，传统的线性功率放大效率较低，本文设计4路1 kW的开关功率放大器，再采用功率合成技术实现大功率高频发射。采用同相叠加方法实现功率合成，其原理是多路功放采用隔离变压器输出，在输出级将变压器隔离副边串联，实现倍压，进而实现功率叠加。

功率合成仿真波形见图 2。频率为 60～100 kHz，脉宽为1 ms，上图为合成之前的信号，下图为合成之后的信号，二者幅度为4倍关系，符合4路合成原理。

图2 功率合成仿真波形

在负载RL=100 Ω条件下进行实验室测试，4路叠加后负载上输出信号幅度为UO=680.2 V，根据公式（1）计算输出功率PO=4626.7 W，满足输出电功率≥4000 W的要求。

3.2 长线传输技术

反蛙人声呐将发射换能器布放在较远水域，因此功率信号传输距离要求达到1000 m以上。解决长线传输问题的目的是降低高频传输损耗和提高负载匹配效率。

高频功率信号在长缆中传输存在最突出的问题是信号衰减很快，根据通常电力传输经验一般采用高电压小电流传输，另外应尽量增加传输线的截面积、减小传输线阻抗，进而减小传输线损耗，提高传输效率。在特定的换能器负载条件下，再加上传输距离在1000 m以上，大功率的高频信号传输效率很低，借鉴低频电力传输技术，采取适当的高电压小电流，负载需要进行阻抗匹配和调谐匹配，重点在于长缆的选择，通常的电力平行线和信号传输的双绞线都无法解决，因为工程应用不可能在很长的传输距离条件下无限增大导线的截面积。本研究方案借鉴通信信号传输的同轴缆技术加上换能器负载阻抗匹配和调谐匹配技术，解决传输效率问题。采用并联调谐电感对负载进行调谐匹配, 调谐前后换能器导纳曲线见图3。

从图3中可以看出调谐后在工作频带内电纳在零附近。根据公式（2）分析，调谐匹配之后，在工作频带内相角φ调谐在−15°～15°之间（低频边缘频带除外）。调谐效果很好。

图3 调谐前后换能器导纳曲线图

采用变压器对负载阻抗进行变换，并对输出进行功率合成。同时采用特性阻抗为55 Ω的同轴电缆进行传输，与负载阻抗匹配。使得发射机与负载换能器之间匹配效果达到最佳。阻抗匹配后换能器导纳曲线见图4。

图4 阻抗匹配后换能器导纳曲线图

从图4(a)中电导G曲线数据和公式（3）分析，在工作频带内阻抗基本匹配在55 Ω左右，图4(b)为接1000 m特性阻抗为55 Ω的同轴缆，导纳曲线与接长缆前保持一致，长缆没有影响换能器特性，达到了长缆传输高频功率信号的极佳效果。

经过实际试验测试，同轴缆高频传输损失在15%左右，而普通平行缆、双绞缆等高频传输损失高达50%以上，说明采用同轴缆进行高频功率信号传输是可行方案。

4 结论

在解决了负载匹配问题前提下，通过功率合成技术实现了高频大功率发射。采用同轴电缆传输高频功率信号大大降低了传输损耗。两项关键技术的解决，为反蛙人声呐发射机研制成功提供重要保证，也为高频大功率长线传输提供了可行的技术途径。经过消声水池试验和千岛湖声学试验站湖试，发射系统测试数据满足各项指标要求，反蛙人声呐发射系统工作稳定可靠。

[1] 罗善政,章伟江,苏慧茹. 反蛙人声呐工作环境和蛙人目标特性分析[J] 声学与电子工程,2007,增刊:190-193.