基于扩展面积的航空浮标与舰载声呐协同搜潜范围研究

韩建辉， 单志超， 刘贤忠， 郑晓庆， 李大卫

(海军航空大学 航空作战勤务学院， 山东 烟台 264001)

0 引 言

随着消声材料的广泛应用， 水下目标的有效声散射面积不断降低. 优化设计结构和外形， 有效减小水动力噪声； 采用精密加工工艺和泵喷装置等， 降低推进器辐射噪声； 采用减震降噪技术， 减小机械噪声. 水下目标辐射噪声越来越低， 给声呐探测带来了巨大的挑战， 而被动声呐浮标受到的影响尤其显著[1].

舰载声呐发射大功率声探测信号， 被动声呐浮标同时接收回波信号， 完成协同多基地探测， 具有探测距离远、 范围广、 隐蔽、 安全、 快速和高效等特点， 是应对声呐探测挑战的有效途径之一[2-5]. 本文以多基地主被动声呐方程为依据， 对航空被动声呐浮标与舰载声呐协同多基地水下探测范围进行研究， 定量分析协同多基地工作模式相对于独立工作时的覆盖范围和优势， 对于舰载声呐和航空声呐多基地协同搜索和使用具有重要意义.

1 航空被动声呐浮标与舰载声呐探测范围模型

1.1 航空被动声呐浮标与舰载声呐多基地配置

多基地声呐几何配置关系如图 1 所示.S表示舰载声呐， 它既作为主动声源向水下发射探测信号， 也可工作在单基地模式.Ri为航空被动声呐浮标，i表示浮标序号， 可同时接收水下目标回波信号和辐射噪声信号.T为水下目标.RT为发射机到目标的距离.RRi为目标至接收机的距离.

图 1 多基地声呐几何配置

1.2 航空被动声呐浮标与舰载声呐双基地探测范围

舰载声呐发射探测信号， 航空被动声呐浮标接收水下目标的反射回波. 双基地主动声呐方程为[6-8]

TLS+TLR=SLV+TS-(NLF-DIF+DTF)，

(1)

式中：TLS为舰载声呐到水下目标的传播损失；TLR为水下目标到声呐浮标的传播损失；SLV为舰载声呐发射声源级；TS为目标强度；NLF为声呐浮标接收的海洋环境噪声级；DIF为声呐浮标指向性指数；DTF为声呐浮标检测阈.

若舰载声呐和被动声呐浮标均独立工作， 则相应的舰载单基地主动声呐方程为

2TLV=SLV+TS-(NLV-DIV+DTV)，

(2)

式中：TLV为单基地舰载声呐到目标的传播损失；NLV为舰载声呐接收的海洋环境背景噪声级；DIV为舰载声呐指向性指数；DTV为舰载声呐检测阈. 声呐浮标单基地被动声呐方程为

TLF=SLT-(NLF-DIF+DTF)，

(3)

式中：TLF为水下目标到声呐浮标的传播损失；SLT为水下目标辐射噪声级. 将式(1)～式(3)联立可得

TLS+TLR=TLF+SLV-SLT+TS.

(4)

若忽略海水吸收损失条件下声传播满足球面波规律，RS为舰载声呐单基地作用距离，RF为被动声呐浮标单基地作用距离，TLS=20lgRT，TLR=20lgRR，TLF=20lgRF， 则有

(5)

舰载声呐与航空声呐浮标构成的双基地系统等效半径Requil=(RTRR)1/2. 则有

(6)

考虑良好水文条件下柱面波传播损失和海水吸收损失，TLS=10lgRT+αRT，TLR=10lgRR+αRR，TLF=10lgRF+αFRF， 代入式(4)可得

(7)

式中：α为舰载声呐主频海水吸收系数；αF为浮标频带中心点海水吸收系数， 单位dB/m.

当被动声呐浮标和舰载声呐位置重合时， 探测范围是圆形， 随着被动声呐浮标和舰载声呐距离的增加， 主被动声呐探测范围封闭曲线开始逐渐扭曲， 最终分离为两个分立的不同闭合区域[7-8]， 双基地等效半径Requil为双基地覆盖范围开始发生扭曲时基线长度的一半， 即

(8)

解方程可得

(9)

式中：x=lambertw(z)为方程xex=z的解[1].

1.3 水下目标辐射噪声声源级

水下目标辐射噪声包括机械噪声、 螺旋桨噪声和水动力噪声. 目标航速变化引起辐射噪声声源级变化. 在低速时辐射噪声主要由机械噪声和螺旋桨叶片速率线谱和弱连续谱构成， 在高速时主要由螺旋桨连续谱噪声构成[9]. 在一定航速条件下， 目标声源级与形状、 尺度、 主机类型、 航行状态、 推进器、 深度等众多因素有关. 按照辐射噪声声源级可以将目标分为6类， 如表 1 所示[9].

图 2 给出了水下目标辐射噪声谱， 总声级

OSL=10logI0+10logf1-10log(q-1)，

(10)

式中：q为谱级衰减率；f1为噪声谱坡形开始处的频率； 10logI0为噪声谱坡形开始处的谱级；f1随着螺旋桨直径增大而减小、 随深度增加而增大、 随航速增加而减小.

表 1 水下目标分类

图 2 水下目标辐射噪声谱

1.4 目标强度

目标强度反映了水下目标声散射特性. 目标强度通常与水下目标的尺度、 方位、 测量距离、 深度、 材料、 结构等因素有关. 水下目标正横位置目标强度最大， 艇艏艇尾目标强度最小. 现代潜艇一般铺设消音瓦， 表面设计非常光滑， 取消栏杆和栏索， 减少开孔， 在各种结构交接处采用弧形圆滑过渡， 其目标强度得到有效控制.

2 探测范围仿真分析

设舰载声呐工作频率为4 kHz， 海水吸收系数α为2.194×10-4dB/m， 舰载声呐接收指向性指数为20 dB， 检测阈为10 dB， 海洋环境噪声级NL为60 dB， 水下目标强度TS为15 dB， 机载声呐浮标检测阈DTD为10 dB， 接收指向性指数DID为10 dB， 积分频带为100 Hz～4 000 Hz， 中心频率处吸收系数为1.225×10-4dB/m. 舰载声呐声源级SLV分别取230 dB， 220 dB， 210 dB和200 dB时. 水下目标辐射噪声总声级分别取165 dB， 145 dB， 125 dB， 其中谱级衰减率q为2，f1为200 Hz.

舰载声呐作为主动声源发射探测信号， 机载声呐浮标与舰载声呐同时接收水下目标回波信号， 构成双基地协同工作模式. 采用数值解法分别仿真不同水下目标总声级在舰载声呐高中低声源级条件下协同工作搜索范围. 双基地扩展面积为双基地覆盖范围减去其与舰载声呐单基地工作覆盖范围交叠部分后剩下的面积[6]. 搜索优势系数定义为双基地协同搜索扩展面积与被动声呐浮标搜索面积比值. 当搜索优势系数大于1时， 协同工作模式的搜索范围相对于单基地具有优势. 为方便比较， 仿真中的基线距离采用双基地等效半径进行归一化.

当高噪声目标辐射噪声总声级为165 dB， 舰载声呐声源级分别取230 dB， 220 dB， 210 dB和200 dB时， 图 3 给出了舰载声呐与被动声呐浮标协同工作时搜索优势系数随归一化基线距离增大的变化. 搜索优势系数随归一化基线距离的增大先增加后减小， 搜索优势系数小于1， 相对于被动声呐浮标单基地工作模式不具备搜索面积的优势.

图 3 高噪声目标搜索优势系数与归一化基线距离关系

当低噪声目标辐射噪声总声级为145 dB， 舰载声呐声源级分别取230 dB， 220 dB， 210 dB和200 dB时， 图 4 给出了舰载声呐与被动声呐浮标协同工作时搜索优势系数随归一化基线距离增大的变化. 与图 2 相似， 搜索优势系数随归一化基线距离的增大先增加后减小， 但是只有发射声源级达到230 dB时搜索优势系数在归一化基线距离2.2以内大于1， 相对于单基地工作的被动声呐浮标具备搜索面积优势， 而超过归一化基线距离2.2后， 搜索优势系数小于1， 不具备搜索面积优势. 当发射声源级取200 dB～220 dB时， 搜索优势系数均小于1， 双基地搜索面积优势丧失. 对于低噪声水下目标， 当发射声源级足够大时， 舰载声呐和声呐浮标双基地协同工作模式相对于单基地工作模式仍具备搜索面积优势.

图 4 低噪声目标搜索优势系数与归一化基线距离关系

当安静型目标辐射噪声总声级为125 dB， 舰载声呐声源级分别取230 dB， 220 dB， 210 dB和200 dB时， 图 5 给出了舰载声呐与被动声呐浮标协同工作时搜索优势系数随归一化基线距离增大的变化. 与图 2 和图 3 相似， 扩展面积随归一化基线距离的增大先增加后减小. 发射声源级为200 dB～230 dB时搜索优势系数在归一化基线距离3.6以内远大于1， 相对于被动声呐浮标单基地工作模式具备非常明显的搜索面积优势， 扩展面积大大增加， 当声源级为230 dB时， 搜索面积优势可以保持至归一化基线距离5附近. 对于安静型水下目标， 舰载声呐和声呐浮标双基地协同工作模式相对于单基地工作模式具有非常明显的搜索面积优势， 发射声源级越大， 优势越明显.

图 5 安静型目标搜索优势系数与归一化基线距离关系

对比图 2～图 4 可见， 舰载声呐与被动声呐浮标协同双基地搜潜时， 水下目标辐射噪声越低， 被动声呐浮标探测效果越差， 协同双基地的优势越明显. 水下目标相同辐射噪声级条件下， 舰载声呐发射声源级越大， 协同双基地优势越明显. 双基地的工作模式可以扩展到多基地工作模式， 舰载声呐发射大功率发射信号， 反潜飞机布设多枚被动声呐浮标， 舰载声呐和声呐浮标构成多基地工作模式， 相对于单基地工作模式搜索面积优势明显.

3 结束语

本文从声呐方程出发， 建立了舰载声呐与航空声呐浮标协同工作时的探测范围模型， 仿真分析了该工作模式相对于单基地工作模式的优势. 结果表明： 对于低噪声目标， 辐射噪声总声级越低， 发射声源级越大， 协同双基地的搜索范围优势越明显， 对于安静型目标， 协同双基地的搜索范围在较大的基线距离范围内具有显著优势， 对于高噪声目标， 协同双基地搜索范围优势丧失. 舰载声呐和多枚声呐浮标构成多基地工作模式， 是应对低噪声和安静型水下目标威胁的有效手段.