试验靶标对抗主动声自导鱼雷效能仿真

徐 袭，石 敏

(1.中国人民解放军91388部队，广东湛江524022;2.水声对抗技术重点实验室，广东湛江524022)

0 引言

评价鱼雷攻击效能时，其水声对抗性能是一项重要指标。试验靶标可模拟多种水声对抗方式，具备较强水声对抗功能，是评估声自导鱼雷水声对抗性能的合适设备。由于海上试验需解决诸如试验海区海况、试验经费及鱼雷目标等诸多实际问题，应研究一种实际试验前靶标对抗鱼雷试验效能的初步分析和评价方法，服务海上试验。本文以试验靶标水声对抗原理和声传播理论为依据，运用计算机仿真计算方法，衡量靶标对抗主动声自导鱼雷试验效能，可在一定程度上解决上述问题。

1 靶标干扰原理

某型试验靶标由多台 (套)设备组成，可在如噪声干扰器等多种模式下工作。试验靶标入水后，依据需要工作，形成一个近似球体的噪声干扰区域，可对试验鱼雷声呐形成一个压制干扰扇面，掩护被探测目标规避机动［1］。试验靶标模拟噪声干扰器，其频率覆盖鱼雷声自导系统接收频带，以功率掩盖目标回波，提高鱼雷接收端的背景噪声，使鱼雷自导系统无法检测到被攻击目标的存在，为被攻击目标摆脱鱼雷跟踪创造逃逸的有利时机。试验靶标对抗声自导鱼雷，是在已知鱼雷的自导范围和距离条件下，研究试验靶标作为噪声干扰器干扰声自导鱼雷的效能。

图1 靶标噪声干扰器技术原理Fig.1 Target noise-jammer technology principium

2 对抗要素建模

2.1 水声环境建模

对试验水声环境进行建模时，主要考虑海洋环境噪声、海水声传播损失2方面因素的影响。

1)海洋环境噪声

海洋环境噪声由各种不同的声源组合产生，这些声源中的1个或者几个超过其他声源而起主要作用［2］。噪声一般通过实测数据确定，为研究方便，假定其服从于Knudsen谱，那么声呐接收机所接收到的海洋环境噪声源级为

其中，NLE为海洋噪声谱级;n为海况等级;f1和f2为声呐接收机的上下频段，Hz，一般为某固定值。

2)海水传播损失

对于海水传播损失，采用球面扩展加吸收损失对声传播损失进行估算:

其中，r为传播距离;β为海水吸收系数，可表示为

式中，f为声呐工作频率，Hz。

2.2 试验靶标建模

试验靶标工作在噪声干扰器模式下，其对抗相关数学模型，可依据声呐方程进行建模描述，噪声干扰器在鱼雷处的干扰噪声级为

其中，NLG为标靶作为噪声干扰器在鱼雷处的干扰噪声级;SLG为标靶作为噪声干扰器的干扰噪声级;TLG为噪声干扰器至鱼雷距离为r的传播损失。

2.3 鱼雷探测建模

根据主动声呐方程有［2］

其中，SL为鱼雷发射声源级;TS为被测目标 (潜艇)的目标强度;TL为鱼雷至目标处的传播损失;NL为鱼雷干扰噪声级;DI为鱼雷接收指向性系数;DT为鱼雷接收检测阈值。为求解方便，将上式等价于

当噪声干扰器没有工作或者处于鱼雷自导接收扇面之外时，鱼雷的干扰噪声来自海洋的环境噪声和鱼雷航行的自噪声，此时鱼雷的干扰噪声级为

其中，NLZ为鱼雷航行自噪声;NLE为海洋的环境噪声。

当干扰器工作且处于鱼雷自导接收扇面之内时，鱼雷所受干扰噪声来自海洋环境噪声、鱼雷航行自噪声和噪声干扰器的混合，此时对鱼雷的干扰噪声级为

2.4 对抗实体建模

海上试验条件下，假定主动声自导鱼雷攻击目标为某潜艇，水声对抗试验需考虑目标强度和鱼雷本身的航行自噪声。

1)潜艇目标强度

潜艇目标强度与声波入射艇舷角有关，潜艇正横的目标强度在鱼雷声自导频段上大致在15～25 dB之间，但不同的声波入射舷角会造成目标强度值的不同，不同声波入射舷角的潜艇目标强度计算式为［1］

其中，TSmax为被测目标 (潜艇)正横的目标强度，取25 dB，若目标采用隐身技术，如有消声瓦时，目标强度将明显降低，计算时可适当减小;θ为声波入射舷角，即被测目标舷角。

2)鱼雷航行自噪声

鱼雷航行自噪声参数一般很难得到，依文献可参考国外鱼雷航行自噪声计算式［3］:

其中，NLz为鱼雷航行自噪声级;HT为航行深度。

3 对抗效能指标

对于主动声自导鱼雷的海上武器试验，其试验指标是多方面的。试验靶标作为噪声干扰器，检验主动声自导鱼雷水声对抗性能，其效能指标有声自导鱼雷的自导作用距离降低、鱼雷探测跟踪时间变长和鱼雷探测目标的概率等多种对抗效能指标。本文采用主动声自导鱼雷自导探测距离平均缩减量和平均缩减率衡量试验靶标对抗鱼雷的效能仿真计算指标［7-8］。

鱼雷自导探测距离平均缩减量可表示为

鱼雷自导探测距离平均缩减率可表示为

其中，n为仿真有效量;ri1为无靶标干扰时鱼雷声呐作用距离;ri2为有靶标干扰时鱼雷声呐作用距离。

4 对抗效果分析

4.1 仿真分析条件

依据式(6)，假定在算式取“=”情况下，被测目标被捕获，此时可根据式(6)计算常数值

取鱼雷发射频率为30 kHz，接收频率为30±0.9 kHz，主动自导时，接收机可从1 500 m处检测到8 dB的目标反射回波，自噪声取鱼雷航行的典型深度40 m时的噪声，则TS=8 dB，TL(1500)和NLz的值，由上述值可计算得到未知参数K的值。依据前述推导方程，试验靶标作为噪声干扰器对抗主动声自导鱼雷，综合影响鱼雷声呐探测距离的各种因素，鱼雷发现被测目标在无靶标干扰器工作条件下，假定其自导发现目标最大距离为

若在靶标干扰器工作条件下，假定其自导发现目标最大距离为

假定被测目标和鱼雷处于同一深度，深度为40 m，海况为3级，f=30±0.9 Hz，海水吸收系数β可计算，噪声干扰器谱级为SLG=120-180 dB。在式(14)和式(15)中，假定靶标干扰器与鱼雷探测目标相近，则可视TLG(r)与TL(r)中的传播距离r相同。

4.2 不同试验海况仿真计算

根据以上仿真条件以及效能指标，可用Matlab软件对条件数据进行仿真计算分析［5］。图2中，依据试验靶标的工作条件，主要计算仿真了1～5级海况下，有无靶标作为噪声干扰器的鱼雷声自导作用距离及作用距离之差。图2中，曲线1表示没有受到靶标作为噪声干扰器干扰时，主动自导探测距离与海况等级的关系;曲线2表示受到靶标作为噪声干扰器干扰时，主动自导探测距离与海况等级的关系;曲线3表示在不同等级海况下，有无噪声干扰器时鱼雷主动自导探测距离之差。图2所示仿真计算条件为，假定鱼雷航深为40 m，被探测目标入射角为60°，靶标作为干扰器的噪声谱级为NLG=160 dB。

图2 不同海况条件下自导距离变化Fig.2 Active acoustic homing distance change with different sea status

假设被测目标入射角在(0°，180°)间均匀分布，鱼雷航深在(10 m，100 m)之间均匀分布，对1～5级海况分别进行仿真计算分析，按照前述对抗指标对靶标作为噪声干扰器对抗声自导鱼雷的效能进行评估，Δr为距离平均缩减量，λ%为距离平均缩减率，计算结果如表1所示。

表1 不同试验海况下对抗效能评估Tab.1 Counter efficiency evaluation under different testing sea status

4.3 不同鱼雷航深仿真计算

图3中，仿真计算了鱼雷航深在10～100 m深度下，有无靶标作为噪声干扰器的鱼雷声自导作用距离及作用距离之差。

图3 不同鱼雷航深下自导距离变化Fig.3 Active acoustic homing distance change with different torpedo voyage depth

图2所示仿真计算主要条件:假定试验海况为3级，被探测目标入射角为60°，靶标作为干扰器的噪声谱级为NLG=160 dB。假设被测目标入射角在(0°，180°)间均匀分布，试验海况为1～6级，对鱼雷航深在 (10 m，50 m)之间分别进行仿真计算分析，主要计算结果如表2所示。

表2 不同鱼雷航深下对抗效能评估Tab.2 Counter efficiency evaluation under different torpedo voyage depth

4.4 不同噪声谱级仿真计算

图4中，仿真计算了靶标干扰器谱级在140～180 dB之间，有无靶标作为噪声干扰器的鱼雷声自导作用距离及作用距离之差。图4所示仿真计算主要条件:假定试验海况为3级，被探测目标入射角为60°，鱼雷航深为40 m。

假设被测目标入射角在 (0°，180°)间均匀分布，试验海况为1～6级，鱼雷航深取典型航深50 m，对靶标噪声谱级 (140～180 dB)之间分别进行仿真计算分析，计算结果如表3所示。

图4 不同靶标噪声谱级作用自导距离变化Fig.4 Active acoustic homing distance change with different target noise spectrum

表3 不同靶标噪声谱级对抗效能评估Tab.3 Counter efficiency evaluation under different different target noise spectrum

4.5 仿真结果分析

鱼雷主动自导探测目标 (潜艇)距离与鱼雷航深、海况等都有密切的关系:

1)试验海况等级越高，而海情越差，主动声自导鱼雷的探测距离就会越来越小，其变化为单调递减关系。

2)主动声自导鱼雷的探测距离随鱼雷航深而变化，到达一定深度后，探测距离变化趋缓，并趋近于某定值。

3)试验靶标作为噪声干扰器，在不同条件下对鱼雷主动声自导探测的干扰效果不同。Δr与λ的变化规律相同。

4)Δr与λ的变化规律相同，都随着鱼雷航深的增大而增大，到达一定深度后，Δr与λ分别趋近于某一定值。

5)靶标对抗鱼雷的噪声谱级的变化，导致Δr与λ也随之变化，随着靶标噪声能级的增大，Δr与λ不断增大。

5 结语

以试验靶标作为噪声干扰器，对主动声自导鱼雷的干扰效果进行了仿真计算分析。分析了其使用时的基本原理，建立了对抗主动声自导鱼雷各对抗要素数学模型。借鉴鱼雷作战效能指标，确立了试验对抗效能仿真评价指标，进行了几种状况下的仿真计算分析和比较。通过上述仿真计算分析，若试验靶标作为干扰器使用方法得当，能够显著降低鱼雷的主动自导作用距离，为鱼雷武器的水声对抗试验提供参考和支持。

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