水声对抗系统干扰效果仿真研究*

路晓磊, 张洪欣, 张小波, 谷志珉, 刘祥宇

(1.国家海洋局北海海洋技术保障中心, 山东 青岛 266033;2.哈尔滨工程大学水声技术国防科技重点实验室, 黑龙江 哈尔滨 150001)

水声对抗系统干扰效果仿真研究*

路晓磊1,2, 张洪欣1, 张小波1, 谷志珉1, 刘祥宇1

(1.国家海洋局北海海洋技术保障中心, 山东 青岛 266033;2.哈尔滨工程大学水声技术国防科技重点实验室, 黑龙江 哈尔滨 150001)

当前我国面临的海洋维权形势十分严峻,依法维护海洋权益的任务十分艰巨,迫切需要有效的海洋执法装备来提升海洋维权执法能力。主要研究水声对抗系统对侦听声呐实施干扰的效果,主要从有效干扰源级和有效干扰扇面两个方面进行了仿真分析,并研究了不同水文条件对干扰效果的影响。

海洋权益; 水声对抗; 低频干扰

海洋权益是一个国家海洋权利和海洋利益的总称,是国家的领土向海洋延伸而形成的一些权益,主要包括政治利益、经济利益和安全利益[1]。海洋权益对国家安全和国家利益具有深刻的意义,依法维护海洋权益已经成为影响未来我国发展的重要任务。日益变化的国际政治经济形势使我国海洋维权斗争日趋复杂,依法维护海洋权益的任务十分艰巨,迫切需要有效的海洋执法装备来提升海洋维权执法能力。

近年来,美、俄、日、韩等国的调查船和监视船频繁在我国专属经济区内活动,这些船只利用各种海洋水下环境和声学探测设备对我国管辖海域实施大面积综合调查和监视,非法进行海洋环境测量、情报侦察等活动,搜集我国周边海域海洋环境资料和相关军事信息。美国海军测量船多次进入我国专属经济区内进行非法调查,但由于美国未加入《联合国海洋法公约》,不承认调查区域位于中国专属经济区,对中国执法船的海上维权执法置之不理,严重侵犯我国海洋权益;俄罗斯调查船也经常出现在我国专属经济区内进行非法侦察活动;日本和韩国在我国专属经济区内经常发出挑衅性行为[2-3]。

面对国外侦察船在我国海域的种种非法活动,我国的海上执法队伍缺乏有效的技术手段,往往只能通过喊话、拍照、跟踪等方法进行监视,无法有效地体现管辖能力,某些现场执法的效果不甚明显。因此,有必要将水声对抗技术应用到海洋维权执法中,运用水声对抗装备以“软杀伤”的方式干扰国外侦察船的监听设备正常工作,保护我国管辖海域的海洋环境资料和军事信息安全。本文主要研究水声对抗系统对敌方监听声呐实施干扰的效果,主要从有效干扰源级和有效干扰扇面两个方面进行仿真分析,由此对实战中如何进行干扰给出相应的建议。

1 水声对抗系统概述

水声对抗系统是指对敌方水声探测设备和水声制导武器进行干扰和破坏,使敌方探测设备和水声制导武器效能降低或彻底失效的软件和硬件的总称[4-5]。水声对抗装备主要包括噪声干扰器、气幕弹、拖曳式声诱饵、鱼雷拦截弹、鱼雷拦截网等,本文主要应用的是噪声干扰器。水声对抗系统和水声对抗战法的应用始于第二次世界大战期间,最早使用的是装备是气幕弹,后来逐渐研制出其他不同种类的水声对抗设备。目前在水声对抗领域技术领先的国家主要有美国、英国、法国、俄罗斯、意大利、日本、以色列等,随着海洋越来越受到各国的重视,这些国家都在不断进一步研究水声对抗技术并开展水声对抗计划,如美国的SDW计划、SSTD计划,英国的“护身符”技术、法国的“斯巴达克斯”计划等[6-7]。由于技术封锁,能够查到的资料有限,但是国外的水声对抗技术研究已涉及水声、通讯、电子、计算机、光纤等多个学科,而国内在这方面的研究较国际水平还有很大的差距,目前哈尔滨工程大学、中科院声学所、西北工业大学和中船重工715所等单位在此领域较为领先,只有不断地研究、应用和跟踪有关学科的高新技术,才能使水声对抗技术取得更好更快的发展。

2 干扰效果仿真

美国的“胜利级”水声监听船自2007年6月以来,频繁在我国专属经济区活动,一年半时间里就发现了17次。该船通常以3 kn左右速度航行,在距我国港口280km附近海域往复走航拖曳作业,航行方向与我方舰艇出航区域基本成正交状态,该舰的主要监听设备为先进的拖曳线列阵声呐,且为双拖,双拖阵用于分辨左右,即目标究竟在阵的哪一个舷侧。假设拖缆全长约1.6km,拖曳阵基阵长约637.5m,拖曳深度因海况不同而异,最大深度为450m,拖曳阵示意图如图1所示。其主要目的是侦察我方舰艇的出港时间及航向,并且采集舰艇的辐射噪声数据,以建立相应数据库,为其今后进行声呐的目标检测和识别提供支持。

图1 拖曳阵示意图

为隐蔽我方舰艇的行踪,防止辐射噪声数据被对方采集,最直接的手段就是在执法船上配备水声对抗系统作为干扰源,对对方的拖曳阵实施干扰,降低拖曳阵声呐的接收信号信噪比,使其无法有效监测到港口目标,甚至只能监测到干扰源。水声对抗系统的结构框图如图2所示。

图2 水声对抗系统结构框图

拖曳线列阵声呐在如此远的距离上进行侦察,只能利用舰艇或潜艇低频端的辐射噪声,尤其是共振线谱。几种舰船的在低频端的典型声源级一般在130dB～160dB之间[8],并且这些数据取于“二战”时的文献,战后由于反潜战的发展,以及舰船噪声抑制日益受到重视,在舰船设计和施工建造中采取了很多降噪措施,舰船辐射噪声谱级水平普遍降低,平均在130dB以下。假设港口目标的舰船辐射噪声声源级为SL1=135dB,侦察舰距离港口约280km,作为干扰手段,利用水声对抗系统发射大功率的低频宽带噪声对拖曳阵进行干扰,干扰源的声源级为SL2=165dB,对准拖曳线列阵的正横方向,侦察舰、干扰舰、港口目标的几何姿态如图3所示。

图3 几何姿态图

在距离r处,典型浅海声传播损失的估算公式为[8]

TL=15lgr

(1)

其中，r的单位为米。可以得到,港口目标到拖曳阵的传播损失TL1=81dB,由于环境噪声对于港口目标和干扰源相同,因此仿真时可忽略环境噪声的影响。港口目标辐射噪声到达拖曳阵的声级为SL1-TL1=135-81=54dB,根据干扰的有效准则,当拖曳阵波束形成器输出端信噪比小于-6dB时,拖曳阵无法有效采集到目标的信号,仅能探测到干扰信号,即要求干扰信号到达拖曳阵的声级大于60dB,这除了与系统本身的发射声源级有关外,还与干扰距离有关。

由于拖曳线列阵声呐是一个全方位的多波束系统,只能在一定范围内对其进行干扰,无法做到全景干扰,因此要求水声对抗系统要有一个足够大小的干扰扇面,这除了取决于系统的干扰源级外,还取决于多途角扩展的大小。下面仿真干扰船与侦察船在不同距离时,在满足有效干扰源级要求下水声对抗系统能够覆盖的有效干扰扇面。

仿真中使用的信道软件为206声呐作用距离预报系统,仿真软件为Matlab,仿真条件:均匀声速1500m/s条件下,干扰源与拖曳阵位于同一深度,港口目标辐射声源级135dB,干扰源声源级165dB,发射信号频率为1kHz,分别仿真干扰距离为2km、10km、20km、40km、80km、280km六种情况时的干扰扇面,仿真结果如图4所示。由于仿真所用的信道软件的动态范围为40dB,从图中可以估算出系统的有效干扰扇面即当声线声级为60dB时对应的角度,估算结果如表1所示。

图4 不同距离下多途角扩展情况

表1 不同距离下干扰扇面及干扰长度

从表中可以看出,干扰距离越大,有效干扰扇面越小,当距离达到80km～280km时,只有直达声能够到达拖曳阵。因此,在一定范围内,干扰源与拖曳阵之间的距离越远,干扰效果越弱,港口目标越容易被敌方侦察船监测到。所以,建议干扰距离为2km～10km最佳。

下面仿真跃变层声速水文条件下的干扰效果。假设干扰距离为10km,干扰源与拖曳阵所处深度分别为30m/30m、30m/70m、70m/30m、70m/70m四种情况,均匀声速1500m/s,港口目标辐射声源级135dB,干扰源声源级165dB,发射信号频率为1kHz,仿真结果如图5所示。

图5 跃变层水文条件下多途角扩展情况

从结果可以看出,当干扰源和拖曳阵位于同一深度时,声线的传播与均匀声速水文条件时相似,声线的声级和掠射角与均匀声速时基本相同。当干扰源位于30m拖曳阵位于70m时,由于声线在传播过程中严重弯折,强度减弱,在±10°范围内基本没有声线到达,干扰效果不理想。当干扰源位于70m拖曳阵位于30m时,与均匀声速相比,声线强度明显减弱,干扰扇面也有所减小。因此,在实际干扰过程中,若水文条件为跃变层,应适当减小干扰距离以保证干扰效果。

3 结束语

综述所述,为保证干扰的有效实施,系统发射声源级一般要求在160dB以上,原则上越大越好。在实战中,应结合干扰船机动性要求、港口舰船活动范围等因素,并根据实测水文,适当减小干扰距离上限,干扰距离一般为2km～10km,并根据实际情况进行调整。干扰效果对水文条件的改变比较敏感,一般而言,均匀声速水文条件干扰效果最佳,正梯度水文条件次之,负梯度水文条件再次之,跃变层水文条件下干扰效果最差。此外,在干扰信号的选择上,一般使用低频宽带信号或CW信号,其中宽带信号的干扰波束覆盖港口目标的能力普遍强于CW信号。

[1] 辛圆,黄硕琳. 中韩海洋权益问题研究[J].上海海洋大学学报,2013,22(3): 419-424.

[2] 姜丽丽. 论中国海洋维权执法[D].青岛:中国海洋大学,2006.

[3] 朱心科,金翔龙,陶春辉,等. 海洋探测技术与装备发展探讨[J].机器人,2013,35(3): 376-384.

[4] 董阳泽,钱存健,刘平香. 网络化水声对抗研究初步(Ⅰ)——概念和关键技术[J].舰船科学技术,2006,28(5): 48-51.

[5] 吴开明,吴立新,任云,等. 水声对抗仿真及其海洋环境平台综述[J].舰船科学技术,2008,30(6): 152-154，165.

[6] 杲玉芳. 国外水声对抗技术和设备[J].盐城工学院学报(自然科学版), 2003, 16(2): 67-69.

[7] 施丹华. 水声对抗技术发展及其概念拓展[J].舰船电子工程,2006,26(4): 1-3.

[8] 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,1989.

Simulation Research of Underwater Acoustic Countermeasure System Interference Effect

LU Xiao-lei1,2, ZHANG Hong-xin1, ZHANG Xiao-bo1, GU Zhi-min1, LIU Xiang-yu1

(1. North China Sea Marine Technical Support Center of the State Oceanic Administration, Qingdao 266033; 2. National Laboratory of Underwater Acoustic Technology, Harbin Engineering University, Harbin 150001)

At present the marine rights situation our country faces is very grim. Safeguard marine rights and interests according to law is a very difficult task. Effective marine law enforcement equipment to improve law enforcement capacity is urgent needed. The paper mainly research the interference effect of underwater acoustic countermeasure system. The simulation analysis from two aspects of effective interference source and effective jamming sector, and studied the effects of different hydrological conditions on interference effect.

marine rights and interests; underwater acoustic countermeasure; low-frequency interference

1673-3819(2017)06-0096-03

U666.7；E935

A

10.3969/j.issn.1673-3819.2017.06.020

2017-05-29

2017-08-19

山东省海洋生态环境与防灾减灾重点实验室基金资助项目(201506)

路晓磊(1986-)，男，山东招远人，硕士，工程师，研究方向为水声信号处理和海底探测技术。张洪欣(1978-)，男，教授级高级工程师。张小波(1978-)，男，高级工程师。谷志珉(1981-)，男，高级工程师。刘祥宇(1989-)，男，助理工程师。