試驗靶標對抗主動聲自導魚雷效能仿真

徐 襲，石 敏

(1.中國人民解放軍91388部隊，廣東湛江524022;2.水聲對抗技術(shù)重點實驗室，廣東湛江524022)

0 引言

評價魚雷攻擊效能時，其水聲對抗性能是一項重要指標。試驗靶標可模擬多種水聲對抗方式，具備較強水聲對抗功能，是評估聲自導魚雷水聲對抗性能的合適設(shè)備。由于海上試驗需解決諸如試驗海區(qū)海況、試驗經(jīng)費及魚雷目標等諸多實際問題，應(yīng)研究一種實際試驗前靶標對抗魚雷試驗效能的初步分析和評價方法，服務(wù)海上試驗。本文以試驗靶標水聲對抗原理和聲傳播理論為依據(jù)，運用計算機仿真計算方法，衡量靶標對抗主動聲自導魚雷試驗效能，可在一定程度上解決上述問題。

1 靶標干擾原理

某型試驗靶標由多臺 (套)設(shè)備組成，可在如噪聲干擾器等多種模式下工作。試驗靶標入水后，依據(jù)需要工作，形成一個近似球體的噪聲干擾區(qū)域，可對試驗魚雷聲吶形成一個壓制干擾扇面，掩護被探測目標規(guī)避機動［1］。試驗靶標模擬噪聲干擾器，其頻率覆蓋魚雷聲自導系統(tǒng)接收頻帶，以功率掩蓋目標回波，提高魚雷接收端的背景噪聲，使魚雷自導系統(tǒng)無法檢測到被攻擊目標的存在，為被攻擊目標擺脫魚雷跟蹤創(chuàng)造逃逸的有利時機。試驗靶標對抗聲自導魚雷，是在已知魚雷的自導范圍和距離條件下，研究試驗靶標作為噪聲干擾器干擾聲自導魚雷的效能。

圖1 靶標噪聲干擾器技術(shù)原理Fig.1 Target noise-jammer technology principium

2 對抗要素建模

2.1 水聲環(huán)境建模

對試驗水聲環(huán)境進行建模時，主要考慮海洋環(huán)境噪聲、海水聲傳播損失2方面因素的影響。

1)海洋環(huán)境噪聲

海洋環(huán)境噪聲由各種不同的聲源組合產(chǎn)生，這些聲源中的1個或者幾個超過其他聲源而起主要作用［2］。噪聲一般通過實測數(shù)據(jù)確定，為研究方便，假定其服從于Knudsen譜，那么聲吶接收機所接收到的海洋環(huán)境噪聲源級為

其中，NLE為海洋噪聲譜級;n為海況等級;f1和f2為聲吶接收機的上下頻段，Hz，一般為某固定值。

2)海水傳播損失

對于海水傳播損失，采用球面擴展加吸收損失對聲傳播損失進行估算:

其中，r為傳播距離;β為海水吸收系數(shù)，可表示為

式中，f為聲吶工作頻率，Hz。

2.2 試驗靶標建模

試驗靶標工作在噪聲干擾器模式下，其對抗相關(guān)數(shù)學模型，可依據(jù)聲吶方程進行建模描述，噪聲干擾器在魚雷處的干擾噪聲級為

其中，NLG為標靶作為噪聲干擾器在魚雷處的干擾噪聲級;SLG為標靶作為噪聲干擾器的干擾噪聲級;TLG為噪聲干擾器至魚雷距離為r的傳播損失。

2.3 魚雷探測建模

根據(jù)主動聲吶方程有［2］

其中，SL為魚雷發(fā)射聲源級;TS為被測目標 (潛艇)的目標強度;TL為魚雷至目標處的傳播損失;NL為魚雷干擾噪聲級;DI為魚雷接收指向性系數(shù);DT為魚雷接收檢測閾值。為求解方便，將上式等價于

當噪聲干擾器沒有工作或者處于魚雷自導接收扇面之外時，魚雷的干擾噪聲來自海洋的環(huán)境噪聲和魚雷航行的自噪聲，此時魚雷的干擾噪聲級為

其中，NLZ為魚雷航行自噪聲;NLE為海洋的環(huán)境噪聲。

當干擾器工作且處于魚雷自導接收扇面之內(nèi)時，魚雷所受干擾噪聲來自海洋環(huán)境噪聲、魚雷航行自噪聲和噪聲干擾器的混合，此時對魚雷的干擾噪聲級為

2.4 對抗實體建模

海上試驗條件下，假定主動聲自導魚雷攻擊目標為某潛艇，水聲對抗試驗需考慮目標強度和魚雷本身的航行自噪聲。

1)潛艇目標強度

潛艇目標強度與聲波入射艇舷角有關(guān)，潛艇正橫的目標強度在魚雷聲自導頻段上大致在15～25 dB之間，但不同的聲波入射舷角會造成目標強度值的不同，不同聲波入射舷角的潛艇目標強度計算式為［1］

其中，TSmax為被測目標 (潛艇)正橫的目標強度，取25 dB，若目標采用隱身技術(shù)，如有消聲瓦時，目標強度將明顯降低，計算時可適當減小;θ為聲波入射舷角，即被測目標舷角。

2)魚雷航行自噪聲

魚雷航行自噪聲參數(shù)一般很難得到，依文獻可參考國外魚雷航行自噪聲計算式［3］:

其中，NLz為魚雷航行自噪聲級;HT為航行深度。

3 對抗效能指標

對于主動聲自導魚雷的海上武器試驗，其試驗指標是多方面的。試驗靶標作為噪聲干擾器，檢驗主動聲自導魚雷水聲對抗性能，其效能指標有聲自導魚雷的自導作用距離降低、魚雷探測跟蹤時間變長和魚雷探測目標的概率等多種對抗效能指標。本文采用主動聲自導魚雷自導探測距離平均縮減量和平均縮減率衡量試驗靶標對抗魚雷的效能仿真計算指標［7-8］。

魚雷自導探測距離平均縮減量可表示為

魚雷自導探測距離平均縮減率可表示為

其中，n為仿真有效量;ri1為無靶標干擾時魚雷聲吶作用距離;ri2為有靶標干擾時魚雷聲吶作用距離。

4 對抗效果分析

4.1 仿真分析條件

依據(jù)式(6)，假定在算式取“=”情況下，被測目標被捕獲，此時可根據(jù)式(6)計算常數(shù)值

取魚雷發(fā)射頻率為30 kHz，接收頻率為30±0.9 kHz，主動自導時，接收機可從1 500 m處檢測到8 dB的目標反射回波，自噪聲取魚雷航行的典型深度40 m時的噪聲，則TS=8 dB，TL(1500)和NLz的值，由上述值可計算得到未知參數(shù)K的值。依據(jù)前述推導方程，試驗靶標作為噪聲干擾器對抗主動聲自導魚雷，綜合影響魚雷聲吶探測距離的各種因素，魚雷發(fā)現(xiàn)被測目標在無靶標干擾器工作條件下，假定其自導發(fā)現(xiàn)目標最大距離為

若在靶標干擾器工作條件下，假定其自導發(fā)現(xiàn)目標最大距離為

假定被測目標和魚雷處于同一深度，深度為40 m，海況為3級，f=30±0.9 Hz，海水吸收系數(shù)β可計算，噪聲干擾器譜級為SLG=120-180 dB。在式(14)和式(15)中，假定靶標干擾器與魚雷探測目標相近，則可視TLG(r)與TL(r)中的傳播距離r相同。

4.2 不同試驗海況仿真計算

根據(jù)以上仿真條件以及效能指標，可用Matlab軟件對條件數(shù)據(jù)進行仿真計算分析［5］。圖2中，依據(jù)試驗靶標的工作條件，主要計算仿真了1～5級海況下，有無靶標作為噪聲干擾器的魚雷聲自導作用距離及作用距離之差。圖2中，曲線1表示沒有受到靶標作為噪聲干擾器干擾時，主動自導探測距離與海況等級的關(guān)系;曲線2表示受到靶標作為噪聲干擾器干擾時，主動自導探測距離與海況等級的關(guān)系;曲線3表示在不同等級海況下，有無噪聲干擾器時魚雷主動自導探測距離之差。圖2所示仿真計算條件為，假定魚雷航深為40 m，被探測目標入射角為60°，靶標作為干擾器的噪聲譜級為NLG=160 dB。

圖2 不同海況條件下自導距離變化Fig.2 Active acoustic homing distance change with different sea status

假設(shè)被測目標入射角在(0°，180°)間均勻分布，魚雷航深在(10 m，100 m)之間均勻分布，對1～5級海況分別進行仿真計算分析，按照前述對抗指標對靶標作為噪聲干擾器對抗聲自導魚雷的效能進行評估，Δr為距離平均縮減量，λ%為距離平均縮減率，計算結(jié)果如表1所示。

表1 不同試驗海況下對抗效能評估Tab.1 Counter efficiency evaluation under different testing sea status

4.3 不同魚雷航深仿真計算

圖3中，仿真計算了魚雷航深在10～100 m深度下，有無靶標作為噪聲干擾器的魚雷聲自導作用距離及作用距離之差。

圖3 不同魚雷航深下自導距離變化Fig.3 Active acoustic homing distance change with different torpedo voyage depth

圖2所示仿真計算主要條件:假定試驗海況為3級，被探測目標入射角為60°，靶標作為干擾器的噪聲譜級為NLG=160 dB。假設(shè)被測目標入射角在(0°，180°)間均勻分布，試驗海況為1～6級，對魚雷航深在 (10 m，50 m)之間分別進行仿真計算分析，主要計算結(jié)果如表2所示。

表2 不同魚雷航深下對抗效能評估Tab.2 Counter efficiency evaluation under different torpedo voyage depth

4.4 不同噪聲譜級仿真計算

圖4中，仿真計算了靶標干擾器譜級在140～180 dB之間，有無靶標作為噪聲干擾器的魚雷聲自導作用距離及作用距離之差。圖4所示仿真計算主要條件:假定試驗海況為3級，被探測目標入射角為60°，魚雷航深為40 m。

假設(shè)被測目標入射角在 (0°，180°)間均勻分布，試驗海況為1～6級，魚雷航深取典型航深50 m，對靶標噪聲譜級 (140～180 dB)之間分別進行仿真計算分析，計算結(jié)果如表3所示。

圖4 不同靶標噪聲譜級作用自導距離變化Fig.4 Active acoustic homing distance change with different target noise spectrum

表3 不同靶標噪聲譜級對抗效能評估Tab.3 Counter efficiency evaluation under different different target noise spectrum

4.5 仿真結(jié)果分析

魚雷主動自導探測目標 (潛艇)距離與魚雷航深、海況等都有密切的關(guān)系:

1)試驗海況等級越高，而海情越差，主動聲自導魚雷的探測距離就會越來越小，其變化為單調(diào)遞減關(guān)系。

2)主動聲自導魚雷的探測距離隨魚雷航深而變化，到達一定深度后，探測距離變化趨緩，并趨近于某定值。

3)試驗靶標作為噪聲干擾器，在不同條件下對魚雷主動聲自導探測的干擾效果不同。Δr與λ的變化規(guī)律相同。

4)Δr與λ的變化規(guī)律相同，都隨著魚雷航深的增大而增大，到達一定深度后，Δr與λ分別趨近于某一定值。

5)靶標對抗魚雷的噪聲譜級的變化，導致Δr與λ也隨之變化，隨著靶標噪聲能級的增大，Δr與λ不斷增大。

5 結(jié)語

以試驗靶標作為噪聲干擾器，對主動聲自導魚雷的干擾效果進行了仿真計算分析。分析了其使用時的基本原理，建立了對抗主動聲自導魚雷各對抗要素數(shù)學模型。借鑒魚雷作戰(zhàn)效能指標，確立了試驗對抗效能仿真評價指標，進行了幾種狀況下的仿真計算分析和比較。通過上述仿真計算分析，若試驗靶標作為干擾器使用方法得當，能夠顯著降低魚雷的主動自導作用距離，為魚雷武器的水聲對抗試驗提供參考和支持。

［1］王棟，鄭援，孫飛龍.使用噪聲干擾器規(guī)避主動聲自導魚雷的潛艇機動分析［J］.指揮控制與仿真，2009，31(2):51-53.WANG Dong，ZHENG Yuan，SUN Fei-long.Analysis on Submarine's Maneuver to counter the active homing torpedo with acoustic jammer［J］.Command Control ＆ Simulation，2009，31(2):51-53.

［2］劉伯勝，雷家煜.水聲學原理［M］.哈爾濱:哈爾濱工程大學出版社，1993.LIU Bo-shen，LEI Jia-yu.Underwater acoustics theory［M］.Harbin:Harbin Engineering University Press，1993.

［3］胡言峰，鄭援，單廣超.潛艇噪聲干擾器對抗主動聲自導魚雷效能仿真分析［J］.魚雷技術(shù)，2007，15(5):55-57.HU Yan-feng， ZHENG Yuan， SHAN Guang-chao.Simulation analysis of counter measure effect of noise jammer in submarine on active acoustic homing torpedo［J］.Torpedo Technology，2007，15(5):55-57.

［4］單廣超，鄭援，胡言峰.潛用噪聲干擾器對抗艦艇主動聲吶的仿真分析［J］.艦船電子對抗，2008，31(4):58-60.SHAN Guang-chao，ZHENG Yuan，HU Yan-feng.Simulation analysis about noise-jammer used by submarine confronting shipborne active sonar［J］.Shipboard Electronic Counter-Measure，2008，31(4):58-60.

［5］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］.艦船科學技術(shù)，2008，30(4):161-164.XIA Zhi-jun，ZHANG Yu-ce，ZHANG Xin-hua，GUO Huidong，et al.Research on effectiveness of noise-jammer against active sonar of torpedo［J］.Ship Science and Technology，2008，30(4):161-164.

［6］鄭衛(wèi)東，李永春，趙國安.噪聲干擾器對抗聲吶使用效果分析與使用方法探討［J］.聲學技術(shù)，2002，21(3):105-108.ZHENG Wei-dong，LI Yong-chun，ZHAO Guo-an，DENG Zhi-jia.The discussion about the using of noise-jammer in anti-sonar［J］.Acoustics Technology，2002，21(3):105-108.

［7］孟慶玉，張靜遠，宋保維.魚雷作戰(zhàn)效能分析［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2003.MENG Qin-yu，ZHANG Jin-yuan，SONG Bao-wei.Torpedo campaign efficiency analysis［M］.Beijing:National Defence Industry Press，2003.

［8］高學強，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］.聲學與電子工程，2009(3):11-13.GAO Xue-qiang，YANG Ri-jie，YANG Chun-ying.Modeling and simulation of campaign efficiency to noise-jammer antitorpedo［J］.Acoustics and Electronic Engineering，2009(3):11-13.