一种异形罗盘腔及测量电路在吊放声呐中的应用

马利锋

（第七一五研究所，杭州，310023）

吊放声呐是反潜直升机主要装备之一，而水下分机是吊放声呐的湿端，罗盘腔又是水下分机的重要组成部件，用于测量水下分机在水中转动时相对磁北的方位。一般水下分机常设计有固定的底部电子腔，罗盘及罗盘处理电路均布于其中，而具有可收放换能器阵的水下分机取消了底部固定电子腔，为此，本文设计了一种新型的异形结构形式的罗盘腔，用于安装罗盘及罗盘处理电路并对其进行水密。罗盘腔安装位置不能阻挡发射换能器的下放展开以及收拢，同时应尽量远离电机等磁性零部件，并满足易于拆卸和机械式角度微调的维修性要求。此外，我们在该罗盘上集成了温度测量功能，测量当前位置的温度，为温深剖面图的绘制提供数据。

本文设计的罗盘腔具有以下优点：（1）可以实现水下分机在水中转动时相对磁北的方位测量，在潜艇测向时提供方位基准；
（2）可以实时读取水下分机所处位置的温度；
（3）安装在水下分机的底部声基阵外侧，不阻挡声基阵的上下运动；
（4）罗盘舱单独组成部件，较以往型号，极大地提高了罗盘调试及外场维护的便利性；
（5）整个装置结构简单、可靠、紧凑，占用空间小，装在声基阵外侧，不占用水下分机高度空间。

1.1 结构组成及电路工作原理

本文设计的异形独立罗盘腔主要由耐压壳体、罗盘处理电路、罗盘、温度传感器、互联电缆等零部件组成。罗盘及罗盘处理电路安装在耐压壳体内部，温度传感器安装在耐压壳体侧面，耐压壳体上引出水密缆与水下分机电子腔连接。独立罗盘腔可以通过螺钉固定在水下分机声基阵外侧框架上。异形独立罗盘腔外形图如图1所示，罗盘腔安装位置如图2所示。

图1 异形独立罗盘腔外形图

图2 罗盘腔安装位置示意图

罗盘电路[1]由磁通门探头、励磁电路、选频电路、滤波放大电路和后端的传感器调理电路组成。罗盘电路组成框图如图 3所示。罗盘电路工作原理：交变励磁信号在励磁线圈中产生交流电流，由法拉第电磁感应原理，交变电流产生磁场。励磁线圈产生的磁场使磁通门磁芯在“正过饱和”与“负过饱和”[2]两种工作状态间循环。在外磁场（比如地磁场）的作用下，磁芯的正负饱和时间不再对称，感应线圈就能感应出不对称的电流，它的大小反映了地磁场在该感应线圈轴向上分量的大小，两组正交的感应线圈分别测量出地磁在罗盘X轴向和Y轴向的分量，罗盘工作时探头中磁感应强度B的波形示意图如图4所示。

图3 罗盘电路组成框图

图4 磁探头磁感应强度示意图

对于某一方位，其地磁场强度的大小和方向是一定的，此时磁探头磁感应强度中除了励磁磁场强度外还叠加了地磁场强度，大小和方向感应在励磁频率的2倍频上。磁探头能将微弱的地磁场在正交的X、Y轴感应线圈中的分量（大小和方向）转换成感应线圈中的电流。选频电路能选出感应线圈中携带地磁信息的微弱2倍频有用信号，经滤波、放大后送上电子舱的传感器调理电路板放大和误差修正，产生X、Y轴输出电压X1、Y1，通过以下公式，计算出相对磁北的方位φ（注：φ=0时磁探头的X轴感应线圈与磁北方向相同）。

温度电路工作原理如下：温度传感器[3]通过罗盘腔电缆串联至传感器调理电路中，传感器探测当前温度，给出一个对应的电阻值，串联至调理电路中经放大输出一个压降U，根据公式计算出温度值为W=U/K（K=51 mV/℃）。

1.2 电路设计

1.2.1 励磁电路

励磁电路主要用于选频控制信号发生及激励信号发生，晶振产生高频6 MHz振荡信号，经分频电路分频为6 kHz对称方波，用于选频电路的控制信号；
分频电路输出的方波信号再次经过二分频电路得到频率为3 kHz的对称方波，此频率方波信号作为激励电路的控制信号产生励磁信号去激励励磁线圈信号发生，其原理图如图5所示。

图5 励磁电路原理图

1.2.2 选频及滤波放大电路

选频及滤波放大电路主要是将感应线圈中携带的地磁信息的2倍频分量拾取出来，并将微弱信号放大，方便后续电路处理。选频及滤波放大电路采用模拟开关实现，X、Y路电路完全相同，每路控制信号由励磁电路产生的6 kHz对称方波构成，其原理图如图6所示。

图6 选频及滤波放大电路原理图

1.2.3 误差修正电路

经过选频及滤波放大的X、Y路信号由误差修正电路进一步完成信号放大及误差修正。通过调试电位器，能调整两路零点电位，消除电路参数、安装场合硬磁物质引起的直流偏移误差。放大比例调整电位器能保证两路的电压最大值一致，实现高精度测定方位，其示意图如图7所示。

图7 误差修正电路

1.2.4 温度电路

温度电路主要用于探测当前位置的水温，结合压力传感器探测的深度计算出该区域的温深曲线。主要通过温度传感器探测当前温度，给出一个电阻值，在温度处理电路中经放大后输出一个压降值，其示意图如图8所示。

图8 温度电路

2.1 罗盘测试

在上述设计的基础上我们制造了一个样件。将罗盘腔样件放在无磁转台上，每旋转20°测试X、Y轴输出值并记录，直至旋转360°，按照本文公式计算出罗盘零点相对于磁北的方位角φ。假设罗盘记录数据为pi，罗盘理论值为pii，罗盘方位偏差计算见式（1），罗盘方位偏差均值见式（2），罗盘偏差均方差计算见式（3），得出最终罗盘偏差均方差的值。罗盘测量试验结果如表1所示。根据以上数据计算得出罗盘偏差均方差为0.27°，满足罗盘偏差测量均方根误差不大于1°的设计要求。

表1 罗盘测量试验结果

2.2 温度测试

将罗盘腔样件置于恒温水槽中，调整恒温水槽温度，测量并计算出罗盘腔样件在不同温度点的温度值。温度测量试验结果如表2所示。分析表中数据，可知最大误差为0.5℃，满足温度测量误差为±1℃的设计要求。

表2 温度测量试验结果

本文介绍了一种安装于水下分机声基阵外侧、集成了方位和温度测量的异形独立罗盘腔的设计方案和实现方法，并详细分析了结构设计和电路设计。目前，该罗盘腔已经在实验室联调、湖试中得到验证，并在实际工程设备中使用。该独立罗盘腔结构简单、单独成件、调节便利、测量精度高，具有重要的工程和经济效益。