提升声自导鱼雷捕获概率的使用方法研究

曲 丰, 吴 磊, 杨国华

(解放军91388部队92分队, 广东 湛江 524022)

鱼雷是由携载作战的平台在发现目标后发射入水,在受控状态下自动航行,用以攻击水面或水下目标的水中兵器,是海军的主战武器,被誉为“水下导弹”。因而受到世界各国的高度关注[1]。各个国家无不重视和强化对武器装备作战使用方法的研究,对鱼雷等武器的重视程度更高,经济投入更大,尤其是对于声自导鱼雷的使用[2]。主动声自导鱼雷捕获目标的准则是自导装置周期性的发射声信号,当接收目标反射回来的声信号能量值超过门限值时,鱼雷捕获目标。在现代的海战中,线导鱼雷是潜艇攻击远距离水面舰船的主要武器之一。声自导鱼雷能否有效捕获目标受多种因素的影响,有必要对影响捕获目标概率的因素进行研究。本文从鱼雷自导自身性能、外部海洋环境对鱼雷自导的影响等方面对影响声自导鱼雷捕获概率的具体因素进行分析。

1 主动声自导工作原理

发射机通过声学基阵周期地向海水中发射某种形式的声波,如果发射的声波信号在水声信道传播遇到目标时,一部分能量被反射回来,接收机接收这个能量信号,对它进行AD转换、数字频率分集、正交解调、波束形成、信号检测、综合判别等一系列处理后[2],识别并锁定目标。主动声自导工作原理如图1所示。

主动声自导工作时,有以下两种背景干扰噪声:

1)当背景干扰主要为背景噪声干扰NL时,主动声纳方程可表示为[3]

SL-2TL+TS-(NL-DI)=DT

(1)

2)当背景干扰主要为海洋混响干扰时,主动声纳方程可表示为

SL-2TL+TS-RL=DT

(2)

式中，SL为发射声源级(dB);TL为传播损失(dB);TS为目标强度(dB);NL为背景噪声级(dB);DI为接收指向性指数(dB);DT为检测阈(dB);RL为海洋混响级(dB)。

对于主动声自导工作方式下的鱼雷来说,DT、SL、DI为给定值,通过对海洋环境、目标特性进行测量、分析、研究得出TL、NL、RL、TS后,即可较为准确地对主动声自导工作方式下的鱼雷自导作用距离进行预报。

2 复杂水声环境对鱼雷声自导的影响

从鱼雷主动声自导工作原理和声信号在海水中传播特性可以看出,影响主动声自导性能的环境因素主要有:声传播特性、海洋环境噪声、海洋混响等。声传播特性,包括传播损失、界面反射、声线弯曲等,主要受海水中声速垂直分布不均匀、声吸收、海面、海底、海深等因素。海洋环境噪声、海洋混响以及界面反射对鱼雷主动声自导的影响。

2.1 声传播特性

水声信道的声传播特性由海深、海面起伏、海底地质、声速梯度等多种因素综合形成。其中声速梯度对于鱼雷主动声自导信号的传播影响最大。声速在海水分布在垂直方向呈梯度变化,其变化规律受季节、纬度等因素的影响。海水声速分布的不均匀性会导致声线弯曲,直接影响鱼雷自导距离的大小[4]。

实际测量表明,近海面水层的声速甚至在2h内就有大约1‰的变化。温度和含盐度在水平方向无明显变化,在深度方向接近于分层变化,而压力仅随深度线性变化,所以海水声速可近似认为是在深度方向上变化的。

鱼雷在实际的作战使用和试验中,影响自导性能的主要因素是海区的垂直声速分布规律。垂直声速分布虽然与地理位置、季节以及一天中不同的时段、温度密切相关,海区的垂直声速分布可以归纳为八大类型。对应的垂直声速分布如图2所示。

声速测量从海面到海底(或一定深度)每隔1m～10m测量一个点。

相对声速梯度计算公式为

(3)

式中,α为相对声速梯度,单位为1/m;c0是ΔH上水层的声波传播速度,单位为m/s;ΔH为c、c0所在水层深度差,单位为m。

对于水声条件通常用相对声速梯度来描述声速条件的优劣。通常根据相对声速梯度α分为三级:

1)良好水声条件:等声速层或弱负梯度,α约为 0～-1×10-4(1/m);

2)中等水声条件:中等负梯度,α约为-1×10-4～-1×10-3(1/m);

3)恶劣水声条件:强负梯度,α约为<-1×10-3(1/m)。

2.2 海洋环境噪声

背景噪声是限制鱼雷主动声自导性能的主要因素之一,其中背景噪声中的鱼雷航行自噪声在鱼雷设计生成后已经确定,因此这里我们主要介绍海洋环境噪声。在利用主动声呐方程对鱼雷自导作用距离进行估计的过程中,要求对参数NL进行估计,因此需要充分掌握作战海区海洋环境噪声的时空统计特性,以便更好地对主动声自导性能做出预报,为作战使用给出战术指导。而海洋环境的具体噪声大小可以通过实测数据确定。还可借助经验公式测算[5]。例如,对于浅海,有一种计算噪声谱级的公式为

NL=55-17·lg(f)+6S

(4)

式中,f为噪声频率(kHz);S为海况等级(S=1,2,…,9)。

2.3 海洋混响

所谓混响,是指发射信号所引起的各种散射又被发射点附近接收的所有散射波的总和。海洋混响分为体积混响、海面混响和海底混响等三种类型。在深海中,离海面、海底较远,则主要混响是体积混响。在浅海中,混响主要是界面混响。另外,不同水文条件时,各种混响的作用也不同。例如,正声速梯度分布时,由于声线往上弯曲,所以发射声脉冲后,紧跟的体积混响,随后就有海面混响到达。

1)体积混响

体积混响级RLV有以下公式计算为

RLV=SL-2·TL+Sv+10·lgV

(5)

TL=20·lgr-β·r·10-3

(6)

(7)

式中,RLV为体积混响(dB),SV为体积混响强度(dB),V形成混响的总体积(m3),c为声速(m/s),τ为发射脉冲宽度,r为距离(m),Ω为发射器-接收器组合的等效合成波束宽(°),β为衰减系数。

2)海面混响

海面混响级可用下式表示:

RLS=SL-2·TL+SS+10·lgA

(8)

(9)

式中,RLs为海面混响(dB),Ss为海面散射强度(dB),A为产生海面混响的散射面积(等效混响面积)(m2),ρ为等效合成束宽(°)。

海面散射强度Ss一般强度范围在-30dB～-50dB左右。也可用下面的经验公式估算:

(10)

(11)

式中,θ为掠射角(°),v为风速(kn),f为频率(Hz)。

鱼雷自导发射频率是设计确定的,掠射角取决于鱼雷俯仰角控制。海况对鱼雷自导信号检测的影响是存在的,在高海况条件下,海面混响干扰会更严重,某型鱼雷在浅海试验中,曾因强海面混响干扰,引起鱼雷自导接收跟踪非目标信号。当设定鱼雷搜索深度为最小值时或接近最小值时,海面混响是主要的,相对于与较大搜索深度来说,此海面混响对自导性能的影响是更为严重。在实际作战使用中,鱼雷搜索深度设定为较小值的情况是可能的,根据海上试验实测的水声情况来看,通常在30m-50m范围存在一个水声跃变层,攻击潜望潜艇时,鱼雷设定深度必须在水声跃变深度以上,鱼雷和目标潜艇处于水声跃变层的同侧,才有利于鱼雷搜索目标。

3)海底混响

海底混响级可用下式表示:

RLB=SL-2·TL+SB+10·lgA

(12)

式中,RLB为海底混响级,SB为海底散射强度,A为混响面积。

海底散射强度SB和掠射角有关,同时与海底类型关系很大。一般情况下,岩石底类海底的SB大,砂底次之,淤泥底最小。通常可用下式估算:

SB=27+10·log(sin2θ)

(13)

式中,θ为掠射角(°),掠射角取决于鱼雷俯仰角控制。

3 自导作用距离对鱼雷捕获概率的影响

鱼雷声自导装置的作用范围是一个扇面,当鱼雷的自导扇面覆盖目标时,鱼雷捕获目标。有利提前角是鱼雷射击的重要参数之一,当射击条件一定时,鱼雷捕获概率就是鱼雷射击提前角的函数,捕获概率最大时对应的射击提前角为有利提前角。

如图3所示。图中vy为鱼雷航速,vm为目标航速,D为鱼雷与目标舰船的距离,qm为目标舷角,λ为鱼雷自导扇面角度的一半,φ有为有利提前角。

有利提前角φ有计算过程如下:

K=2sinλ/3λ

(14)

φ=arctan(KmRcsinqm/(D+KmLcosqm))

(15)

φ有=arcsin(qm-φ))-φ

(16)

根据上述公式,自导作用距离是有利提前角函数的变量,特别是在射距较小时,自导作用距离变化越大,有利提前角变化也越大。自导作用距离的大小与作战使用时射击提前角密切相关,其指标值的大小应与鱼雷实际发现目标的距离尽可能一致,用此参数解算有利射击提前角才具有实战意义,可达到最佳或较佳的捕获概率,反之,如果两者差异较大,则降低捕获概率。因此,如何确定自导作用距离指标,使其与鱼雷捕获目标距离尽可能一致,并加强自导作用距离预报,对提高鱼雷有利提前角的准确性,达到提高鱼雷捕获概率的目的,具有重要意义。

4 鱼雷自导作用距离预报

4.1 射线声学模型

射线声学是把声波的传播看作是一束无数条垂直于等相位面的射线的传播,每一条射线与等相位面垂直,称为声线。声线途径的距离代表声波传播的路程,声线经历的时间为声波传播的时间。声线束所携带的能量即为波传播的声能量[6]。在分层介质中,射线声学遵循 Snell 定理:

(17)

式中,c0和θ0分别为声源处声速和初始掠射角,ci为某一深度时的声速,θi为与之对应的掠射角。若θ0与c(z)已知,则可以求解出任意深度处声线的掠射角。

等声速梯度情况下,声线沿一个半径为R的圆弧传播,θ0对应深度z0,θ1对应深度z1,在传播过程中掠射角由θ0变化为θ1时,声线的水平传播距离为

(18)

传播时间为

(19)

复杂的声速垂直分布,按照深度可近似地划分为具有等声速梯度分布的多个分层,总的声线水平传播距离和传播时间为多个分层的叠加。若总分层数为N,每一层的声线水平传播距离和传播时间为xi和ti,i=1,2,…,N,则

(20)

(21)

根据上述公式即可画出不同声速梯度下的声线图。

4.2 鱼雷自导作用距离预报软件编写

根据鱼雷自导作用原理和射线声学模型,建立鱼雷主动声自导作用距离预报数学模型,并采用Matlab软件编制鱼雷自导作用距离预报软件。其原理为,在已知水文条件下的鱼雷自导作用距离指标值时, 通过输入声速梯度、海底反射系数、海面反射系数等,估计鱼雷实际的自导作用距离[7]。具体估算流程如图4所示。

鱼雷自导作用距离预报软件界面如图5所示。

4.3 鱼雷声自导作用距离仿真分析

利用鱼雷声自导作用距离预报软件,进行主动声自导作用距离预报,分别假定潜艇在两种不同的海洋环境(海况、水文等)条件下,装订不同的声线梯度,采用主动声自导鱼雷攻击敌水面目标,进行鱼雷的实际自导作用距离仿真估算,设定初始参数如表1所示[8]。

表1 仿真初始参数表

具体仿真计算过程如下:

1)假设在恶劣水文条件下,声速c(z)只随深度变化;具体变化规律见式(22),坐标单位为m,声速单位为m/s,

(22)

恶劣水纹条件下,声速梯度剖面示意图一,如图6所示。

鱼雷自导作用距离估算软件装订声速梯度一时,仿真实验示意图如图7所示。

2)假设在良好水文条件下,声速c(z)只随深度变化;具体变化规律见式(23),坐标单位为m,声速单位为m/s,即有

(23)

良好水文件下,声速梯度剖面示意图二,如图8所示。

鱼雷自导作用距离估算软件装订声速梯度二时,仿真实验示意图如图9所示。

3)在两种不同的水文条件下,选取5个鱼雷标定的自导作用距离[9-10],通过仿真软件,进行仿真计算,具体计算结果如表2所示。

表2 自导作用距离实验仿真结果

通过以上仿真结果可知,在恶劣的水文条件下,鱼雷实际自导作用距离与理论标定的自导作用距离差距很大,在良好水文条件下,鱼雷实际自导作用距离更接近理论标定的自导作用距离。因为在鱼雷射击参数和导引参数的计算公式中都涉及鱼雷自导作用距离变量，所以导引声自导鱼雷攻击目标时,要充分考虑海洋环境对鱼雷自导作用距离的影响。

5 结束语

本文对鱼雷探测目标性能分析,主要对鱼雷主动声自导的工作机理、性能指标及影响性能的因素进行阐述。对声传播、混响等对鱼雷自导性能的影响进行分析,研究了自导作用距离对鱼雷捕获概率的影响,并且根据鱼雷自导作用原理和射线声学模型,建立鱼雷主动声自导作用距离预报数学模型,并采用Matlab软件编制鱼雷自导作用距离预报软件,仿真验证了不同的海洋环境对鱼雷实际的自导作用距离的影响很大,进而影响了声自导鱼雷捕获目标的概率。同时,为后续进一步优化提升声自导鱼雷捕获概率的使用方法奠定了理论基础。

[1] 钱建平,杨芸. 国外鱼雷及自导技术现状与发展趋势[J].船舶工程,2003, 25(4):10-16.

[2] 李刚强,黄文斌.线导鱼雷导引方法综述[J]. 鱼雷技术,2003,11(2):38-42.

[3] 赵洪海, 闫海蛟, 张宁. 潜艇机动对鱼雷捕获概率影响的仿真研究[J]. 计算机仿真, 2005, 22(9): 6-8.

[4] Y Zhang,J Zhang,W Yin.Multi-target Echo Synthesis in Underwater Acoustic Environment[C]. Natural Computation (ICNC), 2013 Ninth International Conference on, 1403-1407.

[5] 陈春红，易红，郝保安，等.鱼雷发动机噪声对自导系统的干扰及其抗干扰技术[J].鱼雷技术,2007, 25(2):110-115.

[6] 付金山. 海底参数反演技术研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨工程大学,2006.

[7] 周涛. 声自导鱼雷自导开机距离计算模型研究[J]. 指挥控制与仿真, 2013, 35(3):36-38.

[8] 高萍, 袁富宇. 基于声自导鱼雷发现概率的本艇机动优化指标[J]. 指挥控制与仿真, 2008, 30(1):44-47.

[9] 李志伟, 张永峰,吴磊. 基于蒙特卡洛法的水面舰船规避声自导鱼雷仿真研究[J]. 声学技术, 2014, 33(5): 105-108.

[10] 赵宏志,曹志敏,韩瑜. 基于贝叶斯因子分析的声纳探测误差模型研究[J]. 指挥控制与仿真, 2011, 33(6):31-36.