SCI论文（www.lunwensci.com）
摘要：拖线阵具有孔径大、集成化程度高、受本舰噪声干扰小和适装性强等特点，在军用和民用行业均得到广泛的应用。电噪声水平和抗干扰能力是拖线阵的重要性能指标，高的电噪声和周围的电磁干扰会使目标声源淹没在背景噪声中，大大削弱拖线阵的目标探测能力，因此提升拖线阵信号传输的抗干扰能力非常必要。针对引起拖线阵中噪声的干扰源进行了识别，对屏蔽和接地的方式进行了理论分析和对比，发现屏蔽并采用单端接地可以改变感生电流的流经路径，使干扰电流经屏蔽层短路入地，从而减小电磁感应的面积，对电磁干扰起到抑制作用。通过试验对抗干扰效果进行了验证，结果表明，拖线阵信号传输采用屏蔽防护并采用单端接地能够有效抑制空间的电磁场对传输线的影响，减小拖线阵内部高压电流对前置电路的干扰，提升拖线阵的工作性能；另一方面可以减小对周围电磁环境的污染，降低电缆内高压信号对其外部微弱信号的电磁辐射。本文对抑制空间电磁场对内部微弱信号的影响提供了技术参考，也对拖线阵的设计工作有一定的参考意义。
关键词：拖线阵；干扰；屏蔽；接地
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ＷａｎｇＳｈｕａｉ，ＺｈｕａｎｇＦｅｉ，ＣｈｅｎＸｉａｏｘｉｎｇ
（Ｔｈｅ７１５ｔｈＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＣＳＳＣ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ３１００１２，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｔｏｗｅｄｌｉｎｅａｒｒａｙａｒｅｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｂｅｃａｕｓｅｏｆｉｔｓｌａｒｇｅａｐｅｒｔｕｒｅ，ｈｉｇｈｄｅｇｒｅｅｏｆｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ，ｌｏｗｎｏｉｓｅｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｆｒｏｍｍｏｔｈｅｒｓｈｉｐａｎｄｓｔｒｏｎｇｆｉｔｎｅｓｓｆｏｒｅｑｕｉｐｍｅｎｔ．Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｎｏｉｓｅｌｅｖｅｌａｎｄａｎｔｉ－ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅａｂｉｌｉｔｙａｒｅｔｈｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｉｎｄｅｘｆｏｒｔｈｅｔｏｗｅｄｌｉｎｅａｒｒａｙ．Ｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｎｏｉｓｅａｎｄｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｗｉｌｌｍａｋｅｔｈｅｔａｒｇｅｔｓｏｕｎｄｓｏｕｒｃｅｓｕｂｍｅｒｇｅｄｉｎｔｈｅｂａｃｋｇｒｏｕｎｄｎｏｉｓｅ，ｗｈｉｃｈｗｉｌｌｇｒｅａｔｌｙｗｅａｋｅｎｔｈｅｔａｒｇｅｔｄｅｔｅｃｔｉｏｎａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｔｏｗｅｄｌｉｎｅａｒｒａｙ．Ｓｏｉｔｉｓｎｅｃｅｓｓａｒｙｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅａｎｔｉ－ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｔｏｗｅｄｌｉｎｅａｒｒａｙｓｉｇｎａｌｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｅｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｓｏｕｒｃｅｔｈａｔｃａｕｓｅｓｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｎｏｉｓｅａｒｅｉｄｅｎｔｉｆｉｅｄ，ａｎｄｔｈｅｓｈｉｅｌｄｉｎｇａｎｄｇｒｏｕｎｄｉｎｇｍｏｄｅｓａｒｅａｎａｌｙｚｅｄａｎｄｃｏｍｐａｒｅｄｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｌｙ．Ｉｔｉｓｆｏｕｎｄｔｈａｔｓｈｉｅｌｄｉｎｇａｎｄｓｉｎｇｌｅ－ｔｅｒｍｉｎａｌｇｒｏｕｎｄｉｎｇｃａｎｃｈａｎｇｅｔｈｅｉｎｄｕｃｅｄｃｕｒｒｅｎｔｆｌｏｗｐａｔｈａｎｄｍａｋｅｔｈｅｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｃｕｒｒｅｎｔｆｌｏｗｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｓｈｉｅｌｄｉｎｇｌａｙｅｒｓｈｏｒｔｃｉｒｃｕｉｔｉｎｔｏｔｈｅｇｒｏｕｎｄ，ｔｈｕｓｒｅｄｕｃｉｎｇｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｉｎｄｕｃｔｉｏｎａｒｅａａｎｄｉｎｈｉｂｉｔｉｎｇｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｓｈｉｅｌｄｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄｓｉｎｇｌｅ－ｔｅｒｍｉｎａｌｇｒｏｕｎｄｉｎｇｃａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｓｕｐｐｒｅｓｓｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｓｐａｔｉａｌｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄｏｎｔｈｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｌｉｎｅ，ａｎｄｒｅｄｕｃｅｔｈｅｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｏｆｔｈｅｈｉｇｈｖｏｌｔａｇｅｃｕｒｒｅｎｔａｎｄｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅｔｏｗｅｄｌｉｎｅａｒｒａｙ．Ｏｎｔｈｅｏｔｈｅｒｈａｎｄ，ｉｔｃａｎａｌｓｏｒｅｄｕｃｅｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｈｅｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｎｄｒｅｄｕｃｅｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｒａｄｉａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｈｉｇｈ－ｖｏｌｔａｇｅｓｉｇｎａｌｉｎｓｉｄｅｔｈｅｃａｂｌｅｔｏｔｈｅｗｅａｋｓｉｇｎａｌｏｕｔｓｉｄｅ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｐｒｏｖｉｄｅｓａｔｅｃｈｎｉｃａｌｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｓｕｐｐｒｅｓｓｉｎｇｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｓｐａｃｅｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄｏｎｉｎｔｅｒｎａｌｗｅａｋｓｉｇｎａｌｓ，ａｎｄａｌｓｏｈａｓａｃｅｒｔａｉｎｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅｆｏｒｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｔｏｗｅｄｌｉｎｅａｒｒａｙ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｏｗｅｄａｒｒａｙ；ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ；ｓｈｉｅｌｄｉｎｇ；ｇｒｏｕｎｄｉｎｇ
０引言
拖曳线列阵声纳具有孔径大、集成化程度高、受本舰噪声干扰小和适装性强等特点，在军用和民用行业均得到广泛的应用［１－４］，它不仅可以探测较大范围的海底地质形貌和石油矿藏等资料，也可以用来探测目标。拖曳线列阵作为声接收装置，电噪声水平和抗干扰能力是其重要性能指标。高的电噪声水平和周围的电磁干扰会使目标声源淹没在背景噪声中，大大削弱拖线阵的目标探测能力，因此提升拖线阵的抗干扰能力非常必要。
卢爱国等［５］通过理论模型分析，证明了采用屏蔽线来传输信息能有效降低信号之间的干扰。张莹等［６］介绍了电缆屏蔽层的接地方式，认为屏蔽层采用合理的接地措施才能保证电子设备的可靠性，而各种接地方式各有其适用范围，需要综合考虑系统中的具体情况，才能保证整个系统良好地抑制干扰从而安全稳定地运行。张翠明等［７］对模拟电子试验中存在的干扰信号进行了测试，分析了可能存在的干扰途径，并提出了具体的抗干扰措施。祝龙琳等［８］解析了数字通信电缆屏蔽技术的三大应用，同时论述了数字通信电缆屏蔽技术的三大原理。
本文针对引起拖线阵中噪声的干扰源进行了识别，对屏蔽和接地的方式进行了理论分析和对比，进行了试验验证。
１干扰源及作用方式
拖线阵将若干个水听器按一定的间距布置，并与前置放大电路、导线、采集传输模块集成在一个细长聚氨酯圆管内。随着集成化程度的不断提高，拖线阵的内径越来越小，只有几十毫米，阵内有几百伏高压电源线，也有数据传输速率超过１００Ｍｂ／ｓ的高频数据线，而前置放大器要处理的小信号只有微伏级，这种低频信号、大小信号在狭小的空间内共存，并相互影响［５］。
１１串模干扰
串模干扰是信号传输中最常见的干扰方式，又称正态干扰或横向干扰，是串联于信号源回路中的干扰［９］。分布电容静电耦合，长线传输的互感，空间电磁场引起的磁场耦合以及５０Ｈｚ的工频干扰等都会造成串模干扰。该干扰的施加方式如图１（ａ）所示，其中ＵＳ为信号源，Ｕｎ为迭加在ＵＳ上的串模干扰。干扰的作用原理如图１（ｂ）所示，如果邻近的导线中有交变电流流过，那么由电流产生的电磁干扰信号就会通过分布电容Ｃ１和Ｃ２的耦合，引入到接收设备。拖线阵内部的前置电路所调理的微弱信号与高压电流信号、高频数字信号在狭小的空间内共存，高压电流信号和空间电磁场均是引起串模干扰的原因。
１．２共模干扰
共模干扰也叫做共态干扰或者纵向干扰，是电位差引起的一种干扰形式［９］。当接收设备与现场信号源的地之间相隔一段距离，这两个接地点之间往往会存在着一个电位差ＵＣ，如图２（ａ）所示。其一般表现形式如图２（ｂ）所示，其中以为信号源ＵＳ为信号源，ＵＣ为共模电压这种干扰可以是直流电压，也可以是交流电压。因为拖线阵中水听器到采集模块之间有一定的距离，接地方式不当就会造成电位差，形成共模干扰。
２干扰的抑制方法
２．１屏蔽
屏蔽就是在空间两个区域之间放置防护层，它可以用来控制电场和磁场从一个区域到另一个区域的传播，是克服电场耦合干扰、磁场耦合干扰以及电磁辐射干扰最有效的手段［１０］。屏蔽可以应用于噪声源，通过屏蔽材料把干扰源包围起来以减弱干扰场的强度；也可以应用于需要抑制噪声的检测电路，通过屏蔽材料把敏感电路包围起来以减弱电路附近份额场强；某些情况下噪声源和敏感电路都采用屏蔽的方式来抑制干扰。如果屏蔽层包围干扰源，则屏蔽作用可以将干扰源的电磁场限制在屏蔽层内如图３（ａ），如果屏蔽层包围检测电路的某个区域，则屏蔽作用可以将干扰源的电磁场排斥在该区域之外如图３（ｂ）。
为了减小压降，拖线阵往往采用高压供电，电源线传输的高压电流信号引起的电磁场耦合是造成串模干扰的主要原因。为了减小电源线引起的电磁干扰，电源线采用屏蔽双绞线，通过屏蔽层将干扰源包围起来，减小对微弱信号的影响；另外基于对前放微弱信号的防护，利用铜网将水听器及前放进行屏蔽防护，既可以进一步减小电源线对前放的影响，又可以衰减空间电磁场对微弱省电信号的影响。
２．２接地
接地是防止干扰的重要措施，也是抑制干扰噪声的有效手段。屏蔽和接地二者是相互关联的，只有将屏蔽层合理地接地才可以减小甚至避免电路间的相互干扰。通过将屏蔽层正确地接地，可以改变感生电流的流经路径，从而改变电磁感应的面积，起到对电磁干扰的抑制作用；若屏蔽层不接地，在外部电磁场作用下产生的感生电流路径无法改变，无法起到干扰抑制作用［６，１１］。如图４所示电路中，Ｒ为放大器输入电阻，图中省略了信号源，信号回路两端接地，屏蔽层没有接地，则干扰磁场产生的感生电流ｉ的流经路径不会因屏蔽层的存在发生变化，因此有效感应面积也没有变化，噪声电压Ｕ不会减小，不能起到屏蔽作用，因此屏蔽层必须适当接地。
在电路中，接地方式有多种，下面对常见的接地方式进行比较。
（１）信号线两端接地，屏蔽层单端接地在图５中屏蔽层单端接地，设垂直于纸面存在一个交变的干扰磁场，在电路中产生的感生电动势为Ｕ，因为屏蔽的存在不改变感生电流ｉ的流经路径及其包含的面积Ａ，所以除了对干扰磁场的吸收衰减和反射衰减外，屏蔽层没有产生附加的衰减作用，因此这种接地方式无法起到屏蔽抑制作用。
（２）信号线两端接地，屏蔽层两端接地为了达到改变感生电流流经路径的目的，如图６（ａ）所示将屏蔽层两端接地；设屏蔽层电感为Ｌ，电阻为Ｒ２，信号线和屏蔽层之间的互感为Ｍ，可得这种情况的等效电路如图６（ｂ）所示。
该干扰磁场在信号线上产生的感生电流为ｉ１，那么ｉ１流回信号线可以有两个通路，一路经屏蔽层流回，设这支电流为ｉ２，另一路ｉ３经地线流回，根据等效电路图６（ｂ），小回路的电路方程为：
根据式（３）可以看出：当干扰磁场的频率ω远远大于Ｒ２／Ｌ时，流经屏蔽层的电流ｉ２就接近感生电流ｉ１，而经过地线的回流ｉ３近似为０，这种情况下，对于御干扰磁场的感应面积Ａ减小，使电路对磁场干扰的敏感度大幅度降低。
（３）信号线和屏蔽层均单端接地
屏蔽层两端接地是虽然改变了感生电流的流经路径，但是两个接地点之间往往会存在地电位差Ｕ２，该地电位差噪声将导致干扰电流ｉ２经过屏蔽层，经互感Ｍ在信号线中感应出噪声电压Ｕ。当信号线对地阻抗很大或者不接地时，这种情况的等效电路示意图如图７。
由地电位差Ｕ２产生的流过屏蔽层的电流为：
可以看出，当ω远远大于Ｒ２／Ｌ时，Ｕ＝Ｕ２，这说明当地电位差频率较高时，通过屏蔽层电流的感应作用，将在电缆芯线上感应出几乎与地电位差幅度相同的噪声。为了解决地电位差引起的干扰噪声，可以改用一点接地的方式，如图８所示，这时无论干扰磁场的频率高低，感生电流ｉ１都１００％流经屏蔽层，从而有效减小感应回路面积，达到抑制磁场干扰的目的。而且，一点接地，地电位差噪声不会引入到信号回路。
利用屏蔽层接地抑制外部磁场的方法不仅适用于敏感的信号电路，同样适用于外部干扰源，如图９所示，Ｕ为干扰电压源，Ｕ产生的流经导线的ｉ１产生干扰磁场，当把干扰源导线加上一点接地的屏蔽层，因为屏蔽层电流ｉ１＝ｉ２，而且方向与ｉ１相反，所以由屏蔽层电流ｉ１产生的磁场对ｉ２产生的磁场有很大的抵消作用，使得由整体电路产生的干扰磁场被大为削弱。
由以上分析对比可以看出，屏蔽层必须接地，当信号线传输距离较远，由于两端的接地会出现电位差，若两端接地屏蔽层就会有电流形成，反而对信号形成干扰，因此应该采用一端接地，另一端悬空的办法能起到干扰抑制的作用。
３拖线阵的抗干扰措施
３．１屏蔽材料的选择
屏蔽层主要通过吸收、反射引起磁场和电场强度的衰减。拖线阵的干扰主要是高压电流对水听器及前置放大器的影响引起的，因此传输高压电的导线选用屏蔽双绞线，内部利用金属箔对导线进行包覆，可极大程度的衰减干扰源引起的电磁干扰。针对水听器及前置放大器的敏感电路，在进行屏蔽防护的同时还要考虑对声学传感器造成的遮挡，因此利用导电性能好、厚度薄、可透声的铜网对水听器及前置放大器的敏感电路进行防护。
３．２接地点的选择
根据分析可知，屏蔽层需要单点接地才能起到干扰抑制作用，然而单端接地的接地点很多，不同接地点干扰抑制效果不同，为了最大限度发挥屏蔽效果，需选择正确的接地点。
拖线阵中用双绞线连接水听器和放大器，图中ＵＧ１表示放大器公共端对地的电压，也可以把它看作是外界干扰在输入信号线上产生的共模噪声电压；ＵＧ２表示两个接地点之间的地电位差。因为屏蔽层只有一点节点，所以噪声耦合的通道主要是信号线与屏蔽层之间及两条信号线之间的分布电容，在图中分别表示为Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３。
屏蔽层的单个接地点的位置有４种选择，图１０（ａ）中用虚线表示，并分别标注为Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ，其中Ａ连接明显不合适，因为它使屏蔽层噪声电流流经信号线２，其他几种连接方式的等效电路分别见图１０（ｂ）、１０（ｃ）、１０（ｄ）。
对于Ｂ连接，ＵＧ１和ＵＧ２经Ｃ１和Ｃ２分别在信号线１、信号线２之间产生的噪声电压为：
对于Ｃ连接，ＵＧ１和ＵＧ２不会在信号线１，信号线２之间产生任何噪声电压。
对于Ｄ连接，ＵＧ２对Ｕ１２无影响，ＵＧ１经Ｃ１和Ｃ２分压在信号线１，信号线２之间产生的噪声电压为：
综上分析，Ｃ连接最佳，因为只有这种连接不会产生噪声电压Ｕ１２。所以对于放大器浮空信号源接地的输入电路，屏蔽层应该连接到信号源的公共端，即使公共端不是地电位也应该如此。
３．３试验验证
为了减小高压电流对水听器及前置放大器的影响，阵段内的高压电源线采用双绞屏蔽线；为了对水听器及至前置放大器的微弱信号进行防护，达到既避免外部电磁场的干扰又不对声信号遮挡的目的，用２５０目的屏蔽铜网对水听器到前置放大器进行防护，屏蔽网与前置放大器公共端接通，并通过屏蔽线引至干端接地。通过采集器分别对防护前和防护后的声信号进行采集，通过对比可以发现：屏蔽接地前，声通道内有５０Ｈｚ的工频干扰，同时受周围环境影响还受到其他频率的影响，详见图１１；采用屏蔽并接地后，５０Ｈｚ的共频干扰消失，受周围环境造成的电磁干扰明显减弱，起到了很好的抗干扰作用，详见图１２。
４结束语
文章介绍了拖线阵在信号传输中常见的干扰方式及干扰源，并针对存在的干扰源提出了干扰抑制的方法。通过对比分析可以看出：屏蔽并采用单端接地，可以改变感生电流的流经路径，使干扰电流经屏蔽层短路入地，从而改变电磁感应的面积减小，起到对电磁干扰的抑制作用；单点接地还可以有效避免地电位差造成的噪声。实验证明拖线阵信号传输采用屏蔽并采用单端接地能够有效抑制各种干扰的发生，一方面可以有效抑制空间的电磁场对传输线的影响，避免拖线阵噪音的增大；另一方面可以减小对周围电磁环境的污染，降低电缆内高压信号对其外部微弱信号的电磁辐射。本文对抑制空间电磁场对内部微弱信号的影响提供了技术参考，也对拖线阵的设计工作有一定的参考意义。
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