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硕士论文墓于水下通信的水下群爆技术 摘要 由 于 现代高技术条件下的 海上战 争的 突发 性和快速性， 为了 实现从 海上向 岸 边目 标突 入的目 的， 需要 在一定条件下紧急开 辟登陆通 道， 确保己 方部队 迅速出 击和运动而不 被敌方水雷和障 碍所封锁。目 前各国 正在研究 灭雷和破 障的 方法。 本论文就 是以 水下群爆技术中的 热点 “ 基于水下 通信的 水下 群爆技术” 作为 研究对象， 尤其对轨 道碧的 爆破技术中的 难点 进行了 深入分析， 提出 可行的解决 方案。 本文 首先从浅海的水下 通信理论出 发 接收信号的同 步输出 理论。 分别 对 水下通信 技术、 浅海信道技 术、 和水下爆炸技 术进行了 详细论 述。 在理论基础的 支撑下， 紧接着对火 箭弹的 信号接收 系统进行 研究。 从 难点出 发， 着手于理论分 析、模块设计、试验验证和结果分析的研究思路进行了详细阐述。 关键词: 水下通信浅海信道毁伤同步起爆 硕士论文荃于水下通信的水下群爆技术 ab s t r a c t b e c aus e o ft h e a b rup t i v e n e s s andf a s t r e s p o n s e o f s e a ， a r und e r m o d e r n a n dh i gh t e c hni q u ec ond i t i on，” n e e dt od e v e l op d e b a r k a t i o n谬s s a g e urg e n t 1 y und e ra c e rta i n c o n d i t i on t o i n s uret hatt r o o p s1 aun c han 时t ack 即d口 o v eq u i c k l yw i t hn o tb eb l o c k a d e db ye n 胭yt o 印e d oando b s t a c l e . d i ffe r e n t c o unt r i e s are s t u d y i n gt h e . e t h o do f . i n e s w e e p i n g 助d d e s t r o y i n gobs t a c l e s .thi sp a p e rdea l s贾 i t ht h es t ud萝o fh o t s 加t so f u n d e r w a t e rc l u s t e re x p l o d i n gt e c hni 叫e， b a s i n g on t h e u n d e 钾a t e rc l u s t e r e x p l o d i n g t e c hni q u e o f und e 碑a t e r c 柳 uni c a t i o n ， and e s 详c i a l l yana l y z e s t h en o duso fr a i l 一 阳l i s adee 却l o s i o nt e c hni q u e皿dt h e np u t sf o 丹arda v i a b l es o l u t i o 几 t h i s p 即e rs t art s f r 恤 t h en e r i t i c und e r w a t e rc 恤 u n i c a t i o nt h e o r y - 一 s y n c hro n o u so u t p u tt h e o r yo fr e c e i v e ds i gna 1 ，andt h e nt he und e r w a t e r c o 田 in uni c a t i o n t e c hni 卿e、t h e s hal l o w 髓t e r c h a 刀 l e lt e c hni 四e and u n d e r w a t e re x p l o d i n gt e c hnl q u ea r ed i s c u s s e di nd e t a i l .bas 主 n go nt h e b a s i c t h e o r i e s ，t h i s p 即e rs t u d i e s t h e s i g n a l r e c e i v i n g s y s t e m s o f r o c k e t p r o j e c t i l e .c o 画e n c eo nt h enodus ，e 田 曲a s i z et h e t h e o r yana l y z e ，田 o dul e d e s i 即，e x p e r i m e n t 战i o n d e m o n s t r a t e即dr e s u l tana l y z e . k e y . o r d s :u n d e r ， a t e r c o m . ” n i c a t i ons ha1 1 o ， a t e r c h a n n e l d a . a g e s 即c hro n ousd e t ona t i on 硕 士 论 文基于水下通信的水下群爆技术 绪论 1 . 1 裸题的 背景 由 于现代高技术 条件下的 海上战 争的突发 性和快速型， 以 及为实现 从海上向 岸边目 标突入的目 的。 在 一定条件下需 要紧急开辟登陆 通道， 确保己 方 部队的迅 速出 击和运动，不被敌 方水雷 和障 碍所封 锁。 各国 正在研究 灭雷和破障的 方法。 在20世纪最后10年发生的 全球性变 化， 加之美国海军 在“ 沙漠风 暴” 战 役 中的 经验导 致美国 重新 确定其 基本军事战略 方针。 海军陆 战队的 “ 海上作战 机动厅 ( o m fts ) 概 念提供了 完成从 海上向 岸 边快速运动的 手段。 该 概念强调从 超视距， 通过拍岸浪区 和海滩区向 岸边目 标的 快 速机动。 两栖登陆不再 是缓慢而 慎密的高 消耗、 众多战斗兵力聚集在海滩上的战役，而是快速通过海滨水域运动到达 内陆 目 标。 目 前， 按照台 湾政府 奉行的 固守战 略， 台 湾军队把对 抗登 陆作战作 为首选训 练任务， 极为 重视台 湾海 岸防御阵地 抗登陆障碍物的设 置。 经过几十年 来不断 地 巩固 完善， 台湾 军队 在其 水际 滩头和 重要防守方向 上， 设置了 大量的种 类繁多的 障碍物， 妄图达到其“ 坚守一线， 决战滩岸” 和 “ 保卫台湾， 的政治、军事目的。 台 湾军队 在海岸滩头 设置的障 碍物分为 爆炸型障碍物、 非爆炸 性障碍物、 综合性 障碍物和阻绝设施等四类.爆炸性障碍物包括各种水雷、地雷、 爆炸物;非爆炸 性障 碍物包括轨 道碧、 三角锥、 铁丝网、 铁鹿碧、 钢刺 谓、 铁篱 笆、 铁钉桩和 反 空降三角叉:综合性障碍物包括下部设有水雷的钢栅和槽内装有地雷的胡桃夹 等; 阻绝设施包 括阻绝 壕、 阻 绝墙、 人造陡壁、 “ 玻璃刀山气琼麻、 火障和水网 障碍等。 其中轨道碧为由上边长 0 . 6 米、 下边长 1 米、 高 0 . 6 米等腰梯形水泥墩和水 泥墩成 45。斜插的一根长约 2米、重 70 千克带尖的中型钢轨组成，全重 1 3 80 千克。 设置在中 潮线附 近， 钢轨指向 海面， 成3 列设置时， 列 于列相距5 米， 碧 与碧间隔2 3 米， 成 “ 品” 字形排 列， 高潮时全部 淹没 水下2030厘米， 退潮 时全部露出。 由 于其为 大型混凝土障 碍物， 且布置量多， 覆盖面 积相当巨 大， 需 要一定的 t n t当量 的爆炸 量才能 摧毁以 便开辟出一条可 供我军部队 快速登陆的 通道， 而 我军目 前所 装备的 情况 来看， 采 用多火 箭弹群爆的 技术能够 很好的实 现 迅速快速的扫 清障 碍. 使登陆部队 可快速安 全地登陆。 水声通信系统 不同于 传统的电 磁波 通信系 统， 它必须 通过非常特殊的 水声 信 道， 即 通过海水媒质 传输 信息。 海水媒 质极为复 杂多 变， 传 播过程中媒质对声能 的吸收和波阵面的扩展导致信号的衰落: 海面和海底对声波的散射和反射导致了 硕士论文 基子水下通信的水下群爆技术 多途现象; 还有海水媒质的 不均匀性以及 水下存在的 大量的干扰 噪声， 都将使水 声信号产生畸变。 因 此， 水声信道的 随机时一 空 频变特性 给水声通 信技术提出 了 许多很高的要求。 近一个世 纪以 来， 人们 对电 气通信的理论 与应用 研究已 趋成 熟， 而 对水声 通信的 研究仍处于起 步阶段。 虽然水声通 信是 人们普遍 接受的水中 通信方式， 但由 于水声 信道的 复杂、 随机多 变等特 性， 直到目 前还没 有商业化的 水声通信系统能 同时满 足人们对通 信作用 距离、 通信速 率、 通信可 水性、 通信方 向( 水平或垂直信道) 、 信息传输形式 等五 方面的要求。 水声数据传输技术是近年来发展迅速、研究相当活跃的科学技术领域之一， 是当代海洋研究、 海洋资源勘 探和开发 如水下作 业、 海洋环境立体 监测和地震监 测等系统中的重要 技术组成部分， 它的研究 为解决水下 信息的可靠 传输和交换提 供了 重 要的 技术 保障 lizial 。 浅 海 域 无 论 是 在 军 事 上 还 是 在民 用 上 都 是 一 个 十分 重要的战略区域。 中国 位于亚洲大陆 的东 部， 除拥有9 60万平方公 里的“ 陆地国 土” 之外， 还拥有 约3 00万平方公 里的“ 海洋国土” ， 而这些“ 海洋国 土” 大部 分都处于浅海区域，含有丰富的海洋资和重要的军事战略地位. 因此无论是从民 用上还是从军 用中的海 上战争 来看， 浅海域水声通信技术都 有若特别重要的意 义，本论文的研究围 绕着浅海水 声数据 传输及群爆 技术展开。 1 . 2水下通信的水下群爆意义 在人们 迄今所熟知的各种能 量形式中 ， 海水中 以声 波传播性能为 最佳， 声 场 是水中传播最远的 物理场。 在混 浊、 含 盐的 海水中 ， 无论 是光波还 是电 磁波， 它 们 的 传 播 衰 减都 非 常 大 ， 在 海 水 中 的 传 播 距 离 十 分 有限 1，1 。 最 新 研 究 发 展的 蓝 绿 激 光 技 术 阁 己 取 得 了 相当 的 进 展 ， 但 因 其 造 价昂 贵 ， 且 作 用 距 离 小 ， 不 适 用 于大 规模、长距 离的 水下通信， 相比 之 下， 声波在水中的 传播 性能 就好得 多。因 此， 声波在人 类海洋活动如水 下目 标探 测、 通讯、 导航等方面 得到了 广 泛的 应用。 1996 年5 月以 前国际 上建立了 联合国 大陆架 界限 委员 会， 该 委员 会认为要 用五种设备 测量才能认可为 划界提供的图 件和资料， 其中 三种的 设备是采用声 纳系统， 由 此 可见海洋中声学技术的重要性。 1 . 3 声纳的 研究现 状 声纳是“ s o n ar” 一词的 译音， 它由s o und ( 声) 、 n a v i g ati o n ( 导航) 和r a n g i n g ( 测距) 三个英文字的 字头构成， 意思 是声 导航与测距。 今天的声 纳， 其含 义早 已 超出 原来所指的内 容。 什 么是声 纳? 简言 之， 声纳 是利用 水下声波 判断 海洋中 物体的 存在， 位置 及类型的 方法和设备。 近年来， 人 们更将声 纳的含 义加以 推广， 以致凡是利用水下声波作为传播媒体，以达到某种目的的设备和方法都是声纳。 硕 士论 文基于水下通信的水下群爆技术 然而人们更习惯于将声纳理解为具体的设备， 因而凡是用声波对水下目 标进行探 测、 定位、 跟踪、 识别，以 及利用 水下 声波进行 通信、导 航、 制导、 武器的射击 指挥和 对抗等方 面的水声设备皆 属声纳这一范畴。 由 于声 纳是利用水下声波对目 标进行探侧 和定位的 设备， 因 而水面 舰艇、 潜 艇、 鱼雷、 水雷、 水下 暗礁、 鱼群及其他能发出 声 波或产生回 波的 水下物体， 均 可作为声 纳的 探测目 标。 所以 ， 声纳在军事上 和国民 经 济中 具有广泛的 用途。 声纳在军 事上的应用始于第 一次世界大战。 例 如水下目 标的 探测、 定位及跟 踪、 水下武器的 射击指挥、水下 通讯、 水雷探测、 水下导 航、目 标识别、 水下武 器制导、 侦察与干扰等几 乎都首 先在军事上得 到应用. 水下目 标探测， 是 指利用目 标自 身 发出的 声 波 ( 包括自 身的噪声 或主动发出 的声信号) 或目 标的回 波来确定目 标的 存在. 定 位则是 利用上述声 波来确定目 标 的 位置， 包 括目 标的距离、 方位 及深度。 对水中 感兴 趣的目 标进行连 续不间断的 跟踪探测称为跟踪。区分目标的类型和性质是通常所指的识别。 所谓目 标类型和 性质是指目 标的 大小， 是假目 标或 是真目 标 ( 例如 石头、鱼或 舰艇) ，是我 方舰 艇或是敌 方舰艇， 是何种 类型的 舰船等等。 通信是指 各潜艇之间， 潜艇与水面舰 艇之间利 用声波传递信息。 水面舰 艇之间 一般不用 水声通 信。 导航 是声纳的另一 广泛应用 领域， 可以 利用测量水深、 本舰的航 速来提供 本舰的位 置和速度等参数。 例如船只进港常需用多普勒导航声纳，潜艇在冰下航行则必须利用声纳进行导 航。 近年来水下武 器广泛利用非触发声引 信， 因而 利 用声波达到使武 器( 如鱼雷) 导向目 标的 声制导技术就 得到 广泛应用。 鱼 雷上有主 动或被 动式声 波导向目 标的 制导装置，而新型水雷也逐步向这方面发展。侦察敌方声纳参数 ( 如频率) 或利 用干扰声和假目标来压制和迷惑敌方声纳的技术统称为水声对抗。 声纳 广泛用于民 用目 的 是从第二次 世界大战结 束后开 始， 并随 着海 洋事业的 发展是用 范围日 益扩大。 除回波 探测深外， 海底 地貌测 绘、 海洋地质 考察、 船舶 导航、 鱼群 探测、 遥控遥 测等都 越来越依 靠于声纳。 在海上 石油勘探和开 采过程 中， 在水下石 油管道铺设与定位、 船舶动力定位、 井口 重入等方面， 声 纳己 经并 将进一步发挥其重要作用。 1 . 3.1 声纳的发 展简史 声纳技术的 发展和其它学科的 发展一样， 也是随 着军用与民 用的需 要和其它 学 科的发 展而逐 渐发 展起来的.自1 4 90 年意 大利的艺 术家、 科学 家达 芬奇发 现声管， 至今己 有5 00 多 年的历史。 那时， 他用一 头闭 合的 声管插入 水中 ， 发现 可以听到 远处的 船舶 航行声， 这大概可以说 是最早的 声纳了。 5 00多 年来， 声纳 技术的发展从时间上大体可分为五个阶段。 硕士论文基于水下通信的水下群屠技术 149 0 年至第一次 世界大战前 可认为 是声纳技术的 漫长探索阶 段。 在这 期间， 人们对于 水声传播问题 认识甚少: 1 8 2 7 年瑞典 和法国 的 科学 家第一次 测得水中 声 速。 也 许 1 9 1 2 年 英国 泰坦尼克号巨 型豪华客 轮首航纽约在北 冰洋触礁 沉没的 惨剧，使 科学家们认 识到声纳的 重要性，因 而直到19世纪才开 始研制 用于航海 和水下通信的水声器材。 1 91 4 一1918 年的 第一 次世界大战 是声纳发展的第二 阶段。 在此期间，由 于 德国人使 用潜艇击沉了 协约国 ( 俄、 英、 法) 几千只水面 舰艇， 迫使参战国 研制 水声设备。 直到 1 9 1 7 年法国科学 家郎 之万首次使 用了 超声换能 器，加 上当时 发 展的电真空 技术， 才探测到 海底回 波和 钢板的回 波。 他的设备很 快就达到能 探测 潜艇回波的水平。这期间 人们利用 人的双耳效应制成了 噪声定向 仪 噪音站。 这样协约国 才有了 对付德国潜艇的 手段， 从而使德国 潜艇不再能 耀武 扬威地在水 下横行。 第一 次世界大战 后至第二次 世界大战前是 声纳技术稳定 而持续发 展的 时期。 这期间， 由于超声技术和电 真空技术 及以 无线电技术取 得一系列 成就， 各国 相继 制 成了许 多形式的 噪音站。 回声定位 仪己 在美国成批生 产， 磁致伸缩 换能 器和压 电 换能 器也已 相继问 世。人们 对海水中 声传播的 理论也 进行了 较为 深入的研究， 例如认识了 海水温度对声 速的 影响 ，以 及海水 的声吸收与 频率的依 赖性等等。 第二 次世界 大战 ( 1 9 391 9 4 5) 的 爆发， 使声纳技术 迅速发展 到新的阶段. 由于 潜艇 在战争中的 作用极为 突出 ， 因此它 对海上运输船只 和水面 作战舰艇构成 严 重威胁。 为了 有效地对付 潜艇， 声纳成为实 施反潜战的 不可缺少的 耳目。 这期 间美、 英、 法等国家 相继研制了 各种类型的声纳。 水面 舰艇主动 声纳、 潜艇被动 声纳、 扫描声纳、 机械转 动的 换能器基阵， 以 及具有音响 制导的 鱼雷和音响水雷 等都 是这一时期发展起来的。 由 于电 子技术的发 展， 声纳 设备己 经不再是简单的 收发装置， 而逐渐成为复 杂的电 子和电 声系统了 。 这一时 期， 人 们在理论和实验 研究方面 也取得了 一系列 成就， 例如对传播衰 减、 吸收、 声散 射、目 标的反射特 性、目 标强 度、 尾流、 舰艇噪声以 及入耳的 识别能力等 都进行了 深入的 研究。 如 果说第一 次世界 大战期间的声 纳技术还处 于幼 儿阶段的 话， 那么第 二次世界大战 期间的声纳技术则趋于成熟了。 第二 次世界 大战 结束至 今已 有50多年了。 这50多年， 随 着科学 技术的 进步， 声纳技术 也得到了突 飞猛进的发 展。 电 子技术特别是 微电子 技术的发 展、 人 们对 海洋中 声 传播规律的 掌握， 以 及导弹武 器和核潜 艇的出 现等， 都是 推动声纳技术 发展的 主要因素。 战后声 纳技术发展的 主要特点是 采用低频( 主动 声纳频率 低到 i khz 3 川2 ) 、 大功率 ( 几百 千瓦甚 至兆瓦) 、 大尺寸 基阵， 并广泛 采用 信号处理 技术。 由 于使用了 低 频和大发射功 率， 致使换能 器基阵 尺寸 大大增加， 不再利用 硕士论文 基于水下通信的水下群爆技术 机械机构 转动， 因 而普遍采用多元阵和 波束形成技 术， 利用电 子相位或时 延补偿 技术来控 制波束在预定 扇面内 扫描， 或同 时形成多 个指向 的波束， 使 声纳的空间 搜索速率 大为提高。 在信号处理方面广 泛采用相关处 理， 脉冲压缩和快 速傅里叶 ( f 盯) 谱分 析等技术来提高 接收机的 处理增益。 在传播途径的利用 方面，利用 了多途径 传播效应使声 纳作用距离 大为 提高。 数字技术的发 展使声纳的 许多信号 处理功能均可由计算机和专用微处理器实现。 1 . 3 . 2 声纳技 术现状 第二次世界大战 后至今， 虽然 未发 生过世界性的 大战， 但局部战争 从未间断 过。 从20世纪50年 代开 始， 由 于核动力 潜艇的出 现， 反 潜问 题受到 各国 空前的 重视， 推动了 声纳技术 发展. 进入60年代后，由 于新电 子技术在声 纳中 的实际 应用， 声纳的 发展更为迅 速， 声纳已 逐渐改变了原来的 面貌。 在军 用声纳中， 除 了人们熟 知的 采用低 频、 大功率和 大基阵尺寸之外， 还有 几项声纳技 术方面值得 一 提 的 成 就， 这 些 成 就 反 映 了 声纳 技 术 的 现 状。 下 面 简 要 叙 述 一 下 这 些 成 就卜 1， 。 1 、深 海声 传播途径的应用 深海声道是存在 于深海中 的一种自 然现象，在60 年 代才被人们 发现并 试图 利 用它 来探测远程目 标。 80 年代 各国 海军的 远程 声纳几乎都 利用了 深海声 道传 播途径。 当 声波从海面附 近以 某种倾角向 水中 发射时， 由于负 温度梯度 所形成的 负声 速 梯度的 影响，使 声线渐近向 海下弯曲。 在到达 海深1 0 001 2 0 0 米处时， 水温 开 始恒定 不变， 此处 声速值最小， 称深 海声 道轴。 声 波过声道 轴后， 向 深海延 伸。 由 于 静水压力随深 度而增加， 又使声 速逐渐增大， 形成 正声速梯 度层， 声线 又力 求向 海面方向 弯曲， 最后终于从海洋 深处 又折回海面附 近。 然后， 声 波又从 海面 附近折向海下， 重复前述传播过程， 便在海面和海底之间形成多次折射的传播途 径。 声波从海面附 近某点向 海下传 播过声 道轴后又折向 海面附 近另一 点， 两点 之 间的水平 直线距离 大约为30余海里。 第一折回点所 在区 域称为 深海第一 会聚区， 第二折回 点所在区 域称为第二会聚区 等等。 声波沿深海声 道传播时， 可将声能 会 聚到一个狭窄通道内， 因而可传播很远的距离。 舰艇主动式声纳使用此种深海声 道传播途 径， 可探测到第 一会聚区 (30 35 海里)的目 标，而 被动声纳 可探测 到第三会聚区 ( 大于1 00海里) ， 甚至更 高次会聚区的目 标。 使用 深海声 道效应 可 实现远 程目 标探测， 在军事上有极 其重要的意义。 现代声 纳可以利 用直径传 播、 海 底海面反 射和 深海声道 三种途径探测目 标。 2 、信 号处理 和教字技术的应用 人们早已 得 知，接收机中采用信号 处理技术可以 提高 输出信号 / 噪声比，从 硕士论文 基于水下通信的水下群爆技术 而可以 提高 设备的 作用距离。 然而， 早期的声纳 接收 机基本上是 对接收的信号进 行放大、 检波 后进行 显示或 收听， 没有或很 少采用信号 处理技 术。 一方面是因为 人们对水声 环境和无线电 波 环境的 差异认 识不足， 致使雷达和 无线电 通讯中己成 功使用的信号处理 技术不能成功 地在声纳上 得到 应用。 另一 方面， 已 经发展了的 信号 处理方法， 难以 用模拟电路实 现， 或实 现过于复杂。 随 着数字技术， 特别是 微处理器和新的 信号处理器的出 现， 使得许多需 要进行大量运算的 信号处理 方法 的实 现成为可能。 60 年代末期，数字电 路己 经取代了多种 传统的 模拟电路，使 声纳设备的体积大为 减小。 70 年代初， 数字计算机己 应用于 声纳信号处理 和系 统的 管理。 微处理 机的出现， 使计算机的结 构有新的 发展。 各 种专用和通用高速 数字信号处理器 ( 璐p) 的 出现和各种 新的信号处理算法的开 发使用，使声 纳设 备的 面貌发生了全 新的 变化。 近年 来， 一些 新的 信号处理算法， 如快速傅里叶变 换 ( f 阿) 、 数字波束形成、 互谱 法定向 、以 及各种自 适应算 法， 己 经开始应 用于 军用声纳。当今的声纳已经成为由计算机管理的多个数字信号处理器组成的系 统， 而 且复杂的系统 管理程 序和信号处理应 用程序也己 成为 现代 声纳极其重要的 组成部分。 3 、 新声纳体制的 采用 二战期间 及其后相当 长的时间 里， 声纳的 水下部分大都是 舰壳固定安 装的 单 个换能器 或换能器 基阵。 舰壳安装的主 动声纳的性能常受 本舰航行噪声的限制。 6 0年代 初期国 外开始 使用 拖曳 式声纳。这种声 纳的 换能 器基阵和发 射机连同 一 些接收 前置预处 理电 路 均置于可拖曳的导 流罩内 ， 用拖缆拖于舰艇 后方水中。 由 于拖体 远离 本舰辐射噪声 源， 且可调 节深度以 适应 不同 水文条件， 因而使 声纳作 用距离大 大增加。 普 遍认为， 拖曳式声 纳是主动声纳中性能 最好的一 种主动声纳 体制。 另一种拖曳式 声纳是用 于被动探测的 拖曳线 列阵声 纳。 它将多 个水听器沿 拖缆长度 方向安 装，排成 线列阵、由 水面舰艇、潜艇或反 潜直升机等 拖于水中。 由于 拖曳 线列阵 可做得很 长， 因而可 采用低声频和深 海声 道传播途径 实现远程探 测。拖曳式线列阵声纳己成为国内外海军相继采用的新型被动声纳。 被动式声纳发 展中的另 一突出 成就是 被动测距声纳的 使用。 早期的被 动声纳 只能 测目 标方位， 不能 测目 标距离。 70 年代被动测 距声 纳的出现被 认为是声纳 技术的 一种重大突 破。 它意味 着潜艇可以 安全依靠 被动声 纳对敌舰 进行定 位， 并 引导鱼雷实施攻击。 这对在海战中 保持潜艇的 隐蔽性和增强潜艇的 突然袭击能 力，具有极其重要的意义。 舷侧阵 ( 介a nk 阵) 声 纳是 90 年 代使用的 最新被动声 纳体制。它与 拖曳线 列阵 不同， 其多 个水 听器沿 潜艇 两舷侧贴装， 纵向 排列成长线列阵。 由 于它既不 破坏潜艇的线型， 基阵长度又甚大， 在某种程度上它具有舰壳声纳和拖曳线列阵 硕士论文塞于水下通信的水下群爆技术 两者的优点， 是目 前舰壳声 纳中 作用 距离最远的声 纳。 4 、被动目 标识别技 术的研究与 应用 传统的 被动目 标识别 方法是采用听 觉， 由 有 经验的声 纳操作员 来判别目 标的 性质。 近年来国内 外 都十分重视被 动识别 技术的 研究。 这是因为 潜艇为 保持其隐 蔽性， 很少使用主动式声纳，因而利用被动式声纳根据接收的目 标噪声识别目标 的性质 ( 水面舰艇或潜艇、何种类型的舰艇等) 就显得尤为重要。 潜艇在对 目 标 做出性质识 别之前往往 无法 采取习惯行 动。目 标识别的 过 程由 特征分析、 特征提 取和目 标分 类鉴别三步构成。 由 于进 行目 标识别时 必须有一个包 含各种目 标信息 的数据库和 一整 套目 标识 别软 件。 因 此目 标识别系 统实际 上是 一个复杂的计算机 软件工程。 目 前国外 有些海军的 潜艇己 经 有了 可供使用的 识别系统。 被动目 标自 动识别技术的使用，无疑是声纳技术发展的一项重要成就。 军用声纳 技术的发展除上述 几点外，水声 对抗技术、 声 纳终端显示、全球 性反潜探测数 据传输处理 控制、 新材料的 应用等， 均已 进入到 一个新的 阶段。 军 用声纳技术的发展， 必然带动民用声纳的使用和发展。 声纳己经广泛地应用于海 洋资源的 勘探和开发没， 可以 预料， 不久的 将来， 声纳必将 在海洋事业和国民 经 济中发挥愈来愈大的作用。 1 . 4本论文的 研究内 容 本课 题针对一 枚火箭 弹对轨 道碧的 毁伤比 较小的 实际 情况， 在 对一次 性摧毁 轨 道碧方 法研究 的 基础上， 提出 了 一种新的 摧毁轨道碧的 方场 去 一 一水下 群爆法。 通过理论推导和实验验证， 证明基于水下通信的水下群爆开辟登陆通道的方法是 可 行的。 在实验结 果的基础上， 进行了 基于 水下通信的水 下群爆引 信系统的设计 与开发。其具体任务如下: 1 . 对水下通信的 水下群爆进行 理论的推导， 讨论了 影响理 论结果的参数， 并 对理论关系式进行实用化的改造，得出符合实际应用的关系式。 2 . 设计 和搭建实 验台 ， 拟定 实验方 法， 进行实 验验证， 对实验结果 进行分 析， 对理论关系式进行修正。 3进 行引 信系统总体 规划， 进行 接收系统的 硬件设 计. 4 . 进行整个系统的硬件调试，现场安装调试. 硕 士 论 文基于水下通信的水下群爆技术 2 水下通信以 及水下群爆的 原理分析 2 . 1 超声波与超声波 传感 器 人能听见声 音的 频率为 20 hz一 20 k h z ，即 为可听声 波， 超出 此频率范围的 声音，即20 hz以下的声合称为 低频声波 ( 次 声波) ， 20 khz 以 上的声 波称为超 声波，一 般说话的频率 范围为 1 00 h z 一 skhz 。 超声波为 直线传播方 式， 频率越 高.绕射能力越弱，但反射能力越强，为此，利用超声波的这种性质就可制成超 声波传感器 f l 田 . 另外， 超声波在水中 传播速度 较快， 为1 5 00 m/s . 超声 波 传感 器 有 发 送 器 和 接 收 器 ， 但 一 个 超 声 波 传 感 器 也 可 具 有 发 送 和 接收 声波的双 重作用， 即 为可逆元件。 市售的 超声波 传感器有 专用型和兼用 型， 专用 型就是发送器用 作发 送超声波， 接收器用 作接收超声 波; 兼用型就是 发送器( 接 收器) 即 可发 送超声 波( 接收超 声波) ， 又可 接收超声波( 发送超声波 ) 。 市售超声 波传感器的 谐振 频率( 中 心频率) 为2 3 k h z ， 4 0 khz ， 7 5 k h z ， 2 0 0 khz ， 4 0 0 khz 等。 谐振频率 变高， 则检测距离变短，分 解力也变高。 超声 波 传感 器 是 利 用 压电 效 应的 原 理 91 ， 压 电 效 应 有 逆 效 应 和 顺 效 应， 超 声 波传感器 是可逆元件， 超声波发送器就是利 用压电 逆效应的原理。 所谓压电 逆效 应如图 2 . 1 . 1所示， 是在压电 元件 上施加电 压， 元件就变形，即 应变。 若在图 2 . 1 . 1 a ) 所示的己极 化的压电 陶瓷上施 加如图2 . 1 . 1(b) 所示的 极性的电 压， 外部正电荷与压电陶瓷的极化正电荷相斥， 同时， 外部负电荷与极化负电荷相斥。 由于相斥的作用，压电陶瓷在厚度方向上缩短， 在长度方向上伸长。 若外部施加 电 压的极 性变反， 如图 2 . 1 . 1( c) 所示那样， 压电 陶瓷在厚 度方向 上伸长，在 长度方向上缩短。 超声波传感器一般采 用双晶 振子结构， 即 把双 压电 陶瓷以相反 极化 方向 粘在 一 起， 在长 度方向 上， 一片伸长， 另一片 就缩短。 在双晶 振子的两 面涂敷 薄膜电 极， 其上面 用引 线通过金属板 ( 振动 板) 接到一个电 极端， 下 面用引 线 直接接到 另一个电 极端. 双晶 振子为 正方形， 正方形的 左右两 边由圆 弧形突 起部 分支撑着， 这两处的 支点就 成为振子振动的 结点。 金 属板的中 心有圆 锥形振子， 发 送超声 波 时， 圆 锥形 振子有 较强的 方向 性， 高效率 地发送 超声波; 接受 超声波时， 超声波 的振子集中于振子的中心，高效应地产生高频电压。 硕士论文基于水下通信的水下群爆技术 压电陶瓷 电极 a长度方向上伸长长度方向上缩短 -. 刁 卜 月尸-. 电极b ( a) 压电陶瓷的极化( b) 外加电压产生的应变( c) 外加电压相反的应变 图2 . 11 压电 逆效应 2 . 2 超声的 发射与接收 2 . 2 . 1 、 超声的 发射 主动声纳是由 声纳站 本身向 水介质中 发射特定形式 的声 波能量， 利用回波信 号 来探测和识别目 标， 并测定目 标的 位置和 运动参 数的. 所谓 特定形 式的 声能 是 指具 有特定的频率、 特定的调制方 式及脉冲长度等的 声 波信号. 声纳 发射机在主 动 声纳中 起着产生具有 这种特定形式的 大功率电 信号的 作 用， 然后一 般要经过匹 配网 络提高发 射机输出效 率， 再经过 换能 器将电 信号能 量转 换成声 信号能量辐射 到 水介质中去。 发射机的 基本组 成如图2 . 21 所示， 主 要由 三个部分 组 成。 第一 部分是波形 产生 器。 它的功能是 产生 一定形式的 波形信号， 其工 作频率、 脉冲长 度和重复周 期 都可以 选择， 信号 可以 是单 频脉 冲调制波， 也可以 是调制 脉冲波或 其它信号波 形。 第二部分是发射多 波束信号形成 器。 形成多个空间 波束 的发 射驱动信号，向 水下 空间 某一指定的 扇面 角度或全 方向 提供声能， 波 束的数 量取决于 声纳对目 标 搜索 速度和定向 精度的 要求。 在简 单的 主动声纳中， 采用单 个波束发 射和机械转 动方 式来确定目 标方位 ( 俗称的 探照灯式工作方 式) ，这个 部分就 可以 省 去。第 三部分是 功率放大器。 由 波形产生 器产生的 信号功 率很小 ， 不能够直 接驱动换能 器向水中 辐射足够的声波能 量。 在 实际应用中， 往往 要求加 到声纳换 能器上的电 信号功率 要达到几千瓦， 甚 至兆瓦 的量级， 所以 必须 进行功 率放大， 并对换能器 进行阻抗匹 配，以 便能够以 足够高的效率向 水中 辐 射足够的 声信号能 量。 硕士论文基于水下通信的水下群爆技术 图2 2 . 1 声纳发射机基本组 成 1 、 就工作 原理而言，声纳发射机 与无线电 发射机并 无多大的差别， 只是由 于它们所应 用的 能量传播介质不同 ，导致它们的工 作负载不同， 工作频 率不同， 所以 在设计时 所考虑的问题侧 重点 有所差 异， 归纳起来大 致有以 下几 个方面: 1)、 为了 便 于记录被测目 标回波 信号， 声 纳发 射机多数 工作在脉冲 信号工作 状态下。 工 作时， 发射机产生具有 一定的 重复周 期t 、 一定的 脉冲宽度丁 和一定 的脉冲功率的电 信号， 如图222 所示。 这样的 信号加到 换能 器 ( 基阵) 上去， 再由 换能器 ( 基阵) 将电能转 换为 声能辐 射到 水中 去。 显 然， 发射脉 冲的 前沿， 即脉冲发射 时刻和显示器距离显示 的起始点 要保 持严格同 步。 图2 . 2 . 2 发射信号的 波形 2 ) 、 声 纳发射器的 负载是水声换能 器， 它担负着将电 信号转换 成声信号， 并 辐射到 水介 质中去的任 务。 因 此， 换能器的 参数反映了负 载的性质， 同 时也决定 着换能器的电 声转换效 率。 目 前， 在水 声设备中应用最多的 换能器 有磁致伸 缩换 能器和压电 陶瓷换能器。 磁致伸缩 式换能器在机械 谐振时呈 感性阻 抗; 压电 陶瓷 换能器在机 械谐振时 呈容性阻抗。 为了 提高输出 信号电 压、 电流间的 品质因 数， 一定要在发 射机输出 端和负 载之间进 行阻 抗匹配， 以 便获 得最大的 功率 输出， 并 避免损坏末 级功率放大 器的 器件。 3)、 为了 保证水声设备的战术性 能和技 术性能， 发 射机必须能在 恶劣的 工作 环境下工作. 绝大多 数水声设备安 装在船舱内， 工作温 度范围从一10 到+5 0 。 在这样的工 作环境下， 必须要考虑元 件使用的可 靠性和稳定 性。 对于 末级功率放 大器所选用的 功率 放大管，必要时 要加冷却装置 ( 风冷或水冷) 。 还必须保 证发 射机在较高的 相对湿度和空 气含盐度 较高的 条件下工作， 要防 止绝缘 击穿。 此外， 还要考虑机 箱( 柜) 外壳密 封和系 统在受到强烈的 颠簸与 振动或船用电 源波动时， 设备工作的可靠性。 2 、 声纳发 射机的 主要技术 指标 根据声纳总体 指标的要求，声 纳发射 机的指 标通常有以 下一些: 1 ) 、电脉冲功率p 硕士论文 基于水下通信的水下群爆技术 它是指发射脉冲持续时间内发射机消耗的平均功率， i u 泛 通 常 用 公 式 尸 = 童 资 来 表 示。 其 中u 、 是 发 射 机 输出 的 峰 值 电 压， r是 发 射 换 能 器 辐 射电 阻。 脉 冲 功 率决定着声纳站的最大有效距离， 可根据声纳方程求得所需的发射声源级 sl o db = 1 声 巩) ，然后声 纳发射 机的电 功率p 便可以 根 据公式 sl = 1 7 0 . 8 + 1 0 l o g p+ to g e +dl 来估算。其中 e 为 换能 器电声 转换效率; dl 为空间 指向 性指数， 又称聚集 系数。 一般来讲， 一部声纳站 所要求的作 用距离越大， 声纳发 射机的 发射功率也就 越 大， 则相 应的 体积也大， 经 济代价也大。目 前， 声纳发 射机视其用途不同， 其 发射功率可由几瓦到几百千瓦不等。 2 ) 、脉冲重复周期 t 脉冲重复周期取决 于声纳的 最大作用距离，可以 用下列公 式来计算 t = 竺 远 - 式中场一声 纳最大作 用距离; c 一声 波在水中的 传播速度， 在海水中， 一 般取1 5d伽/s。 不但各种 水声 设备由 于 用途不同， 从而要求的最大作 用距离也 不同， 重复周 期的 差别很大， 可以 从几十 毫秒到几十 秒， 就是 在同 一部声 纳站中， 为了 探测位 于不同距离上的目 标，也要有几种不同的脉冲重复周期，以供选择。 3 ) 、脉冲宽度丁 脉冲宽度不仅 与混响强 度及显示指 示器的 识别能力 有关， 而且还考虑 最小作 用距离 r .i 。( 盲区)和目标距离分辨率汾 等因素。从最小作用距离 ( 盲区)考 虑 ， 应 该 有 : 、 三 鱼 巴 ， 例 如 ， 如 果 要 求 声 纳 盲 区 不 超 过 1 5 。 ， 则 脉 冲 宽 度 就 要 求 小于2 0 . 5 。从距离分 辨率 ; 考虑， 应该有 : 竺 c 例如， 如果要求 分辨率 相距75 。 的两个轨道碧， 在不 采用脉冲压缩技术时， 则脉冲宽 度就要求小于10二 5 . 在满 足最小 作用距离 和距离分 辨率的情况下， 适当 增加脉冲 宽度丁 ，即 增加 发射能量， 将增加作用距离。 采用主动声纳最佳接收机信号处理技术( 匹配滤波) 硕士论文基于水下通信的水下群爆技术 对信号进行处理， 相当 于增加了发 射功率。 所以，目 前的 主动 声纳一般 都具 有几 种不同 脉冲宽度、 工 作方式及可供 选择的信号调制 方式。 这样， 可以 根 据实际 情 况， 任意 选择其中 的一种脉冲宽 度及信号调 制方式对目 标 进行探 测和 识别， 同时 尽可能 地不损失距离分 辨率。 4 ) 、发射脉冲波的 上升、 下降时 间和顶部起伏 一般要求发射波形的 包络尽量接 近矩形， 但是实际上， 所能 得到的 脉冲 波形 只 是 近 似 矩 形 。 它 可 以 用以 下 三 个 参 数 来 表 示 : 前 沿 上 升 时 间 : ， 、 后 沿 下降 时 间 朴及 顶 部 的 起 伏 。 由 于 脉 冲 宽 度 较 大， 通常 要 求气 (0 4 1 一 0. 2 ) ， 和 几 (0 2 0 . 3) 丁 ，脉冲顶部的起伏小于 1 以1 5%的脉冲幅度。 5 ) 、声纳发 射机的 频率范围 发射机的发 射频率， 也就是主 动声纳的工作频率 ，它是 一个很重 要的 指标。 采用不同 的发射频率， 直接关系 到声波 在水中的 传播衰减 、 换能 器的指向性指 数 以 及在这个频率范围上的 环境背景千 扰电 平或电 路噪 声电 平。 这些因素 都影响声 纳的 作用距离， 而提高 作用距离是当 前声纳要解决的 主要矛 盾。 所以 ， 应以声纳 探测的 最大作用距离来 确定 一部声纳 站的最佳工作频 率。 目 前， 整个 水声设备的 频率范围从几千 赫兹到 几百千赫兹。 几百千赫兹的工 作频率 应用在近距 离的 探测 设备和航道测量或 海底 地貌图 的探测 设备中， 这时的发 射机体积小， 特别是换能 器的 尺寸小。 较低的 工作频率 主要用在以 探测远距离目 标的声纳中， 此时 要求作 用距离远，但发射机体积大，换能器的尺寸也比较大。 6 ) 、发 射信号的 频率稳定度 因为声纳接收机都具有较窄的相对带宽， 所以对发射机要提出频率稳定度的 要求。 发 射信号频率的不稳定， 使 接收信号的频带 有可能 超出 接收 机的 通频带范 围， 影响 整个接收系统的正常 工作。 特别是 对现 代主 动声纳中 常用到的匹 配滤波 器 ( 通常是用互相关器实现) ， 其参 考信号要取自 发 射信号，因而 发射机信号频 率的 稳定度就要求更高。 7) 、 发 射机 平 均 功 率凡 平均功率是指一 个脉冲周期内 的 平均功率。 它决定 着发 射机元、 器件的发热 程度 ( 功耗) ，以 及电 源为发 射机 提供的 功率要求。因为 在一个脉冲 重复周期 t 的时间内，仅在脉冲持续时间公 内有能量发出，所以发射机的平均功率为 _了 _p 代 ， = ， ，i = 一 ，tq 式中p脉冲功率; 丁 脉冲宽度; t脉冲的重复周期: 硕士论文基于水下通信的水下群烙技术 to j 、 山二 l。 ， ， _一， l。一， _ q = 下 豚 洲 四 引月 比 ， 久 邢白 至比 q的数值往 往很大 ( 几十到几百) ， 这是由 于 用脉冲 信号便于 对目 标 进行距 离测量. 例如一 部声纳站发射信 号的 脉冲宽度 为5 叱，其作 用距离 为 1 00链 (l 链约为1 85 . 2 米) ， 则探测到 最大 距离所需的时间 约为12. 45 ， 可以 算出 此时的 占空比q=5 / 1 2 400 . 因此声纳发射 机消耗的平均 功率和由声 纳方 程计算出 来的脉 冲声功率相比要 小得多，这就 有可能使得工作 在脉冲调 制方式下的声 纳发射机， 在消耗较小的电源功率的情况下， 输出很大的脉冲功率。 一般采用较小功率的电 源连续向储能 元件 ( 一般为大 容量储能电容器) 补充能 量 ( 充电) 。 可靠性、 可维修性以 及工 作环境要 求也是 声纳发 射机的重 要指标. 2 . 2 . 2 、超声信 号的 接收 近代声纳 接收机中大多 采用各种 信号处理技术， 以 提高系统 输出 信噪比 和在 干 扰中检 测的能 力。 数字技术的发 展， 使 得许 多信号处 理技术 在工程上 得以 应用。 一 个典型的 近代声 纳接收 机的 框图 如图2 . 23 所示。 它 包括接收 基阵、 前 置放大 器、 滤波器、 波 束形成器、 动态范围 压缩、 归一 化电 路以 及信号处理、 显 示判决、 程序控制等功能模块。 搜 收 阵十 叫 前 故卜 叫 碑 故 . 卜 叫彼 束 形 成 。 助去 龙图压 绍和归 一化 俏号 处， 翻 卜刊盆示协 龚 盗 趁 序校伽 胜 图2. 2. 3 典 型声纳接收机 1 、声 纳接收 机的 主要指标 声纳接收机的 指标是表征一个设 备的用途、 功能的 技术 参数， 人们通 过这些 指标来衡