噪聲干擾器作用下反潛魚雷主動自導(dǎo)性能數(shù)值分析

張方方, 李文哲, 董曉明, 宋佳平

噪聲干擾器作用下反潛魚雷主動自導(dǎo)性能數(shù)值分析

張方方, 李文哲, 董曉明, 宋佳平

(海軍大連艦艇學(xué)院 水武與防化系, 遼寧 大連, 116018)

為研究潛用高頻噪聲干擾器對反潛魚雷主動自導(dǎo)性能的影響, 在考慮潛艇聲特性基礎(chǔ)上建立了反潛魚雷主動自導(dǎo)計算模型和高頻干擾器干擾模型, 采用分離變量法分別對不同相對方位和初始距離下的干擾器作用效果以及潛艇高速轉(zhuǎn)向規(guī)避下的反潛魚雷自導(dǎo)性能進行數(shù)值分析。結(jié)果表明, 高頻干擾器的干擾效果隨其相對方位絕對值和初始距離的減小而增強, 進而使反潛魚雷的自導(dǎo)距離減小;潛艇釋放干擾器后采用高速背雷機動規(guī)避將使魚雷的自導(dǎo)作用距離進一步減小, 但不改變干擾器的干擾扇面。文中建立的數(shù)學(xué)模型及數(shù)值分析結(jié)果可為反潛魚雷作戰(zhàn)效能分析提供基礎(chǔ)模型及數(shù)據(jù)支撐。

反潛魚雷; 噪聲干擾器; 干擾扇面; 自導(dǎo)性能

0 引言

反潛魚雷具有航速高、能深潛等特點, 其一旦捕獲核實并跟蹤潛艇目標(biāo), 潛艇將難以依靠純機動規(guī)避得以生存。此時潛艇常采用的方案是, 首先發(fā)射高頻噪聲干擾器中斷反潛魚雷的跟蹤, 而后發(fā)射自航式聲誘餌將魚雷誘騙至遠(yuǎn)離潛艇方向, 同時高速轉(zhuǎn)向規(guī)避機動[1]。

易紅等[2]建立了噪聲干擾器的干擾機理模型, 探討了反潛魚雷對抗噪聲干擾器的方法; 胡言峰等[3]在建立魚雷主動聲自導(dǎo)模型的基礎(chǔ)上探討了干擾器干擾距離隨海況、魚雷航深和潛艇舷角的變化規(guī)律; 高學(xué)強等[4]以空投魚雷反潛過程為研究對象, 在完成魚雷自導(dǎo)和噪聲干擾器建模的基礎(chǔ)上, 建立了潛艇對抗噪聲干擾器的時間過程模型, 得到了潛艇連續(xù)釋放噪聲干擾器實施對抗的時間節(jié)點。上述研究中的數(shù)學(xué)模型僅考慮了干擾器對魚雷自導(dǎo)距離的影響, 忽略了干擾扇面的求解。周明等[5]對高頻干擾器干擾主動聲自導(dǎo)魚雷進行了仿真計算, 得到了干擾器的干擾區(qū)域, 為潛艇規(guī)避魚雷提供了理論依據(jù); 徐海珠等[6]建立了高頻干擾器對抗主被動聯(lián)合聲自導(dǎo)魚雷的干擾模型, 并計算了干擾器作用下的干擾扇面和魚雷自導(dǎo)距離縮減率。上述文獻均致力于建立完整的魚雷自導(dǎo)模型和高頻噪聲干擾器模型, 卻忽略了潛艇目標(biāo)聲特性模型的建立, 致使無法求解噪聲干擾器釋放后潛艇規(guī)避機動對魚雷自導(dǎo)的影響。

為此, 文中在考慮潛艇聲特性基礎(chǔ)上建立了較為完善的潛艇、反潛魚雷及噪聲干擾器對抗模型, 并采用分離變量法分別對不同方位和初始距離下的干擾器作用效果以及潛艇高速轉(zhuǎn)向規(guī)避下的反潛魚雷自導(dǎo)性能進行數(shù)值分析。由于干擾器的干擾作用主要集中于對魚雷主動自導(dǎo)聲波主瓣的壓制作用[7-8], 因此文中考慮干擾器的干擾扇面主要針對魚雷自導(dǎo)聲波主瓣。

1 魚雷主動自導(dǎo)計算模型

魚雷主動自導(dǎo)系統(tǒng)基本工作模型如圖1所示。

由圖可知, 主動自導(dǎo)系統(tǒng)工作時, 發(fā)射機通過基陣周期性地向海水中發(fā)射某種形式的聲波, 聲波在信道中傳播時若遇到目標(biāo), 則部分能量被反射回來, 形成目標(biāo)反射信號; 接收機通過基陣接收目標(biāo)反射信號和疊加在該信號上的干擾信號, 干擾信號包括魚雷自噪聲、環(huán)境噪聲、目標(biāo)輻射噪聲、混響以及噪聲干擾器等人工干擾, 而魚雷自噪聲和人工干擾通常對魚雷自導(dǎo)性能的影響較大; 自導(dǎo)系統(tǒng)通過對接收信息的數(shù)字信號處理來進行目標(biāo)識別和參量估計。圖中各參數(shù)的物理意義將在數(shù)學(xué)模型建立過程中逐一討論。

1.1 魚雷主動自導(dǎo)方程

噪聲掩蔽下的魚雷主動自導(dǎo)方程為

反潛魚雷自導(dǎo)系統(tǒng)平面聲基陣的指向性指數(shù)可表示為

1.2 潛艇聲特性計算模型

至此, 魚雷主動自導(dǎo)計算模型建立完畢。

2 高頻噪聲干擾器模型

噪聲干擾器的工作機理如圖2所示。

圖2 噪聲干擾器工作原理

潛用噪聲干擾器的工作機理就是利用其大功率噪聲對聲自導(dǎo)魚雷實施壓制, 使魚雷自導(dǎo)系統(tǒng)接收的信噪比減弱, 自導(dǎo)作用距離減小, 魚雷本已捕獲的潛艇目標(biāo)可能再次丟失。這樣, 噪聲干擾器就達到了掩護潛艇目標(biāo)躲避反潛魚雷跟蹤的目的。

至此, 高頻噪聲干擾器數(shù)學(xué)模型建立完畢, 據(jù)此可數(shù)值計算噪聲干擾器作用下反潛魚雷的自導(dǎo)性能。

3 案例仿真與分析

3.1 潛艇聲特性計算

由建立的潛艇聲特性數(shù)學(xué)模型編寫計算程序, 對國外某核潛艇不同航速下輻射噪聲進行仿真計算, 并進行歸一化處理后結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同航速下潛艇相對輻射噪聲

由圖3可知, 該級核潛艇在其戰(zhàn)術(shù)航速20 kn以下航行時, 隨著航速的增加其輻射噪聲增速較為緩慢: 潛艇航速由5 kn增至20 kn, 相對輻射噪聲由0.50增至0.62; 當(dāng)潛艇航速增至20 kn以上時, 其輻射噪聲急劇增大, 并在其水下最高航速34 kn時[10]輻射噪聲最大。可見, 戰(zhàn)術(shù)航速是潛艇的重要性能指標(biāo)之一, 各國海軍努力提高潛艇戰(zhàn)術(shù)航速的目的就是實現(xiàn)潛艇靜音性和機動性的有效結(jié)合。

圖4給出了不同方位下國外某核潛艇相對輻射噪聲。由圖可知, 潛艇艇艏和艇艉的相對輻射噪聲只有0.3, 這是由于艏艉部艇殼和尾流的屏蔽作用造成強度減弱; 而在艇體正橫附近較大范圍內(nèi)輻射噪聲呈等強度分布。

圖4 不同方位潛艇相對輻射噪聲

圖5給出了不同方位下國外某核潛艇的相對目標(biāo)強度。由圖可知, 相比較常見的“蝴蝶”圖形, 該級核潛艇在正橫附近60°范圍內(nèi)相對目標(biāo)強度由0.51增至1, 變化較為劇烈, 這是由該級核潛艇的艇體尺寸決定的。該級核潛艇的長高比為11.05、長寬比為12.35, 比常規(guī)潛艇蒼龍級分別增大19.7%和25%。

圖5 不同方位潛艇相對目標(biāo)強度

3.2 噪聲干擾器性能計算

圖6 方向特性函數(shù)圖

圖7 不同方位和距離下干擾器相對作用距離

3.3 魚雷自導(dǎo)性能計算

圖8 干擾器作用下魚雷相對自導(dǎo)距離

圖9 潛艇轉(zhuǎn)向時魚雷相對自導(dǎo)距離

圖10 潛艇加速時魚雷相對自導(dǎo)距離

4 結(jié)論

2) 潛艇釋放干擾器后采用高速背雷機動規(guī)避將使魚雷的自導(dǎo)作用距離減小, 但不改變干擾器的干擾扇面。

[1] Liang K H, Wang K M. Using Simulation and Evolutionary Algorithms to Evaluate the Design of Mix Strategics of Decoy and Jammers in Anti-torpedo Tactics[C]//Pro- ceedings of the 2006 Winter Simulation Conference. CA: IEEE, 2006.

[2] 易紅, 郝保安, 肖霖．聲自導(dǎo)魚雷對抗寬帶噪聲干擾器技術(shù)研究[J]．魚雷技術(shù), 2004, 12(1): 23-25．Yi Hong, Hao Bao-an, Xiao Lin. The Development of Acoustic Homing Torpedo Technology to Counter the Broadband Noise Interference Unit[J]. Torpedo Technology, 2004, 12(1): 23-25.

[3] 胡言峰, 鄭援, 單廣超. 潛艇噪聲干擾器對抗主動聲自導(dǎo)魚雷效能仿真分析[J]．魚雷技術(shù), 2007, 15(5): 55-57．Hu Yan-feng, Zheng Yuan, Shan Guang-chao. Simulation Analysis of Countermeasure Effect of Noise Jammer in Submarine on Active Acoustic Homing Torpedo[J]. Torpedo Technology, 2007, 15(5): 55-57.

[4] 高學(xué)強, 楊日杰, 楊春英．噪聲干擾器對抗魚雷的作戰(zhàn)效能建模與仿真[J]．聲學(xué)與電子工程, 2009(3): 11-13．

[5] 周明, 初磊．高頻噪聲干擾器干擾主動聲自導(dǎo)魚雷仿真研究[J]．兵工學(xué)報, 2010, 31(3): 327-330．Zhou Ming, Chu Lei. Simulation on Active Acoustic Homing Torpedo Jammed by the High-frequent Noise Jammer[J]. Acta Armamentarii, 2010, 31(3): 327-330.

[6] 徐海珠, 袁延藝, 余赟, 等．高頻噪聲干擾器對抗聲自導(dǎo)魚雷效果分析[J]．應(yīng)用聲學(xué), 2018, 37(3): 433-437．Xu Hai-zhu, Yuan Yan-yi, Yu Yun, et al. Effect Analysis of High Frequency Noise Jammer of Countering Acoustic Homing Torpedo[J]. Journal of Applied Acoustics, 2018, 37(3): 433-437.

[7] 夏志軍, 章新華, 張玉冊, 等．噪聲干擾器對抗魚雷主動聲吶效果研究[J]．艦船科學(xué)技術(shù), 2008, 30(4): 161-164．Xia Zhi-jun, Zhang Xin-hua, Zhang Yu-ce, et al. Research on Effectiveness of Noise Jammer Against Active Sonar of Torpedo[J]. Ship Science and Technology, 2008, 30(4): 161-164.

[8] 夏志軍, 肖繼剛, 王肖, 等．噪聲干擾器對抗主動聲納有效干擾壓制區(qū)計算方法[J]．系統(tǒng)工程與電子技術(shù), 2012, 34(9): 1813-1816．Xia Zhi-jun, Xiao Ji-gang, Wang Xiao, et al. Calculation of Effective Jamming Suppression Zone of Noise-jammer Against Active Sonar[J]. System Engineering and Electronics, 2012, 34(9): 1813-1816.

[9] 孟慶玉, 張靜遠(yuǎn), 宋保維．魚雷作戰(zhàn)效能分析[M]．北京: 國防工業(yè)出版社, 2003.

[10] 諾曼·弗里德曼, 克里斯·查恩特．現(xiàn)代潛艇和反潛作戰(zhàn)[M]．北京: 中國市場出版社, 2015.

Numerical Analysis on Active Acoustic Homing Performance of Anti-Submarine Torpedo under the Action of Noise Jammer

ZHANG Fang-fang, LI Wen-zhe, DONG Xiao-ming, SONG Jia-ping

(Department of Underwater Weaponry & Chemical Defense, Dalian Naval Academy, Dalian 116018, China)

To reveal the effect of high-frequency noise jammer on active acoustic homing performance of anti-submarine torpedo, models of active acoustic homing and high-frequency noise jammer are established considering acoustic performance of submarine. The effect of the jammer at different relative azimuths and initial distances, as well as the homing performance of anti-submarine torpedo under high-speed steering evasion, is numerically analyzed by using the separate variable method. Results show that: 1) the interference effect of the high-frequency jammer is enhanced with the decrease of the absolute value of its relative azimuth and the initial distance, and the homing distance of the anti-submarine torpedo is hence reduced; 2) submarine adopting high-speed reverse-direction maneuvering evasion after release jammer will further reduce the homing distance of the torpedo, but will not change the interference sector of the jammer. This research may provide a basic model and data support for operational effectiveness analysis of anti-submarine torpedo.

anti-submarine torpedo; noise jammer; interference sector; homing performance

TJ67; TN972

A

2096-3920(2020)01-0033-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2020.01.005

張方方, 李文哲, 董曉明, 等. 噪聲干擾器作用下反潛魚雷主動自導(dǎo)性能數(shù)值分析[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報, 2020, 28(1): 33-38.

2019-05-21;

2019-06-30.

張方方(1987-), 男, 博士, 講師, 主要研究方向為反潛武器及戰(zhàn)斗使用.

(責(zé)任編輯: 許 妍)