基于角反射器的诱扫主动攻击水雷方法

罗　祎,何华云,陈　鑫

(1.海军工程大学兵器工程系,湖北 武汉　430033;东海舰队装备部,浙江 宁波　315000)



基于角反射器的诱扫主动攻击水雷方法

罗祎1,何华云2,陈鑫1

(1.海军工程大学兵器工程系,湖北 武汉430033;东海舰队装备部,浙江 宁波315000)

针对现有对抗主动攻击水雷方法的不足,根据主动攻击水雷工作特点,提出了利用串联角反射器模拟潜艇声反射,结合声扫雷具模拟潜艇声辐射,联合诱骗主动攻击水雷的方法。建立了模拟潜艇声反射强度计算模型,给出了从声反射强度及尺度特征方面模拟潜艇特征的方法,并进行了初步验证。为便于使用及提高对抗效率,对角反射器的类型、边长及构造进行了深度优化,显著提高了对抗主动攻击水雷时的效率,证明了该方法的有效性。

角反射器;诱骗;主动攻击水雷

主动攻击水雷受到越来越多国家的重视,如美国的Mk60系列、ISBHM，日本的KRX2，德国的G3,意大利的MAF0S1,俄罗斯的MTΠΚ-1、MTΠΚ-2、MPΠΚ-1等。主动攻击水雷通常利用潜艇的辐射及反射声特征工作,利用被动声引信(声纳)值更,探测潜艇声辐射信号,利用主动声纳探测潜艇声反射特征,以确认目标及方位,然后释放战斗部攻击目标潜艇,定深一般在300-1000m之间[1-3]。

受工作模式及作用范围限制,常用的接触扫雷具、猎雷装备及非接触扫雷具均无法有效对抗这类特种水雷。接触扫雷具及猎雷装备工作深度无法达到主动攻击水雷待机深度,声扫雷具作为点声源,只能模拟潜艇声辐射特征,无法模拟潜艇的声反射尺度特征,也无法对抗这类水雷。

文献[4]提出了一种对抗主动攻击水雷方法。该方法与反鱼雷诱饵原理相似,采用高、低频发声器模拟舰艇声辐射,采用接收应答方式模拟舰艇声反射,即对主动声探测信号接收、处理后再发射出去,利用多个应答器阵元模拟舰艇回波亮点,实现对舰艇的尺度模拟。通过模拟舰艇声辐射及反射特征,制造假目标,诱骗主动攻击水雷释放战斗部,使其失效。但如同反鱼雷诱饵一样,接收应答方式技术复杂,设备造价昂贵,功耗大;应答信号难以完全模拟潜艇的物理反射,易失真,低频应答信号时间延迟大,可能被主动声纳识别,主动攻击水雷距目标与鱼雷距目标相比更近,这一问题显得更突出。

为此,本文提出一种利用角反射器无源反射模拟潜艇声反射特征的方法,可以简便地模拟潜艇对水声信号的物理反射,与声扫雷具结合,诱骗主动攻击水雷误动作。

1　基本方法

本方法的基本设想是,根据主动攻击水雷工作时由下向上侧对目标进行水声探测的特点,利用角反射器有效反射面积大的优点,多个小型角反射器串联,反射面朝向下侧,以模拟潜艇的声反射强度及尺度特征;利用声扫雷具模拟潜艇声辐射特征。当模拟信号与潜艇声信号特征相似时,就可以诱骗主动攻击水雷释放战斗部,使其被消耗掉。

诱扫主动攻击水雷原理图如图1所示。利用扫雷舰拖带,处于水下一定深度。利用声扫雷具模拟潜艇声辐射,利用多个角反射器串联模拟潜艇声反射,联合对抗主动攻击水雷。

图1　诱扫主动攻击水雷原理

由上图可知,该方法的关键是利用多个角反射器的反射声场来模拟潜艇反射声场,包括声强度模拟及尺度特征模拟。

强度模拟要求反射器的声反射强度大于潜艇声反射强度。从下侧看,潜艇结构近似为旋转椭球体,将潜艇等效为旋转椭球体,椭球体的长轴和短轴分别对应潜艇艇体长度和横截面直径,其水声反射强度(有效反射面积)有[5]

(1)

现代潜艇外壳都敷设有消音瓦,对外部入射声信号有吸收作用,实际反射信号会变小,取消音系数为m,则有

(2)

其中,S潜为潜艇有效反射面积(单位m2)。

对于多个相同的串联角反射器,当反射器边长大于入射波长时有

(3)

其中，S角为角反射器有效反射面积(单位m2);n为角反射器数量;a为角反射器边长(单位m);λ为入射波波长(单位m)有

λ=V/f

(4)

其中，V为声波在水下传播速度(单位m/s),为一常数;f为入射波频率(单位Hz)。

两者声反射强度比,即有效反射面积之比

K=S角/S潜

(5)

当K大于1时,表明在相同的入射信号下,角反射器的声反射强度大于潜艇声反射强度,满足模拟要求。K越大对反射器越有利,可以用更小的反射器模拟潜艇声反射特征。

尺度特征模拟主要体现在潜艇的声反射纵向尺度。设潜艇壳体对下侧信号反射能力均匀,采用数个外形流畅的角反射器串联(如图1),使反射器尺寸相同,相互等间隔,且总长度与潜艇长度相当,当反射面朝下时,就可保证对反射器下侧入射信号的有效反射,且模拟出数个等强度纵向回波亮点,即潜艇声反射纵向尺度特征。当艇体对下侧信号反射能力不一致时,可通过调整不同位置角反射器尺寸大小来调节,这里不再探讨。

因此,通过上述方法,可以利用角反射器模拟潜艇声反射强度,并且能模拟出纵向尺度特征,就可以满足对抗主动攻击水雷的需要。

2　仿真验算

为了初步验证本方法的可行性,选一般潜艇为模拟对象。取艇体长轴为80m,艇体截面直径为8m,艇体消音系数为0.5,水雷主动探测信号与潜艇纵向夹角取30°,水下声速V取1480m/s。利用5个相同角反射器串联,间隔16m,反射面朝下,角反射器边长取0.6m,模拟纵向5个相隔16m的声反射回波亮点,与潜艇的纵向声反射尺度特征相当。

下面计算两者的声反射强度比。

主动声纳工作频率大多在数千赫兹以上,为此计算3kHz～20kHz入射频率下反射强度比。此时入射波长小于0.494m,主动声纳探测距离一般大于1km,代入计算可知满足公式(1)、(3)的使用条件,利用公式(5)计算,结果如图2所示。可以看出,反射强度比K均大于1。同样入射频率下,方形反射器模拟回波能力最强,三角形反射器模拟回波能力相对较弱。当入射信号频率f=3kHz时,采用三角形反射器的反射强度比K=6.3为最小值。随着频率增大,K值迅速增加,可以用更小的反射器模拟潜艇回波反射,取得相同效果。

图2　不同反射器的频率、反射强度比关系

3　进一步优化

3.1反射器类型及边长优化

从上面计算看出,模拟同样潜艇回波,方形角反射器能力最强,可以用更小尺寸的反射器模拟舰艇声反射。但从水下拖曳的角度看,方形角反射器外形及结构往往不利于拖曳,此外,还要考虑到不同角反射器的方向性差异对诱扫宽度的影响。三角形角反射器方向图宽度约为40°,圆形及方形的方向图宽度分别为30°、25°[6-7]。

设角反射器方向图宽度为β,反射器距主动水雷垂直距离为h,当反射器朝向下侧时,其最大有效反射范围,即为对抗主动攻击水雷时的扫宽B,可知

(6)

因此,考虑角反射器的方向性时,采用三角形、圆形及方形角反射器所对应的扫宽分别为0.73h、0.54h、0.44h,可见,采用方形角反射器时扫宽较小,为增大扫宽,选择三角形反射器显然有利。

为便于使用,还需在满足模拟要求前提下优选最小反射器边长a。对三角形角反射器,利用公式(5)及上例中数据,可得到角反射器边长a、入射信号频率f、反射强度比K之间的关系,如图3所示。

图3　边长、频率与强度比关系

根据声反射强度比K>1的要求,可得到角反射器边长范围:a≥0.38m;根据角反射器边长大于入射波长(此时入射波长范围为0.074m～0.493m)的要求,可选取角反射器边长a为0.5m。重新利用公式(5)计算,此时三角形反射器阵与潜艇的反射强度比如表1所示。当入射信号频率f=3kHz时,反射强度比K=3.03为最小值,随着频率增大,K值迅速增加,更加满足回波强度要求。为此,确定角反射器边长a=0.5 m,这一尺寸显著小于被模拟潜艇尺寸,便于水下拖曳使用。

表1　不同入射频率下反射强度比

3.2反射器构造优化

为提高对抗主动攻击水雷时的效率,需进一步增大对抗主动攻击水雷时的扫宽。可考虑采用多格反射器,同时要尽量避免反射器间出现反射盲区导致漏扫。从角反射器构造看,采用二格、四格方便,但由角反射器方向图宽度可知,相邻两反射器间有反射盲区,会造成较大漏扫。单个三角形角反射器方向图宽度40°左右,在二格角反射器(如图4)基础上,构建如图5所示的三格三角形角反射器。三个三角形角反射器尺寸相同、顶点重合,其中第3个三角形角反射器与其余两个错位45°,贴于它们正后方。使用时反射面朝向下侧,由图6可知,此时可对反射器下侧130°范围入射声信号有效反射,且反射器正下方无死区,但两侧各有5°的区域会出现漏扫。

图4　二格角反射器

图5　三格角反射器

图6　有效反射方向图

由公式(6)可知,这种方案下对抗主动攻击水雷的扫宽为

远大于三个三角形反射器单独使用时的扫宽之和2.19h,对于提高对抗主动攻击水雷效率非常有利。主动攻击水雷一般布设深度较大,假设其布设深度为500m,反射器位于水下20m,则最大扫宽高达2054m。因此,采用这种样式对抗主动攻击水雷效率非常高。

由图6可知,漏扫区宽度为

B′=2h×tan(25°)-2h×tan(20°)=0.2h

因此,漏扫率为

漏扫率小于5%,能较好地满足对抗水雷要求。

4　结束语

由上面分析可以看出,本方法模拟潜艇声反射更接近潜艇对水声信号的物理反射过程,简便、无能耗,模拟信号不易失真、无时间延迟,结合声扫雷具模拟潜艇声辐射,能有效对抗主动攻击水雷。

受篇幅所限,文中只对基于角反射器的诱骗主动攻击水雷方法进行了初步探讨,对利用反射器更精确模拟潜艇声反射,以及反射器的流体动力特性等问题还需进一步研究。

[1]陈雄洲,刘艳萍.国外主动攻击型水雷发展趋势分析[J].水雷战与舰船防护,2001,19(2):1-3.

[2]陈开权.美国的自导水雷[J].水雷战与舰船防护,2005,23(2):49-51.

[3]张运龙,张旭,罗一丁.主动攻击水雷可攻区域研究[J].火力与指挥控制,2015,40(10):1762-1764.

[4]卢刚.诱扫主动攻击水雷技术[J].水雷战与舰船防护,2009,17(4):1-6.

[5]刘伯胜,雷家煜,水声学原理[M],哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,2010:166-167.

[6]张永顺,童宁宁,赵国庆.雷达电子战原理[M].第2版.北京:国防工业出版社,2010:148-154.

[7]Christian G.Bachman.Radar Targets[M].Lexington: Lexington Books,1982:72-73.

Method of Cheating Moving Mine Based on Corner Reflector

LUO Yi1,HE Hua-yun2,CHEN Xin1

(1.Dept.of Weaponry Eng.,Naval University of Engineering,Naval University of Engineering,Wuhan 430033;2.Equipment Department of East China Sea Fleet,Ningbo 315000,China)

In accordance with the weakness of lack for means of countering moving mine and the characteristic of moving mine,a new idea of joint cheating moving mine using corner reflector and sound sweeper was put forward.The mathematics model of simulating sound reflecting of submarine was built,and the realizing method of simulating intensity and scale character were put forward.in order to convenient use and improving efficiency,the type、size and structure of corner reflector were optimized.Results of calculation prove that the efficiency was improved,and the method was feasibility.

corner reflector; cheating;moving mine

1673-3819(2016)05-0112-04

2016-05-27

2016-07-21

罗祎(1974-)，男，湖北十堰人，博士，副教授，研究方向为兵器科学与技术。

何华云(1973-)，男，硕士，工程师。

陈鑫(1994-)，男，硕士研究生。

E917；TJ61.7

ADOI:10.3969/j.issn.1673-3819.2016.05.024