基于舰艇水下先期防御的来袭鱼雷报警系统

李 伟, 汪洪升 , 田德海



基于舰艇水下先期防御的来袭鱼雷报警系统

李 伟1, 汪洪升2, 田德海3

(1. 海军潜艇学院 导弹兵器系, 山东 青岛, 266071; 2. 海军92196部队, 山东 青岛, 266012; 3. 青岛4808机械厂, 山东 青岛, 266042)

基于舰艇水下先期防御作战的威胁信息获取需要, 从探测距离、工作频段、作用空间、信号识别、自动化程度和时间连续性等方面分析了鱼雷报警系统的战技指标要求, 从先验信息、初始噪声、航行噪声、主动声自导信号和目标信号分类等方面阐述了鱼雷报警的信息来源及信号特征提取, 以多基元集束式被动拖曳线列阵声纳为对象探讨了鱼雷报警系统的基本原理、设计要点与关键技术, 为优化对抗条件下的鱼雷设计提供依据。

来袭鱼雷; 水下防御; 报警系统; 拖曳声纳; 信号特征; 目标分类

0 引言

为了达成有效的水下防御, 舰艇应该有足够的时间来实施对抗和机动规避, 因而需要对远距离来袭鱼雷进行早期报警。在来袭鱼雷发射出管后, 舰艇作战系统应能及时发出鱼雷预警信号。先期发现来袭鱼雷是水声对抗系统能否有效防御鱼雷的前提, 而要获取鱼雷信息必须依赖专用的鱼雷报警系统。舰艇水声探测设备接收到鱼雷主动探测信号或鱼雷辐射噪声信号后, 通过自动识别或人工判别, 对来袭鱼雷进行声光报警。

20世纪80年代以来, 出于对水下攻击威胁的担忧, 鱼雷报警得到了相当的重视, 随着舰艇综合声纳系统的发展, 鱼雷报警功能已发展成为作战系统一个专门的处理通道。相对潜艇而言, 水面舰艇更易受到鱼雷的攻击, 但由于水面舰艇可以使用火箭助飞方式将对抗器材发射到远离本舰的海域, 从而实施多层次的对抗, 因此水面舰艇对鱼雷报警功能的要求与潜艇有明显的差别。如果将鱼雷报警功能纳入其他声纳系统(如舰壳声纳、拖曳阵声纳)中, 而不提供一系列的鱼雷报警和定位信息处理功能单元, 显然不能满足防御作战的需要。因此, 研制专用的舰艇鱼雷报警系统成为各国海军水下防御的主要发展方向[1], 代表型号如法国已列装的ALBATROS鱼雷报警系统, 俄罗斯的VIGNETTE-EM鱼雷报警系统等。

1 鱼雷报警系统战技指标要求

迄今为止, 大多数作战舰艇上装备有舰壳声纳和拖曳线列阵声纳, 其主要任务是进行水下警戒, 完成水下目标的探测。虽然它们都具有鱼雷警戒功能, 但只是把鱼雷作为一种水下目标进行分类和识别而已, 从设计到功能使用上并没有全面关注鱼雷所特有的特征信息频段及其提取和处理方法, 也不真正具备鱼雷报警和定位能力。因此, 要求它们在完成反潜任务的同时兼顾鱼雷报警任务是非常困难的。

鱼雷相对于潜艇和水面舰船的目标特性有很大不同, 鱼雷体积小(几米长), 攻击具有突发性, 攻击方式多样, 实际攻击的次数很少, 而且攻击距离远(可在15 km以外的距离发射并线导逼近), 攻击过程中航速很高(一般35 kn, 最高可高达50 kn, 轴速率比潜艇和水面舰船高近10倍), 接近目标的时间较短。基于以上特性, 对舰艇来袭鱼雷报警系统提出了以下更高的要求[2]。

1) 必须具有足够远的作用距离, 并能实现快速报警, 以节省时间留给水声干扰和诱骗等后续系统;

2) 应具有很宽的工作频段, 既可接收低频率的鱼雷出管噪声, 频率5 kHz以下的鱼雷辐射噪声(占总能量的90%), 又可接收鱼雷自导系统发射的声脉冲信号(20~40 kHz);

3) 应具有优异的Demon分析(调制谱分析检测)及Lofer图(窄带分析)功能, 能对鱼雷信号的距离变化率、方位变化率、信号幅度变化率以及鱼雷的轴频率、叶片数等进行快速估计, 向控制台提供有效的识别信息, 降低虚警率;

4) 应具有360°水下空间监视能力, 并可与其他声纳配合使用, 实现方位上的全景覆盖;

5) 从操纵员自身角度看, 对水下任意方位均能时刻保持高度警觉和迅速反应是几乎不可能的, 因此要求报警系统具有相当高的自动化程度, 以保证在操纵人员缺席时的自动报警, 达到警戒时域的持续性;

6) 由于当鱼雷来袭时舰艇没有足够的时间作出机动来消除盲区, 而且舰艇防御机动时一般也需要知道鱼雷攻击方位, 因此, 要求报警系统避免在测定方位时出现左/右舷模糊或盲区(当使用传统拖曳线列阵声纳时会存在此类情况);

7) 必须适用于不同类型的舰艇, 能够全天候工作, 包括恶劣气候和海况, 以保证舰艇可以在各种作战环境下免遭来袭鱼雷的毁伤。

2 报警信息来源及信号特征

2.1 先验信息

以下情况可以认为是鱼雷来袭的先验信息: 发现敌方潜艇对我方跟踪, 或估计敌方潜艇可能在某海区对我方进行伏击; 敌方水面舰艇或直升机声纳对我方潜艇进行主动探测, 其距离接近该声纳的作用距离; 或者我方舰(艇)已向敌方潜艇发射鱼雷, 应估计到敌方潜艇向我方发射鱼雷进行反击。

2.2 鱼雷发射初始噪声

潜艇发射鱼雷的动力大都是高压空气, 也有采用高压水动力或机械动力的, 依靠鱼雷自航出管是目前较少采用的一种发射方式。

潜艇发射鱼雷的准备中, 发射管前盖的打开和高压水泵的启动等动作可产生瞬时噪声, 并向海水中传播; 鱼雷出管时会产生较强的瞬态噪声, 这种噪声降噪困难、能量集中、特征明显, 而且不易模仿; 鱼雷入水冲击波、喷溅和空泡也会产生较强的瞬态噪声, 可能以压力脉冲为主, 同时伴有一定成分的空泡噪声, 其频谱成分很可能主要集中在10~200 Hz的低频端, 其能谱可能很高。

据国外资料报道, 压缩空气爆发的冲击力将鱼雷从潜艇的发射管中推出, 其能量相当高, 所产生的冲击波在远达15 000yd的距离上就可被探测到。一般认为, 鱼雷出管时的噪声能量级比鱼雷在航行中的辐射噪声能量高5~10倍, 因此舰艇能在更远的距离上探测到鱼雷的出管信号。

现代新型鱼雷部分型号可能采用自航方式出管, 出管后需要点火启动, 然后转入高速航行状态, 这一过程也会产生很强的瞬态信号。因此, 鱼雷报警系统具有瞬态信号检测功能是提高其探测距离的关键技术。

2.3 鱼雷航行辐射噪声

鱼雷航行辐射噪声是最重要的防御信息来源[3]。热动力鱼雷的排气噪声为低频, 声级高; 电动力鱼雷的电动机产生极槽噪声; 雷尾推进器(螺旋桨)噪声有轴频、叶频分量, 也可能有宽带空化噪声, 是主要的辐射噪声源; 发动机和推进器部件振动引起雷壳共振产生声辐射, 频带介于排气噪声和推进噪声之间; 发动机燃烧及能供系统产生喷射噪声; 燃料泵、注水泵产生流体波动噪声; 在高速及浅水航行时螺旋桨空化和叶片“振鸣”比较容易产生噪声, 后者是由于涡流散射和结构共振相叠合, 可产生很强的单频噪声。以上诸多辐射噪声源中最值得重视的是推进器和动力装置的噪声, 因为它们的频谱成分包含着许多重要的特征信息。和潜艇一样, 鱼雷也存在轴频率、叶片频带、点火频率以及齿轮频率等特征频率, 有利于对其进行识别报警。

2.4 鱼雷主动声自导信号

由于战场环境的复杂性, 对舰艇实施鱼雷攻击的战术变化多端, 一种情况是来袭鱼雷在近距离上发射, 如潜艇伏击战术, 直接以高速攻击目标; 另一种情况是鱼雷先从远距离以低速接近目标, 在近距离上转为高速, 进入自导工作方式。一般鱼雷的主动自导距离在1~2 km, 发射的自导信号频率为20~40kHz, 如果鱼雷处于主动自导工作方式, 则鱼雷的探测信号是非常明显的。因此, 鱼雷报警系统的声纳必须具有对鱼雷主动自导信号的探测能力, 并且反应时间应小于30 s。

2.5 鱼雷目标信号分类

鱼雷目标分类技术具有2大特征, 一是由于鱼雷对本舰(艇)的威胁特别大, 所以分类正确率应比对目标舰艇的分类正确率高, 据报道, 法国ALBATROS鱼雷报警声纳的分类正确率达95 %; 二是由于鱼雷的高航速, 它对目标的致命攻击仅需十几分钟就可完成, 而近程攻击时间更短, 因此报警系统分类判决的速度要快, 俄罗斯海军对鱼雷目标的分类时间要求仅为1 min, 而对潜艇的分类时间要求为3 min, 对水面舰艇的分类时间要求为5 min。因此, 一般有3个指标来衡量鱼雷报警能力, 即正确率、虚警率和分类时间, 鱼雷报警系统的要求是高正确率、低虚警率以及快速性。

由于鱼雷报警的重要性, 现代舰艇的被动声纳和综合声纳都具有鱼雷报警功能, 但一般是将鱼雷与其他目标如战舰(大型、小型)、商船、潜艇(常规潜艇、核动力潜艇)等等同起来, 一起加以分类, 这必然增加了鱼雷目标分类的复杂性, 降低了目标分类的正确率。

因此, 作为专用的鱼雷报警系统, 要实现高正确率的鱼雷分类功能, 必须充分利用鱼雷的多种特征, 简化分类模式。

3 鱼雷报警系统的原理与设计

为了使任何工作环境下的鱼雷报警均能有效(快速和可靠), 最佳办法是采用专门的反鱼雷报警系统(声纳系统), 较为典型的是具有独特的能分辨左/右舷目标的多基元集束式被动拖曳短阵[4], 其组成如图1所示。

图1 专用鱼雷报警系统组成示意图

3.1 鱼雷报警系统工作原理

从图1可以看出, 报警声纳通过被动接收鱼雷声特征信息, 利用适当的信号处理而获取高置信度的鱼雷报警数据。为了提高防御成功率, 必须及早发现鱼雷攻击, 并及时做出适当而准确的反应(规避或实施对抗等), 实现远程鱼雷报警是先决条件。为达到此目的, 通常把远程鱼雷报警分为“预报警”和“识别报警”2个阶段。在远程“预报警”阶段, 为及时捕捉到鱼雷发射管前盖打开、高压水泵启动、鱼雷出管入水及启动航行等突发早期瞬态信号, 必须借助于高灵敏度的水听器和先进的信号处理技术, 这里会用到小波变换理论、高阶谱和短时谱分析技术等, 并利用鱼雷的上述突发特征与潜艇及海洋环境中其他物体的特征之间存在的明显不同, 来分析和提取其瞬态特征, 以完成鱼雷的远程“预报警”。在随后的跟踪定位过程中, 再充分利用鱼雷航行辐射噪声中的宽带和窄带噪声特征, 加上鱼雷的运动特征, 当然还可利用鱼雷主动声自导信号, 通过时频分析、运动分析和音频侦听等方法进一步对其进行分类识别, 并给出定位信息, 完成“识别报警”。

3.2 声纳基阵设计

常规拖曳阵声纳的基阵是由单个无方向水听器组成的, 没有垂直指向性, 因此存在左/右舷模糊的问题。为了消除左/右舷模糊, 鱼雷报警声纳系统需要采用特殊的基阵设计, 基阵的每个阵元是由3个全向水听器集束而成的, 3个水听器形成等边三角形, 并且各个阵元的位置是固定的。

为了保持各水听器的位置, 基阵的拖曳平衡问题是关系到左/右舷分辨性能的关键技术, 其平衡问题不仅是基阵段自身的问题, 而且涉及到整个湿端的成缆问题。基本考虑是, 一方面把整个湿端的重心置低, 另一方面通过基阵前后2个横摇传感器的测量值进行实时修正[5]。

3.3 高速数据传输技术

基阵信号的远距离传输是拖曳阵声纳所要解决的关键技术。早期拖曳阵声纳一般采用模拟信号传输, 但远距离模拟信号传输具有芯线数多、拖缆直径和质量大、信号衰减和畸变严重、信号间干扰较大等缺点。随着微电子技术的迅猛发展, 新型拖曳声纳系统采用数字传输方案成为必然的趋势。一般数字传输有同轴电缆和光纤2种介质, 这2种介质各有优缺点, 同轴电缆传输技术成熟, 但传输距离与数据率、电缆特性、驱动/接收器性能(包括编码方式)等因素有关, 对于较高数据率的信号传输, 一般利用多根同轴电缆来传输。光纤传输的数据率高、传输距离远, 是数据传输技术的发展趋势[6], 但技术较复杂, 尤其在水声中应用时, 需要解决的问题较多, 如光纤拖缆、高压水密光纤连接器、绞车旋转连接器等。国外拖曳阵声纳如果是数字传输, 一般采用的是光纤传输, 同轴电缆数字传输原理如图2所示, 如果是光纤传输, 传输驱动和信号均衡分别为光驱动器和光接收器。

图2 同轴电缆数字传输原理

若鱼雷报警系统的声通道数为96, A/D变换位数为16, 采样频率为25 kHz, 则数据率为96× 16×25 000=38.4 Mb/s, 再加上传感器信号, 则数据率约为40 Mb/s。在保证极低误码率的前提下, 将40 Mb/s的数据通过同轴电缆传输约600 m(假定拖缆长度), 难度是很大的。光纤传输是最佳的选择, 但由此所带来的问题也必须充分考虑。因此, 高速数据传输技术是鱼雷报警系统的一个关键技术。

3.4 信号处理

鱼雷报警声纳的信号处理流程框图如图3所示[5]。

图3 信号处理流程框图

鱼雷报警系统的功能除常规拖曳阵的功能之外, 还必须具有左/右舷分辨、快速目标运动分析(Target Motion Analysis, TMA)等功能, 因此, 鱼雷报警系统与常规拖曳阵声纳在信号处理方面存在很大的差别, 主要有以下几方面[2]。

1) 宽带检测。由于鱼雷报警系统的基阵是3个水听器集束阵元, 在进行宽带检测时, 对3个水听器的信号求和可减小流噪声; 对多阵元信号在1~6 kHz内进行频域波束形成, 然后进行检波、积分和空间归一化处理, 完成宽带信号的检测。

2) 窄带分析。在波束形成后, 经过复带移、复低通、快速傅立叶变换、功率谱积分、方位—空间归一化处理, 完成窄带信号的检测。

3) 目标跟踪。利用分裂波束互谱法和选频带细化谱方法, 自动完成至少4个目标的方位和频率跟踪。

4) 鱼雷目标分类。完成对跟踪目标的自动分类, 结合人工参与, 以更高正确率完成对鱼雷目标的分类。

5) 鱼雷目标左右舷分辨。在完成鱼雷目标分类后, 快速完成鱼雷目标的左右舷分辨。

6) 快速TMA。利用单个鱼雷报警系统的声纳基阵, 在本舰机动困难的情况下, 完成快速TMA是非常困难的。利用多基阵方位的TMA方法, 可以实时完成目标运动要素的估计。

4 结束语

鱼雷攻击与防御是矛与盾的两个方面。本文通过介绍舰艇鱼雷报警系统, 希望鱼雷的研发与使用人员了解水下防御的基本技术和流程, 旨在为提高复杂对抗条件下的鱼雷作战效能有所裨益。

[1] 吴永杰, 高永生. 海上信息战[M]. 北京: 海潮出版社, 2003.

[2] 杨日杰, 高学强. 现代水声对抗技术与应用[M]. 北京: 国防工业出版社, 2008.

[3] 徐海刚, 林平, 许友国. 舰用水声对抗系统对抗线导鱼雷战术运用分析[J]. 指挥控制与仿真, 2006, 28(5): 51- 55. Xu Hai-gang, Lin Ping, Xu You-guo. Tactical Applica- tion of Vessel Hydro-Acoustic Countermeasure System Against Line Guided Torpedoes[J]. Command Control & Simulation, 2006, 28(5): 51-55.

[4] 卢万, 李钊. 国外反鱼雷水声对抗技术与发展趋势[J].舰船电子对抗, 2008(1): 50-53. Lu Wan, Li Zhao. Foreign Anti-torpedo Hydro-acoustic Electronic Warfare Technology and Its Development Trend[J]. Shipboard Electronic Countermeasure, 2008(1): 50-53.

[5] 王国伟. 鱼雷报警与拦截技术研究[R]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学, 2003.

[6] 张宝华, 杜选民. 水面舰艇鱼雷防御系统综述[J]. 船舶工程, 2003, 25(4): 17-19. Zhang Bao-hua, Du Xuan-min. A Review of Surface Warship Torpedo Defense System[J]. Ship Enginee- ring, 2003, 25(4): 17-19.

An Incoming Torpedo Warning System Based on Ship Early Underwater Defense

LI Wei1, WANG Hong-sheng2, TIAN De-hai3

(1. Department of Missile and Weaponry Engineering, Navy Submarine Academy, Qingdao 266071, China; 2. 92196thUnit, The People′s Liberation Army of China, Qingdao 266012, China; 3. Qingdao 4808 Machine Factory, Qingdao 266042, China)

According to the requirement of threat information acquisition for ship early underwater defense, this paper analyzes the tactic and technical indexes of incoming torpedo warning system, including the detection range, working band, action space,signal recognition, automation and time continuity, explains the information sources and the signal characteristics extraction of the incoming torpedo warning system in terms of the prior information, initial noise, sail noise, active acoustic homing signal and target signal classification. Furthermore, this paper also discusses the basic principles, design features, and key technologies of the incoming torpedo warning system in the case of passive towed linear cluster-type multi-element array sonar. This study may provide reference for torpedo designoptimization under countermeasure condition.

incoming torpedo; underwater defense; warning system; towed sonar; signal characteristics; target classification

TJ630; E925.2

A

1673-1948(2011)01-0072-05

2010-08-08;

2011-01-14.

李 伟（1967-）, 男, 硕士, 副教授, 主要从事鱼雷作战使用及技术保障教学工作.

(责任编辑: 陈 曦)