潛艇使用自航式聲誘餌防御吊放聲納方法研究

周雪松

摘要：與敵反潛航空兵的斗爭中，潛艇主要是要求保持隱蔽，爭取先敵發(fā)現(xiàn)，利用變向、變速和變深靈活機(jī)動，并盡可能結(jié)合使用水聲對抗器材實(shí)施規(guī)避。該文提出了潛艇使用自航式聲誘餌規(guī)避敵反潛直升機(jī)使用吊放聲納搜索的方法。通過仿真計(jì)算表明：潛艇合理使用自航式聲誘餌防御吊放聲納能有效提高潛艇生存概率。

關(guān)鍵詞：潛艇；自航式聲誘餌；反潛直升機(jī)；吊放聲納

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）25-0260-03

Research on the Method of Using Mobile Acoustic Decoy to Defense Dipping Sonar

ZHOU Xue-song

（Jiangsu Automation Research Institute， Lianyungang 222061，China）

Abstract： In the struggle against the enemys anti-submarine troops， submarines are mainly required to keep concealment， try to find the enemy first， flexible maneuver with variable direction， variable speed and depth and try to avoid using underwater acoustic countermeasure equipment as far as possible. This paper presents a method of using mobile acoustic decoy to avoid dipping sonar of anti-submarine helicopter. The simulation results show that the reasonable use of the mobile acoustic decoy to defend the dipping sonar can effectively improve the survival probability of the submarine.

Key words： Submarine； Mobile acoustic decoy； anti-submarine helicopter； dipping sonar

當(dāng)我潛艇發(fā)現(xiàn)或偵測到敵吊放聲納探測時(shí)，潛艇通常需轉(zhuǎn)向?qū)⒌醴怕暭{置于我艇尾可聽測舷角脫離。潛艇規(guī)避吊放聲納搜索的基本方法：在未被敵機(jī)吊放聲納發(fā)現(xiàn)之前，力求避開其探測范圍，已被敵機(jī)吊放聲納發(fā)現(xiàn)后，應(yīng)盡快駛出其探測范圍，并力爭乘敵機(jī)中斷探測之機(jī)擺脫。潛艇規(guī)避吊放聲納最有效的措施是發(fā)射自航式聲誘餌，使吊放聲納探測到機(jī)動假目標(biāo)—誘餌，從而分散敵反潛探測系統(tǒng)的注意，混淆戰(zhàn)場態(tài)勢，不利于敵艦對我艇實(shí)施魚雷攻擊解算，掩護(hù)我潛艇脫離敵吊放聲納探測區(qū)域。

1 吊放聲納發(fā)現(xiàn)目標(biāo)概率模型

反潛直升機(jī)使用吊放聲納搜潛時(shí)，常用的傳統(tǒng)陣形有扇形、方形、鋸齒形、矩形等，這些算法均存在搜索范圍大，轉(zhuǎn)向次數(shù)多，搜索時(shí)間長，平均搜索概率低等缺點(diǎn)。為克服上述缺點(diǎn)，螺旋線、擴(kuò)展的螺旋線等搜索算法相繼被提出。其中螺旋線搜索算法以轉(zhuǎn)向次數(shù)少、搜索效率高等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用[1]。

艦載直升機(jī)使用吊放聲納的搜潛概率受到諸多因素的影響，即使?jié)撏幱谄涮綔y距離內(nèi)，也可能探測不到目標(biāo)。潛艇或誘餌偵測到吊放聲納信號后，應(yīng)積極主動地進(jìn)行規(guī)避，力爭保持潛艇的隱蔽性，避免因規(guī)避或使用水聲對抗器材不當(dāng)造成或加劇潛艇的暴露。噪聲背景下吊放聲納的主動聲納方程為[2]：

[SLD-2TL+TS-（NL-DI）=DT]

仿真實(shí)驗(yàn)中，對吊放聲納主動檢測目標(biāo)過程的模擬是以聲納方程為基礎(chǔ)進(jìn)行的，為保證能按有限的已知指標(biāo)模擬吊放聲納主動檢測能力，必須對聲納方程檢測模型進(jìn)行如下簡化：

在聲納方程中，需要實(shí)時(shí)求解的量主要是目標(biāo)強(qiáng)度TS和傳播損失TL。一旦吊放聲納設(shè)計(jì)定型，其SLD、DI、DT三項(xiàng)可認(rèn)為是相對固定不變的。由聲納方程變換可得：[SL-NL+DI-DT≥2TL-TS]。該式右端可理解為吊放聲納檢測目標(biāo)時(shí)的最大允許能量損失，將其作為模擬用檢測門限，令

[powMax=2TL（r）-TS0]

在仿真實(shí)驗(yàn)中，實(shí)時(shí)計(jì)算吊放聲納到目標(biāo)的距離D和相對舷角Q，求得TS和TL值，令

[powAct=2TL（D）-TS（Q）]

只要該損耗小于標(biāo)準(zhǔn)情況下的最大允許能量損失，即[powAct≤powMax]，則認(rèn)為主動檢測到目標(biāo)，否則檢測不到目標(biāo)。

2 吊放聲納跟蹤目標(biāo)模型

下一個(gè)探測點(diǎn)的位置主要取決于：直升機(jī)機(jī)組人員判斷出的敵潛艇在其停止探潛期間的規(guī)避航速。若判斷敵潛艇航速低于12節(jié)，下一個(gè)探測點(diǎn)就選擇在：吊放聲納在前一個(gè)探測點(diǎn)停止探測時(shí)的潛艇位置，如圖所示。其中，[P1]表示吊放聲納最初發(fā)現(xiàn)敵潛艇時(shí)的位置。[P2]表示吊放聲納在[P1]點(diǎn)停止探測時(shí)敵潛艇的位置。

若判斷敵潛艇規(guī)避航速不低于12節(jié)，下一個(gè)探測點(diǎn)選擇方法為：直升機(jī)在下一個(gè)探測點(diǎn)開始探測時(shí)，換能器處于敵潛艇舷角45°，距潛艇航線5鏈左右。如此選擇的原因是：敵潛艇如果不轉(zhuǎn)向，換能器不久就能處于其正橫，此時(shí)，吊放聲納主動探測距離最遠(yuǎn)，不使敵潛艇處于吊放聲納的探測盲區(qū)。

如圖所示，[P1]表示吊放聲納最初發(fā)現(xiàn)敵潛艇時(shí)的位置。[P2]表示吊放聲納在[P1]點(diǎn)停止探測時(shí)敵潛艇的位置或當(dāng)潛艇航速小于12節(jié)時(shí)，吊放聲納的下一個(gè)探測點(diǎn)。[P3i]（i=1，2，吊放聲納下一個(gè)探測點(diǎn)可能在潛艇航線的兩舷）表示潛艇航速大于12節(jié)時(shí)，吊放聲納的下一個(gè)探測點(diǎn)。[D0]表示[P1]、[P2]兩點(diǎn)之間的距離，為0.75倍[D吊]（吊放聲納的探測距離），[Di]表示[P1]和[P3i]兩點(diǎn)之間的距離。[H潛艇]表示吊放式聲納測得的敵潛艇航向。

3 吊放聲納目標(biāo)識別模型

吊放聲納系統(tǒng)跟蹤探測到目標(biāo)后將進(jìn)行目標(biāo)識別，以確定可疑目標(biāo)是否為潛艇。由于誘餌能夠比較逼真的模擬潛艇噪聲，它不僅能模擬潛艇航行噪聲的頻譜特性、主動信號回波的脈沖寬度、多普勒頻移等聲學(xué)特性，并且具有模擬潛艇航行的功能，因此極大增加了吊放聲納的識別難度[3]。

吊放聲納系統(tǒng)識別誘餌的原理和過程比較復(fù)雜，其識別能力與目標(biāo)距離、海洋環(huán)境、吊放聲納系統(tǒng)的性能、吊放聲納對目標(biāo)的跟蹤情況以及吊放聲納操作人員的熟練程度有較大關(guān)系。本次仿真采用基于目標(biāo)尺度識別的目標(biāo)識別模型[4]。

理論上，目標(biāo)尺度識別是根據(jù)回波的亮點(diǎn)數(shù)來確定目標(biāo)的尺度，當(dāng)頻帶角較小時(shí)，在較近的距離上，潛艇應(yīng)至少在相鄰兩個(gè)波束內(nèi)有回波，否則就認(rèn)為目標(biāo)是假目標(biāo)。實(shí)際應(yīng)用中，主動聲納一般在半個(gè)波束角的距離范圍內(nèi)就能夠判定目標(biāo)是否為假目標(biāo)，如圖3所示。

其中，吊放聲納主動方式的聲納波束角為[Δ?=10?]，S為目標(biāo)正橫時(shí)敵我之間的距離，可由下式推導(dǎo)：

[S=L2tan（Δ?/2）=2*53.35tan（5?）=609.8]

通過計(jì)算，吊放聲納能判定誘餌為假目標(biāo)的最大距離為3.3鏈。從最不利因素考慮，取吊放聲納的識別距離等于4S，即取吊放聲納的識別距離為13.2鏈。吊放聲納在發(fā)現(xiàn)潛艇時(shí)，通常會保持對潛艇跟蹤而不再更換探測點(diǎn)，同時(shí)增強(qiáng)探測信號的強(qiáng)度，減小脈沖間隔時(shí)間，改變信號頻率。潛艇可利用這些信息判斷是否被發(fā)現(xiàn)[5]。

4 仿真計(jì)算及結(jié)果分析

4.1 仿真參數(shù)設(shè)置

仿真參數(shù)設(shè)置如下。

1） 反潛直升機(jī)飛行航速160km/h；直升機(jī)螺旋擴(kuò)展系數(shù)0.5。

2） 吊放聲納對潛艇、誘餌進(jìn)行搜索時(shí)，其探測點(diǎn)位置誤差服從正態(tài)分布。

3） 潛艇航向90°，潛深150m，航速8節(jié)，勻速直航。

4） 為簡化計(jì)算，不考慮作戰(zhàn)海域的暗礁等障礙物，即不對潛艇和誘餌的航路進(jìn)行避障設(shè)計(jì)。

4.2 仿真結(jié)果分析

誘餌參與作戰(zhàn)并得到有效使用時(shí)的作戰(zhàn)效果明顯優(yōu)于誘餌不參與作戰(zhàn)時(shí)的作戰(zhàn)效果。敵應(yīng)召時(shí)間不大于40min時(shí)，誘餌參與作戰(zhàn)后的作戰(zhàn)效果提高有限，潛艇生存概率只得到較少提升，約7%左右，敵應(yīng)召時(shí)間大于40min時(shí)，誘餌參與作戰(zhàn)能夠有效提高潛艇生存概率，平均提升約20%左右。

誘餌的誘騙航速對誘餌的作戰(zhàn)效果有重要影響。最優(yōu)誘騙航速的選擇需要滿足如下條件：誘餌的航速能夠保證與敵反潛機(jī)發(fā)生一定的聲接觸，但卻不能被反潛機(jī)快速識別和定位，即能夠持續(xù)一段時(shí)間誘騙。誘騙航速為5節(jié)時(shí)，作戰(zhàn)效果最好，這是因?yàn)楸痉抡鏃l件下，誘餌5節(jié)的誘騙航速能使直升機(jī)一直與誘餌保持聲學(xué)接觸而未識別誘餌，能盡可能地誘騙反潛直升機(jī)。當(dāng)誘騙航速變大時(shí)，潛艇的突破概率變低，當(dāng)誘騙航速較大時(shí)，直升機(jī)在跟蹤的過程中可能會丟失誘餌目標(biāo)過久而飛往潛艇可疑區(qū)域進(jìn)行搜索，反而使?jié)撏У耐黄聘怕式档汀?/p>

當(dāng)潛艇報(bào)警舷角為大舷角時(shí)，潛艇生存概率較高，當(dāng)潛艇報(bào)警舷角為小舷角時(shí)，潛艇生存概率幾乎為零，其中大、中舷角時(shí)，通過背雷轉(zhuǎn)規(guī)避時(shí)潛艇生存概率最高。

5 結(jié)束語

本文建立了反潛直升機(jī)使用吊放聲納搜索、發(fā)現(xiàn)、跟蹤、識別目標(biāo)的數(shù)學(xué)模型并分析了潛艇使用自航式聲誘餌誘騙吊放聲納的使用方法，通過仿真計(jì)算，潛艇合理自航式聲誘餌使用能有效提高潛艇的生存概率。

參考文獻(xiàn)：

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[3] 韓瑞新，張宏軍，祝笑舟，等.直升機(jī)反潛模擬中的吊放聲納系統(tǒng)仿真[J].計(jì)算機(jī)仿真，2005，22（12）：28-31.

[4] 陳建勇，鞠建波，冷江.吊放聲納被動探測的一次發(fā)現(xiàn)概率[J].海軍航空工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，19（4）.

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【通聯(lián)編輯：光文玲】