基于艦艇水下先期防御的來襲魚雷報警系統

李 偉, 汪洪升 , 田德海

?

基于艦艇水下先期防御的來襲魚雷報警系統

李 偉1, 汪洪升2, 田德海3

(1. 海軍潛艇學院 導彈兵器系, 山東 青島, 266071; 2. 海軍92196部隊, 山東 青島, 266012; 3. 青島4808機械廠, 山東 青島, 266042)

基于艦艇水下先期防御作戰的威脅信息獲取需要, 從探測距離、工作頻段、作用空間、信號識別、自動化程度和時間連續性等方面分析了魚雷報警系統的戰技指標要求, 從先驗信息、初始噪聲、航行噪聲、主動聲自導信號和目標信號分類等方面闡述了魚雷報警的信息來源及信號特征提取, 以多基元集束式被動拖曳線列陣聲納為對象探討了魚雷報警系統的基本原理、設計要點與關鍵技術, 為優化對抗條件下的魚雷設計提供依據。

來襲魚雷; 水下防御; 報警系統; 拖曳聲納; 信號特征; 目標分類

0 引言

為了達成有效的水下防御, 艦艇應該有足夠的時間來實施對抗和機動規避, 因而需要對遠距離來襲魚雷進行早期報警。在來襲魚雷發射出管后, 艦艇作戰系統應能及時發出魚雷預警信號。先期發現來襲魚雷是水聲對抗系統能否有效防御魚雷的前提, 而要獲取魚雷信息必須依賴專用的魚雷報警系統。艦艇水聲探測設備接收到魚雷主動探測信號或魚雷輻射噪聲信號后, 通過自動識別或人工判別, 對來襲魚雷進行聲光報警。

20世紀80年代以來, 出于對水下攻擊威脅的擔憂, 魚雷報警得到了相當的重視, 隨著艦艇綜合聲納系統的發展, 魚雷報警功能已發展成為作戰系統一個專門的處理通道。相對潛艇而言, 水面艦艇更易受到魚雷的攻擊, 但由于水面艦艇可以使用火箭助飛方式將對抗器材發射到遠離本艦的海域, 從而實施多層次的對抗, 因此水面艦艇對魚雷報警功能的要求與潛艇有明顯的差別。如果將魚雷報警功能納入其他聲納系統(如艦殼聲納、拖曳陣聲納)中, 而不提供一系列的魚雷報警和定位信息處理功能單元, 顯然不能滿足防御作戰的需要。因此, 研制專用的艦艇魚雷報警系統成為各國海軍水下防御的主要發展方向[1], 代表型號如法國已列裝的ALBATROS魚雷報警系統, 俄羅斯的VIGNETTE-EM魚雷報警系統等。

1 魚雷報警系統戰技指標要求

迄今為止, 大多數作戰艦艇上裝備有艦殼聲納和拖曳線列陣聲納, 其主要任務是進行水下警戒, 完成水下目標的探測。雖然它們都具有魚雷警戒功能, 但只是把魚雷作為一種水下目標進行分類和識別而已, 從設計到功能使用上并沒有全面關注魚雷所特有的特征信息頻段及其提取和處理方法, 也不真正具備魚雷報警和定位能力。因此, 要求它們在完成反潛任務的同時兼顧魚雷報警任務是非常困難的。

魚雷相對于潛艇和水面艦船的目標特性有很大不同, 魚雷體積小(幾米長), 攻擊具有突發性, 攻擊方式多樣, 實際攻擊的次數很少, 而且攻擊距離遠(可在15 km以外的距離發射并線導逼近), 攻擊過程中航速很高(一般35 kn, 最高可高達50 kn, 軸速率比潛艇和水面艦船高近10倍), 接近目標的時間較短?；谝陨咸匦? 對艦艇來襲魚雷報警系統提出了以下更高的要求[2]。

1) 必須具有足夠遠的作用距離, 并能實現快速報警, 以節省時間留給水聲干擾和誘騙等后續系統;

2) 應具有很寬的工作頻段, 既可接收低頻率的魚雷出管噪聲, 頻率5 kHz以下的魚雷輻射噪聲(占總能量的90%), 又可接收魚雷自導系統發射的聲脈沖信號(20~40 kHz);

3) 應具有優異的Demon分析(調制譜分析檢測)及Lofer圖(窄帶分析)功能, 能對魚雷信號的距離變化率、方位變化率、信號幅度變化率以及魚雷的軸頻率、葉片數等進行快速估計, 向控制臺提供有效的識別信息, 降低虛警率;

4) 應具有360°水下空間監視能力, 并可與其他聲納配合使用, 實現方位上的全景覆蓋;

5) 從操縱員自身角度看, 對水下任意方位均能時刻保持高度警覺和迅速反應是幾乎不可能的, 因此要求報警系統具有相當高的自動化程度, 以保證在操縱人員缺席時的自動報警, 達到警戒時域的持續性;

6) 由于當魚雷來襲時艦艇沒有足夠的時間作出機動來消除盲區, 而且艦艇防御機動時一般也需要知道魚雷攻擊方位, 因此, 要求報警系統避免在測定方位時出現左/右舷模糊或盲區(當使用傳統拖曳線列陣聲納時會存在此類情況);

7) 必須適用于不同類型的艦艇, 能夠全天候工作, 包括惡劣氣候和海況, 以保證艦艇可以在各種作戰環境下免遭來襲魚雷的毀傷。

2 報警信息來源及信號特征

2.1 先驗信息

以下情況可以認為是魚雷來襲的先驗信息: 發現敵方潛艇對我方跟蹤, 或估計敵方潛艇可能在某海區對我方進行伏擊; 敵方水面艦艇或直升機聲納對我方潛艇進行主動探測, 其距離接近該聲納的作用距離; 或者我方艦(艇)已向敵方潛艇發射魚雷, 應估計到敵方潛艇向我方發射魚雷進行反擊。

2.2 魚雷發射初始噪聲

潛艇發射魚雷的動力大都是高壓空氣, 也有采用高壓水動力或機械動力的, 依靠魚雷自航出管是目前較少采用的一種發射方式。

潛艇發射魚雷的準備中, 發射管前蓋的打開和高壓水泵的啟動等動作可產生瞬時噪聲, 并向海水中傳播; 魚雷出管時會產生較強的瞬態噪聲, 這種噪聲降噪困難、能量集中、特征明顯, 而且不易模仿; 魚雷入水沖擊波、噴濺和空泡也會產生較強的瞬態噪聲, 可能以壓力脈沖為主, 同時伴有一定成分的空泡噪聲, 其頻譜成分很可能主要集中在10~200 Hz的低頻端, 其能譜可能很高。

據國外資料報道, 壓縮空氣爆發的沖擊力將魚雷從潛艇的發射管中推出, 其能量相當高, 所產生的沖擊波在遠達15 000yd的距離上就可被探測到。一般認為, 魚雷出管時的噪聲能量級比魚雷在航行中的輻射噪聲能量高5~10倍, 因此艦艇能在更遠的距離上探測到魚雷的出管信號。

現代新型魚雷部分型號可能采用自航方式出管, 出管后需要點火啟動, 然后轉入高速航行狀態, 這一過程也會產生很強的瞬態信號。因此, 魚雷報警系統具有瞬態信號檢測功能是提高其探測距離的關鍵技術。

2.3 魚雷航行輻射噪聲

魚雷航行輻射噪聲是最重要的防御信息來源[3]。熱動力魚雷的排氣噪聲為低頻, 聲級高; 電動力魚雷的電動機產生極槽噪聲; 雷尾推進器(螺旋槳)噪聲有軸頻、葉頻分量, 也可能有寬帶空化噪聲, 是主要的輻射噪聲源; 發動機和推進器部件振動引起雷殼共振產生聲輻射, 頻帶介于排氣噪聲和推進噪聲之間; 發動機燃燒及能供系統產生噴射噪聲; 燃料泵、注水泵產生流體波動噪聲; 在高速及淺水航行時螺旋槳空化和葉片“振鳴”比較容易產生噪聲, 后者是由于渦流散射和結構共振相疊合, 可產生很強的單頻噪聲。以上諸多輻射噪聲源中最值得重視的是推進器和動力裝置的噪聲, 因為它們的頻譜成分包含著許多重要的特征信息。和潛艇一樣, 魚雷也存在軸頻率、葉片頻帶、點火頻率以及齒輪頻率等特征頻率, 有利于對其進行識別報警。

2.4 魚雷主動聲自導信號

由于戰場環境的復雜性, 對艦艇實施魚雷攻擊的戰術變化多端, 一種情況是來襲魚雷在近距離上發射, 如潛艇伏擊戰術, 直接以高速攻擊目標; 另一種情況是魚雷先從遠距離以低速接近目標, 在近距離上轉為高速, 進入自導工作方式。一般魚雷的主動自導距離在1~2 km, 發射的自導信號頻率為20~40kHz, 如果魚雷處于主動自導工作方式, 則魚雷的探測信號是非常明顯的。因此, 魚雷報警系統的聲納必須具有對魚雷主動自導信號的探測能力, 并且反應時間應小于30 s。

2.5 魚雷目標信號分類

魚雷目標分類技術具有2大特征, 一是由于魚雷對本艦(艇)的威脅特別大, 所以分類正確率應比對目標艦艇的分類正確率高, 據報道, 法國ALBATROS魚雷報警聲納的分類正確率達95 %; 二是由于魚雷的高航速, 它對目標的致命攻擊僅需十幾分鐘就可完成, 而近程攻擊時間更短, 因此報警系統分類判決的速度要快, 俄羅斯海軍對魚雷目標的分類時間要求僅為1 min, 而對潛艇的分類時間要求為3 min, 對水面艦艇的分類時間要求為5 min。因此, 一般有3個指標來衡量魚雷報警能力, 即正確率、虛警率和分類時間, 魚雷報警系統的要求是高正確率、低虛警率以及快速性。

由于魚雷報警的重要性, 現代艦艇的被動聲納和綜合聲納都具有魚雷報警功能, 但一般是將魚雷與其他目標如戰艦(大型、小型)、商船、潛艇(常規潛艇、核動力潛艇)等等同起來, 一起加以分類, 這必然增加了魚雷目標分類的復雜性, 降低了目標分類的正確率。

因此, 作為專用的魚雷報警系統, 要實現高正確率的魚雷分類功能, 必須充分利用魚雷的多種特征, 簡化分類模式。

3 魚雷報警系統的原理與設計

為了使任何工作環境下的魚雷報警均能有效(快速和可靠), 最佳辦法是采用專門的反魚雷報警系統(聲納系統), 較為典型的是具有獨特的能分辨左/右舷目標的多基元集束式被動拖曳短陣[4], 其組成如圖1所示。

圖1 專用魚雷報警系統組成示意圖

3.1 魚雷報警系統工作原理

從圖1可以看出, 報警聲納通過被動接收魚雷聲特征信息, 利用適當的信號處理而獲取高置信度的魚雷報警數據。為了提高防御成功率, 必須及早發現魚雷攻擊, 并及時做出適當而準確的反應(規避或實施對抗等), 實現遠程魚雷報警是先決條件。為達到此目的, 通常把遠程魚雷報警分為“預報警”和“識別報警”2個階段。在遠程“預報警”階段, 為及時捕捉到魚雷發射管前蓋打開、高壓水泵啟動、魚雷出管入水及啟動航行等突發早期瞬態信號, 必須借助于高靈敏度的水聽器和先進的信號處理技術, 這里會用到小波變換理論、高階譜和短時譜分析技術等, 并利用魚雷的上述突發特征與潛艇及海洋環境中其他物體的特征之間存在的明顯不同, 來分析和提取其瞬態特征, 以完成魚雷的遠程“預報警”。在隨后的跟蹤定位過程中, 再充分利用魚雷航行輻射噪聲中的寬帶和窄帶噪聲特征, 加上魚雷的運動特征, 當然還可利用魚雷主動聲自導信號, 通過時頻分析、運動分析和音頻偵聽等方法進一步對其進行分類識別, 并給出定位信息, 完成“識別報警”。

3.2 聲納基陣設計

常規拖曳陣聲納的基陣是由單個無方向水聽器組成的, 沒有垂直指向性, 因此存在左/右舷模糊的問題。為了消除左/右舷模糊, 魚雷報警聲納系統需要采用特殊的基陣設計, 基陣的每個陣元是由3個全向水聽器集束而成的, 3個水聽器形成等邊三角形, 并且各個陣元的位置是固定的。

為了保持各水聽器的位置, 基陣的拖曳平衡問題是關系到左/右舷分辨性能的關鍵技術, 其平衡問題不僅是基陣段自身的問題, 而且涉及到整個濕端的成纜問題。基本考慮是, 一方面把整個濕端的重心置低, 另一方面通過基陣前后2個橫搖傳感器的測量值進行實時修正[5]。

3.3 高速數據傳輸技術

基陣信號的遠距離傳輸是拖曳陣聲納所要解決的關鍵技術。早期拖曳陣聲納一般采用模擬信號傳輸, 但遠距離模擬信號傳輸具有芯線數多、拖纜直徑和質量大、信號衰減和畸變嚴重、信號間干擾較大等缺點。隨著微電子技術的迅猛發展, 新型拖曳聲納系統采用數字傳輸方案成為必然的趨勢。一般數字傳輸有同軸電纜和光纖2種介質, 這2種介質各有優缺點, 同軸電纜傳輸技術成熟, 但傳輸距離與數據率、電纜特性、驅動/接收器性能(包括編碼方式)等因素有關, 對于較高數據率的信號傳輸, 一般利用多根同軸電纜來傳輸。光纖傳輸的數據率高、傳輸距離遠, 是數據傳輸技術的發展趨勢[6], 但技術較復雜, 尤其在水聲中應用時, 需要解決的問題較多, 如光纖拖纜、高壓水密光纖連接器、絞車旋轉連接器等。國外拖曳陣聲納如果是數字傳輸, 一般采用的是光纖傳輸, 同軸電纜數字傳輸原理如圖2所示, 如果是光纖傳輸, 傳輸驅動和信號均衡分別為光驅動器和光接收器。

圖2 同軸電纜數字傳輸原理

若魚雷報警系統的聲通道數為96, A/D變換位數為16, 采樣頻率為25 kHz, 則數據率為96× 16×25 000=38.4 Mb/s, 再加上傳感器信號, 則數據率約為40 Mb/s。在保證極低誤碼率的前提下, 將40 Mb/s的數據通過同軸電纜傳輸約600 m(假定拖纜長度), 難度是很大的。光纖傳輸是最佳的選擇, 但由此所帶來的問題也必須充分考慮。因此, 高速數據傳輸技術是魚雷報警系統的一個關鍵技術。

3.4 信號處理

魚雷報警聲納的信號處理流程框圖如圖3所示[5]。

圖3 信號處理流程框圖

魚雷報警系統的功能除常規拖曳陣的功能之外, 還必須具有左/右舷分辨、快速目標運動分析(Target Motion Analysis, TMA)等功能, 因此, 魚雷報警系統與常規拖曳陣聲納在信號處理方面存在很大的差別, 主要有以下幾方面[2]。

1) 寬帶檢測。由于魚雷報警系統的基陣是3個水聽器集束陣元, 在進行寬帶檢測時, 對3個水聽器的信號求和可減小流噪聲; 對多陣元信號在1~6 kHz內進行頻域波束形成, 然后進行檢波、積分和空間歸一化處理, 完成寬帶信號的檢測。

2) 窄帶分析。在波束形成后, 經過復帶移、復低通、快速傅立葉變換、功率譜積分、方位—空間歸一化處理, 完成窄帶信號的檢測。

3) 目標跟蹤。利用分裂波束互譜法和選頻帶細化譜方法, 自動完成至少4個目標的方位和頻率跟蹤。

4) 魚雷目標分類。完成對跟蹤目標的自動分類, 結合人工參與, 以更高正確率完成對魚雷目標的分類。

5) 魚雷目標左右舷分辨。在完成魚雷目標分類后, 快速完成魚雷目標的左右舷分辨。

6) 快速TMA。利用單個魚雷報警系統的聲納基陣, 在本艦機動困難的情況下, 完成快速TMA是非常困難的。利用多基陣方位的TMA方法, 可以實時完成目標運動要素的估計。

4 結束語

魚雷攻擊與防御是矛與盾的兩個方面。本文通過介紹艦艇魚雷報警系統, 希望魚雷的研發與使用人員了解水下防御的基本技術和流程, 旨在為提高復雜對抗條件下的魚雷作戰效能有所裨益。

[1] 吳永杰, 高永生. 海上信息戰[M]. 北京: 海潮出版社, 2003.

[2] 楊日杰, 高學強. 現代水聲對抗技術與應用[M]. 北京: 國防工業出版社, 2008.

[3] 徐海剛, 林平, 許友國. 艦用水聲對抗系統對抗線導魚雷戰術運用分析[J]. 指揮控制與仿真, 2006, 28(5): 51- 55. Xu Hai-gang, Lin Ping, Xu You-guo. Tactical Applica- tion of Vessel Hydro-Acoustic Countermeasure System Against Line Guided Torpedoes[J]. Command Control & Simulation, 2006, 28(5): 51-55.

[4] 盧萬, 李釗. 國外反魚雷水聲對抗技術與發展趨勢[J].艦船電子對抗, 2008(1): 50-53. Lu Wan, Li Zhao. Foreign Anti-torpedo Hydro-acoustic Electronic Warfare Technology and Its Development Trend[J]. Shipboard Electronic Countermeasure, 2008(1): 50-53.

[5] 王國偉. 魚雷報警與攔截技術研究[R]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學, 2003.

[6] 張寶華, 杜選民. 水面艦艇魚雷防御系統綜述[J]. 船舶工程, 2003, 25(4): 17-19. Zhang Bao-hua, Du Xuan-min. A Review of Surface Warship Torpedo Defense System[J]. Ship Enginee- ring, 2003, 25(4): 17-19.

An Incoming Torpedo Warning System Based on Ship Early Underwater Defense

LI Wei1, WANG Hong-sheng2, TIAN De-hai3

(1. Department of Missile and Weaponry Engineering, Navy Submarine Academy, Qingdao 266071, China; 2. 92196thUnit, The People′s Liberation Army of China, Qingdao 266012, China; 3. Qingdao 4808 Machine Factory, Qingdao 266042, China)

According to the requirement of threat information acquisition for ship early underwater defense, this paper analyzes the tactic and technical indexes of incoming torpedo warning system, including the detection range, working band, action space,signal recognition, automation and time continuity, explains the information sources and the signal characteristics extraction of the incoming torpedo warning system in terms of the prior information, initial noise, sail noise, active acoustic homing signal and target signal classification. Furthermore, this paper also discusses the basic principles, design features, and key technologies of the incoming torpedo warning system in the case of passive towed linear cluster-type multi-element array sonar. This study may provide reference for torpedo designoptimization under countermeasure condition.

incoming torpedo; underwater defense; warning system; towed sonar; signal characteristics; target classification

TJ630; E925.2

A

1673-1948(2011)01-0072-05

2010-08-08;

2011-01-14.

李 偉（1967-）, 男, 碩士, 副教授, 主要從事魚雷作戰使用及技術保障教學工作.

(責任編輯: 陳 曦)