提升聲自導(dǎo)魚雷捕獲概率的使用方法研究

曲 豐, 吳 磊, 楊國華

(解放軍91388部隊92分隊, 廣東 湛江 524022)

魚雷是由攜載作戰(zhàn)的平臺在發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后發(fā)射入水,在受控狀態(tài)下自動航行,用以攻擊水面或水下目標(biāo)的水中兵器,是海軍的主戰(zhàn)武器,被譽(yù)為“水下導(dǎo)彈”。因而受到世界各國的高度關(guān)注[1]。各個國家無不重視和強(qiáng)化對武器裝備作戰(zhàn)使用方法的研究,對魚雷等武器的重視程度更高,經(jīng)濟(jì)投入更大,尤其是對于聲自導(dǎo)魚雷的使用[2]。主動聲自導(dǎo)魚雷捕獲目標(biāo)的準(zhǔn)則是自導(dǎo)裝置周期性的發(fā)射聲信號,當(dāng)接收目標(biāo)反射回來的聲信號能量值超過門限值時,魚雷捕獲目標(biāo)。在現(xiàn)代的海戰(zhàn)中,線導(dǎo)魚雷是潛艇攻擊遠(yuǎn)距離水面艦船的主要武器之一。聲自導(dǎo)魚雷能否有效捕獲目標(biāo)受多種因素的影響,有必要對影響捕獲目標(biāo)概率的因素進(jìn)行研究。本文從魚雷自導(dǎo)自身性能、外部海洋環(huán)境對魚雷自導(dǎo)的影響等方面對影響聲自導(dǎo)魚雷捕獲概率的具體因素進(jìn)行分析。

1 主動聲自導(dǎo)工作原理

發(fā)射機(jī)通過聲學(xué)基陣周期地向海水中發(fā)射某種形式的聲波,如果發(fā)射的聲波信號在水聲信道傳播遇到目標(biāo)時,一部分能量被反射回來,接收機(jī)接收這個能量信號,對它進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換、數(shù)字頻率分集、正交解調(diào)、波束形成、信號檢測、綜合判別等一系列處理后[2],識別并鎖定目標(biāo)。主動聲自導(dǎo)工作原理如圖1所示。

主動聲自導(dǎo)工作時,有以下兩種背景干擾噪聲:

1)當(dāng)背景干擾主要為背景噪聲干擾NL時,主動聲納方程可表示為[3]

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

(1)

2)當(dāng)背景干擾主要為海洋混響干擾時,主動聲納方程可表示為

SL-2TL+TS-RL=DT

(2)

式中，SL為發(fā)射聲源級(dB);TL為傳播損失(dB);TS為目標(biāo)強(qiáng)度(dB);NL為背景噪聲級(dB);DI為接收指向性指數(shù)(dB);DT為檢測閾(dB);RL為海洋混響級(dB)。

對于主動聲自導(dǎo)工作方式下的魚雷來說,DT、SL、DI為給定值,通過對海洋環(huán)境、目標(biāo)特性進(jìn)行測量、分析、研究得出TL、NL、RL、TS后,即可較為準(zhǔn)確地對主動聲自導(dǎo)工作方式下的魚雷自導(dǎo)作用距離進(jìn)行預(yù)報。

2 復(fù)雜水聲環(huán)境對魚雷聲自導(dǎo)的影響

從魚雷主動聲自導(dǎo)工作原理和聲信號在海水中傳播特性可以看出,影響主動聲自導(dǎo)性能的環(huán)境因素主要有:聲傳播特性、海洋環(huán)境噪聲、海洋混響等。聲傳播特性,包括傳播損失、界面反射、聲線彎曲等,主要受海水中聲速垂直分布不均勻、聲吸收、海面、海底、海深等因素。海洋環(huán)境噪聲、海洋混響以及界面反射對魚雷主動聲自導(dǎo)的影響。

2.1 聲傳播特性

水聲信道的聲傳播特性由海深、海面起伏、海底地質(zhì)、聲速梯度等多種因素綜合形成。其中聲速梯度對于魚雷主動聲自導(dǎo)信號的傳播影響最大。聲速在海水分布在垂直方向呈梯度變化,其變化規(guī)律受季節(jié)、緯度等因素的影響。海水聲速分布的不均勻性會導(dǎo)致聲線彎曲,直接影響魚雷自導(dǎo)距離的大小[4]。

實際測量表明,近海面水層的聲速甚至在2h內(nèi)就有大約1‰的變化。溫度和含鹽度在水平方向無明顯變化,在深度方向接近于分層變化,而壓力僅隨深度線性變化,所以海水聲速可近似認(rèn)為是在深度方向上變化的。

魚雷在實際的作戰(zhàn)使用和試驗中,影響自導(dǎo)性能的主要因素是海區(qū)的垂直聲速分布規(guī)律。垂直聲速分布雖然與地理位置、季節(jié)以及一天中不同的時段、溫度密切相關(guān),海區(qū)的垂直聲速分布可以歸納為八大類型。對應(yīng)的垂直聲速分布如圖2所示。

聲速測量從海面到海底(或一定深度)每隔1m～10m測量一個點。

相對聲速梯度計算公式為

(3)

式中,α為相對聲速梯度,單位為1/m;c0是ΔH上水層的聲波傳播速度,單位為m/s;ΔH為c、c0所在水層深度差,單位為m。

對于水聲條件通常用相對聲速梯度來描述聲速條件的優(yōu)劣。通常根據(jù)相對聲速梯度α分為三級:

1)良好水聲條件:等聲速層或弱負(fù)梯度,α約為 0～-1×10-4(1/m);

2)中等水聲條件:中等負(fù)梯度,α約為-1×10-4～-1×10-3(1/m);

3)惡劣水聲條件:強(qiáng)負(fù)梯度,α約為<-1×10-3(1/m)。

2.2 海洋環(huán)境噪聲

背景噪聲是限制魚雷主動聲自導(dǎo)性能的主要因素之一,其中背景噪聲中的魚雷航行自噪聲在魚雷設(shè)計生成后已經(jīng)確定,因此這里我們主要介紹海洋環(huán)境噪聲。在利用主動聲吶方程對魚雷自導(dǎo)作用距離進(jìn)行估計的過程中,要求對參數(shù)NL進(jìn)行估計,因此需要充分掌握作戰(zhàn)海區(qū)海洋環(huán)境噪聲的時空統(tǒng)計特性,以便更好地對主動聲自導(dǎo)性能做出預(yù)報,為作戰(zhàn)使用給出戰(zhàn)術(shù)指導(dǎo)。而海洋環(huán)境的具體噪聲大小可以通過實測數(shù)據(jù)確定。還可借助經(jīng)驗公式測算[5]。例如,對于淺海,有一種計算噪聲譜級的公式為

NL=55-17·lg(f)+6S

(4)

式中,f為噪聲頻率(kHz);S為海況等級(S=1,2,…,9)。

2.3 海洋混響

所謂混響,是指發(fā)射信號所引起的各種散射又被發(fā)射點附近接收的所有散射波的總和。海洋混響分為體積混響、海面混響和海底混響等三種類型。在深海中,離海面、海底較遠(yuǎn),則主要混響是體積混響。在淺海中,混響主要是界面混響。另外,不同水文條件時,各種混響的作用也不同。例如,正聲速梯度分布時,由于聲線往上彎曲,所以發(fā)射聲脈沖后,緊跟的體積混響,隨后就有海面混響到達(dá)。

1)體積混響

體積混響級RLV有以下公式計算為

RLV=SL-2·TL+Sv+10·lgV

(5)

TL=20·lgr-β·r·10-3

(6)

(7)

式中,RLV為體積混響(dB),SV為體積混響強(qiáng)度(dB),V形成混響的總體積(m3),c為聲速(m/s),τ為發(fā)射脈沖寬度,r為距離(m),Ω為發(fā)射器-接收器組合的等效合成波束寬(°),β為衰減系數(shù)。

2)海面混響

海面混響級可用下式表示:

RLS=SL-2·TL+SS+10·lgA

(8)

(9)

式中,RLs為海面混響(dB),Ss為海面散射強(qiáng)度(dB),A為產(chǎn)生海面混響的散射面積(等效混響面積)(m2),ρ為等效合成束寬(°)。

海面散射強(qiáng)度Ss一般強(qiáng)度范圍在-30dB～-50dB左右。也可用下面的經(jīng)驗公式估算:

(10)

(11)

式中,θ為掠射角(°),v為風(fēng)速(kn),f為頻率(Hz)。

魚雷自導(dǎo)發(fā)射頻率是設(shè)計確定的,掠射角取決于魚雷俯仰角控制。海況對魚雷自導(dǎo)信號檢測的影響是存在的,在高海況條件下,海面混響干擾會更嚴(yán)重,某型魚雷在淺海試驗中,曾因強(qiáng)海面混響干擾,引起魚雷自導(dǎo)接收跟蹤非目標(biāo)信號。當(dāng)設(shè)定魚雷搜索深度為最小值時或接近最小值時,海面混響是主要的,相對于與較大搜索深度來說,此海面混響對自導(dǎo)性能的影響是更為嚴(yán)重。在實際作戰(zhàn)使用中,魚雷搜索深度設(shè)定為較小值的情況是可能的,根據(jù)海上試驗實測的水聲情況來看,通常在30m-50m范圍存在一個水聲躍變層,攻擊潛望潛艇時,魚雷設(shè)定深度必須在水聲躍變深度以上,魚雷和目標(biāo)潛艇處于水聲躍變層的同側(cè),才有利于魚雷搜索目標(biāo)。

3)海底混響

海底混響級可用下式表示:

RLB=SL-2·TL+SB+10·lgA

(12)

式中,RLB為海底混響級,SB為海底散射強(qiáng)度,A為混響面積。

海底散射強(qiáng)度SB和掠射角有關(guān),同時與海底類型關(guān)系很大。一般情況下,巖石底類海底的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為掠射角(°),掠射角取決于魚雷俯仰角控制。

3 自導(dǎo)作用距離對魚雷捕獲概率的影響

魚雷聲自導(dǎo)裝置的作用范圍是一個扇面,當(dāng)魚雷的自導(dǎo)扇面覆蓋目標(biāo)時,魚雷捕獲目標(biāo)。有利提前角是魚雷射擊的重要參數(shù)之一,當(dāng)射擊條件一定時,魚雷捕獲概率就是魚雷射擊提前角的函數(shù),捕獲概率最大時對應(yīng)的射擊提前角為有利提前角。

如圖3所示。圖中vy為魚雷航速,vm為目標(biāo)航速,D為魚雷與目標(biāo)艦船的距離,qm為目標(biāo)舷角,λ為魚雷自導(dǎo)扇面角度的一半,φ有為有利提前角。

有利提前角φ有計算過程如下:

K=2sinλ/3λ

(14)

φ=arctan(KmRcsinqm/(D+KmLcosqm))

(15)

φ有=arcsin(qm-φ))-φ

(16)

根據(jù)上述公式,自導(dǎo)作用距離是有利提前角函數(shù)的變量,特別是在射距較小時,自導(dǎo)作用距離變化越大,有利提前角變化也越大。自導(dǎo)作用距離的大小與作戰(zhàn)使用時射擊提前角密切相關(guān),其指標(biāo)值的大小應(yīng)與魚雷實際發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的距離盡可能一致,用此參數(shù)解算有利射擊提前角才具有實戰(zhàn)意義,可達(dá)到最佳或較佳的捕獲概率,反之,如果兩者差異較大,則降低捕獲概率。因此,如何確定自導(dǎo)作用距離指標(biāo),使其與魚雷捕獲目標(biāo)距離盡可能一致,并加強(qiáng)自導(dǎo)作用距離預(yù)報,對提高魚雷有利提前角的準(zhǔn)確性,達(dá)到提高魚雷捕獲概率的目的,具有重要意義。

4 魚雷自導(dǎo)作用距離預(yù)報

4.1 射線聲學(xué)模型

射線聲學(xué)是把聲波的傳播看作是一束無數(shù)條垂直于等相位面的射線的傳播,每一條射線與等相位面垂直,稱為聲線。聲線途徑的距離代表聲波傳播的路程,聲線經(jīng)歷的時間為聲波傳播的時間。聲線束所攜帶的能量即為波傳播的聲能量[6]。在分層介質(zhì)中,射線聲學(xué)遵循 Snell 定理:

(17)

式中,c0和θ0分別為聲源處聲速和初始掠射角,ci為某一深度時的聲速,θi為與之對應(yīng)的掠射角。若θ0與c(z)已知,則可以求解出任意深度處聲線的掠射角。

等聲速梯度情況下,聲線沿一個半徑為R的圓弧傳播,θ0對應(yīng)深度z0,θ1對應(yīng)深度z1,在傳播過程中掠射角由θ0變化為θ1時,聲線的水平傳播距離為

(18)

傳播時間為

(19)

復(fù)雜的聲速垂直分布,按照深度可近似地劃分為具有等聲速梯度分布的多個分層,總的聲線水平傳播距離和傳播時間為多個分層的疊加。若總分層數(shù)為N,每一層的聲線水平傳播距離和傳播時間為xi和ti,i=1,2,…,N,則

(20)

(21)

根據(jù)上述公式即可畫出不同聲速梯度下的聲線圖。

4.2 魚雷自導(dǎo)作用距離預(yù)報軟件編寫

根據(jù)魚雷自導(dǎo)作用原理和射線聲學(xué)模型,建立魚雷主動聲自導(dǎo)作用距離預(yù)報數(shù)學(xué)模型,并采用Matlab軟件編制魚雷自導(dǎo)作用距離預(yù)報軟件。其原理為,在已知水文條件下的魚雷自導(dǎo)作用距離指標(biāo)值時, 通過輸入聲速梯度、海底反射系數(shù)、海面反射系數(shù)等,估計魚雷實際的自導(dǎo)作用距離[7]。具體估算流程如圖4所示。

魚雷自導(dǎo)作用距離預(yù)報軟件界面如圖5所示。

4.3 魚雷聲自導(dǎo)作用距離仿真分析

利用魚雷聲自導(dǎo)作用距離預(yù)報軟件,進(jìn)行主動聲自導(dǎo)作用距離預(yù)報,分別假定潛艇在兩種不同的海洋環(huán)境(海況、水文等)條件下,裝訂不同的聲線梯度,采用主動聲自導(dǎo)魚雷攻擊敵水面目標(biāo),進(jìn)行魚雷的實際自導(dǎo)作用距離仿真估算,設(shè)定初始參數(shù)如表1所示[8]。

表1 仿真初始參數(shù)表

具體仿真計算過程如下:

1)假設(shè)在惡劣水文條件下,聲速c(z)只隨深度變化;具體變化規(guī)律見式(22),坐標(biāo)單位為m,聲速單位為m/s,

(22)

惡劣水紋條件下,聲速梯度剖面示意圖一,如圖6所示。

魚雷自導(dǎo)作用距離估算軟件裝訂聲速梯度一時,仿真實驗示意圖如圖7所示。

2)假設(shè)在良好水文條件下,聲速c(z)只隨深度變化;具體變化規(guī)律見式(23),坐標(biāo)單位為m,聲速單位為m/s,即有

(23)

良好水文件下,聲速梯度剖面示意圖二,如圖8所示。

魚雷自導(dǎo)作用距離估算軟件裝訂聲速梯度二時,仿真實驗示意圖如圖9所示。

3)在兩種不同的水文條件下,選取5個魚雷標(biāo)定的自導(dǎo)作用距離[9-10],通過仿真軟件,進(jìn)行仿真計算,具體計算結(jié)果如表2所示。

表2 自導(dǎo)作用距離實驗仿真結(jié)果

通過以上仿真結(jié)果可知,在惡劣的水文條件下,魚雷實際自導(dǎo)作用距離與理論標(biāo)定的自導(dǎo)作用距離差距很大,在良好水文條件下,魚雷實際自導(dǎo)作用距離更接近理論標(biāo)定的自導(dǎo)作用距離。因為在魚雷射擊參數(shù)和導(dǎo)引參數(shù)的計算公式中都涉及魚雷自導(dǎo)作用距離變量，所以導(dǎo)引聲自導(dǎo)魚雷攻擊目標(biāo)時,要充分考慮海洋環(huán)境對魚雷自導(dǎo)作用距離的影響。

5 結(jié)束語

本文對魚雷探測目標(biāo)性能分析,主要對魚雷主動聲自導(dǎo)的工作機(jī)理、性能指標(biāo)及影響性能的因素進(jìn)行闡述。對聲傳播、混響等對魚雷自導(dǎo)性能的影響進(jìn)行分析,研究了自導(dǎo)作用距離對魚雷捕獲概率的影響,并且根據(jù)魚雷自導(dǎo)作用原理和射線聲學(xué)模型,建立魚雷主動聲自導(dǎo)作用距離預(yù)報數(shù)學(xué)模型,并采用Matlab軟件編制魚雷自導(dǎo)作用距離預(yù)報軟件,仿真驗證了不同的海洋環(huán)境對魚雷實際的自導(dǎo)作用距離的影響很大,進(jìn)而影響了聲自導(dǎo)魚雷捕獲目標(biāo)的概率。同時,為后續(xù)進(jìn)一步優(yōu)化提升聲自導(dǎo)魚雷捕獲概率的使用方法奠定了理論基礎(chǔ)。

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