未來(lái)反潛戰(zhàn)中的多基地聲納作戰(zhàn)

91388部隊(duì)92分隊(duì) 呂 琳

1.引言

近幾十年來(lái)，潛艇成為破壞海上交通的戰(zhàn)術(shù)和戰(zhàn)役兵力，演變成具有強(qiáng)大威脅力量的戰(zhàn)略兵力，使得反潛戰(zhàn)具有越來(lái)越重要的戰(zhàn)略地位。反潛戰(zhàn)的首要任務(wù)是在保證自己不被敵方偵察的同時(shí)，搜索發(fā)現(xiàn)潛艇目標(biāo)。目前，聲納是最主要的搜潛設(shè)備[1,2]。

隨著潛艇隱身降噪技術(shù)的發(fā)展，對(duì)聲納設(shè)備的探測(cè)性能提出了更高的要求。據(jù)稱(chēng)，潛艇的輻射噪聲平均每年降低1dB，使得被動(dòng)聲納對(duì)潛艇的探測(cè)距離越來(lái)越近，利用被動(dòng)聲納探測(cè)“安靜型”潛艇越來(lái)越困難。另一方面，為了使?jié)撏芴颖苤鲃?dòng)聲納的回波探測(cè)，發(fā)展了潛艇隱身技術(shù)，使得潛艇對(duì)聲信號(hào)的反射越來(lái)越弱，導(dǎo)致主動(dòng)聲納探測(cè)潛艇也越來(lái)越困難。但由于隱身技術(shù)難以達(dá)到全方位、全頻段的隱身效果，特別是在低頻，隱身效果更為不佳。因此，利用低頻主動(dòng)聲納探測(cè)安靜型目標(biāo)已成為反潛領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)[3]。

一般，傳統(tǒng)的主動(dòng)聲納以單基地形式工作，發(fā)射聲陣和接收聲陣處于同一位置，在探測(cè)目標(biāo)的同時(shí)，也暴露了探測(cè)平臺(tái)的位置，極易被敵方發(fā)現(xiàn)，也給潛艇留下了規(guī)避的余地。多基地聲納收發(fā)分置的工作模式，兼具主動(dòng)聲納和被動(dòng)聲納的特點(diǎn)，可同時(shí)利用多個(gè)方向的能量探測(cè)目標(biāo)，敵方難以實(shí)現(xiàn)有效的對(duì)抗和規(guī)避，在提高目標(biāo)探測(cè)性能的同時(shí)，也改善了平臺(tái)的隱蔽性。

相對(duì)于傳統(tǒng)的單基地低頻主動(dòng)聲納，多基地聲納系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，具有以下結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[4]：

a.多基地系統(tǒng)接收端在不同方位接收目標(biāo)散射信號(hào)，散射波來(lái)自目標(biāo)散射的不同方向，在多數(shù)情況下，目標(biāo)回波來(lái)自聲波的非入射方向；

b.收發(fā)分置的工作方式，使測(cè)量數(shù)據(jù)的自由度和冗余增加，對(duì)系統(tǒng)的信息處理能力有了更高的要求；

c.多個(gè)接收機(jī)共用一個(gè)或多個(gè)發(fā)射源，使系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)更復(fù)雜。

2.多基地系統(tǒng)分析

近些年來(lái)，多基地聲納成為國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)，是因?yàn)槎嗷芈暭{在隱蔽性性、抗干擾性等方面具有很多優(yōu)點(diǎn)。在多基地系統(tǒng)中，雙基地聲納是最簡(jiǎn)單、也是最基本的一種配置。這里以雙基地聲納為例，進(jìn)行多基地聲納系統(tǒng)的性能分析。

2.1 隱蔽性分析

聲納的隱蔽性是指聲納工作時(shí)，被敵方發(fā)現(xiàn)的可能性的大小。敵方偵察聲納一般可根據(jù)發(fā)射聲波的入射方向探測(cè)目標(biāo)。因此，就單基地而言，收發(fā)合置的結(jié)構(gòu)形式使其工作時(shí)，暴露了探測(cè)平臺(tái)的位置。多基地聲納系統(tǒng)發(fā)射端被敵方偵察聲納發(fā)現(xiàn)的概率與單基地聲納相同，但接收端處于被動(dòng)工作模式，敵方偵察聲納無(wú)法偵察得到準(zhǔn)確位置。因此，多基地聲納系統(tǒng)的隱蔽性總體上優(yōu)于單基地聲納[5]。

2.2 抗干擾性分析

干擾通常分為有源干擾和無(wú)源干擾，而有源干擾又可分為壓制式干擾和欺騙式干擾，單基地聲納易于被敵方定位，因而容易受到敵方強(qiáng)方向性的壓制干擾，如果干擾功率足夠大，則干擾信號(hào)不僅可以通過(guò)接收基陣主瓣進(jìn)入接收機(jī)，還可以通過(guò)副瓣進(jìn)入接收機(jī)，使聲吶在很寬的范圍內(nèi)不能探測(cè)目標(biāo)。多基地聲納系統(tǒng)中，敵方無(wú)法準(zhǔn)確偵察到接收機(jī)的準(zhǔn)確位置，接收端節(jié)點(diǎn)主瓣受到敵方強(qiáng)方向性干擾的可能性很小。敵方若要干擾接收端節(jié)點(diǎn)，必須展開(kāi)干擾扇面，必將導(dǎo)致干擾功率大大下降。敵方也難以對(duì)多個(gè)發(fā)射端節(jié)點(diǎn)實(shí)施強(qiáng)方向性的壓制干擾。因此，收發(fā)分置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，有效地增強(qiáng)了多基地系統(tǒng)在反潛戰(zhàn)中的抗干擾能力。

2.3 探測(cè)范圍分析

被動(dòng)聲納的探測(cè)能力依賴(lài)于目標(biāo)輻射噪聲。隨著潛艇降噪技術(shù)的進(jìn)步，被動(dòng)聲納的偵察距離越來(lái)越小。主動(dòng)聲納可通過(guò)目標(biāo)回波實(shí)現(xiàn)得到潛艇等目標(biāo)的精確位置，但雙程傳播損失則制約了主動(dòng)聲納的作用距離。若要將主動(dòng)聲納的作用距離增加20%，需將聲納的發(fā)射功率提高約4.4倍，這將要求發(fā)射基陣的尺寸更大，也增加了目標(biāo)被敵方偵察的可能性[6]。

收發(fā)分置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使得多基地系統(tǒng)的聲波傳播路徑明顯不同于單基地系統(tǒng)。聲波的傳播損失為聲波從發(fā)射端至目標(biāo)和目標(biāo)至接收端的衰減之和。由此得到，雙基地系統(tǒng)的探測(cè)范圍的形狀表現(xiàn)為以發(fā)射端節(jié)點(diǎn)和接收端節(jié)點(diǎn)為為焦點(diǎn)的卡西尼卵形線。當(dāng)收發(fā)節(jié)點(diǎn)的距離增加時(shí)，雙基地系統(tǒng)探測(cè)范圍不斷減小，但探測(cè)范圍在基線延長(zhǎng)線方向上得到拓展，獲得了距離優(yōu)勢(shì)[7,8]。

2.4 定位性能分析

通過(guò)多基地系統(tǒng)的多節(jié)點(diǎn)的聯(lián)合定位，可提高目標(biāo)定位精度。

單基地聲納目標(biāo)定位誤差的等值線是以聲納為圓心的同心圓，且距聲納越近，定位性能越好；雙基地聲納系統(tǒng)在大部分區(qū)域的定位性能都較好，但在基線附近，定位性能較差，在基線區(qū)甚至出現(xiàn)探測(cè)盲區(qū)；借助于多聲納節(jié)點(diǎn)的聯(lián)合定位，多基地聲納系統(tǒng)的定位精度明顯優(yōu)于單基地聲納，在基線區(qū)的定位精度也有明顯提高，避免了雙基地系統(tǒng)在基線區(qū)的探測(cè)盲區(qū)問(wèn)題。

3.多基地系統(tǒng)存在的問(wèn)題

3.1 系統(tǒng)同步問(wèn)題

為了完成對(duì)目標(biāo)定位，多基地聲納除了具有傳統(tǒng)單基地聲納的發(fā)射、接收和信號(hào)處理功能外，還需要解決發(fā)射端與接收端的時(shí)空同步問(wèn)題。

空間同步方面，由于多基地系統(tǒng)中發(fā)射端、接收端相距較遠(yuǎn)，需要保證多基地系統(tǒng)的收發(fā)波束同時(shí)照射到同一目標(biāo)，且具有較好的數(shù)據(jù)率；時(shí)間同步方面，為實(shí)現(xiàn)多基地系統(tǒng)的目標(biāo)定位功能，需要為分置的多基地系統(tǒng)各聲納節(jié)點(diǎn)提供統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)。

3.2 直達(dá)波抑制

直達(dá)波是指直接從發(fā)射端直接傳輸至接收機(jī)的聲波。多基地聲納系統(tǒng)的發(fā)射端和接收端配置位置不同，收發(fā)分置的配置結(jié)構(gòu)可能導(dǎo)致直達(dá)波、目標(biāo)回波及其他多途回波同時(shí)達(dá)到接收端，并且疊加到一起。一般情況下，由于只經(jīng)歷單徑傳播，所以直達(dá)波的能量比較大，極易掩蓋住目標(biāo)回波，難以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)定位。

針對(duì)多基地系統(tǒng)的直達(dá)波抑制技術(shù)，一般有以下幾種處理辦法[9]：

a.提高多基地系統(tǒng)發(fā)射端和接收端的指向性，盡可能降低進(jìn)入接收端聲波的能量；

b.在接收端采用旁瓣抑制技術(shù)，控制從旁瓣進(jìn)入接收機(jī)的直達(dá)波的能量；

c.采用編碼技術(shù)，進(jìn)行發(fā)射聲波的設(shè)計(jì)，使不同發(fā)射機(jī)發(fā)射的聲脈沖滿(mǎn)足一定的正交性，從而達(dá)到抑制直達(dá)波的目的。

3.3 數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)與信息融合

與單基地聲納相比，在多基地聲納中，同一個(gè)目標(biāo)的散射回波可能被多個(gè)接收端接收。因此，多基地聲納得到的測(cè)量數(shù)據(jù)，存在一定程度的冗余度。尤其在虛警率提高時(shí)，多基地系統(tǒng)的觀測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸負(fù)荷也是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。因此有必要開(kāi)展多基地系統(tǒng)下的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，以確定哪些點(diǎn)跡源自同一個(gè)目標(biāo)，降低數(shù)據(jù)的傳輸負(fù)荷和系統(tǒng)的計(jì)算量，進(jìn)而快速地完成目標(biāo)航跡的估計(jì)。

4.結(jié)束語(yǔ)

收發(fā)分置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使多基地聲納為“安靜型”潛艇的探測(cè)帶來(lái)了巨大希望。同時(shí)，多基地聲納還面臨著直達(dá)波抑制、系統(tǒng)同步及復(fù)雜干擾背景下的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)等難題，有待于聲學(xué)工作者進(jìn)行更深入的研究，以更好地發(fā)揮多基地聲納在未來(lái)反潛戰(zhàn)爭(zhēng)中的效能。

[1]戴自立.現(xiàn)代艦載作戰(zhàn)系統(tǒng)(上冊(cè))[M].北京：兵器工業(yè)出版社,1999.

[2]戴自立.現(xiàn)代艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1999.

[3]田坦,聲納技術(shù)[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社：2000.

[4]張小鳳.雙多基地聲吶定位及目標(biāo)特性研究[M].西北工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文,2003.

[5]趙寶慶,車(chē)永剛.雙/多基地聲納技術(shù)發(fā)展綜述[J].聲學(xué)技術(shù),2009,28(2),1-3.

[6]閻福旺,劉載芳,榮新光,等.現(xiàn)代聲納技術(shù)[J].北京：海洋出版社,2001.

[7]楊麗,蔡志明.雙基地聲納探測(cè)范圍分析[J].兵工學(xué)報(bào),2007(28),7：839-843.

[8]凌青,楊麗,蔡志明.雙(多)基地聲納浮標(biāo)系統(tǒng)在反潛中的應(yīng)用研究[J].海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào),2006(18),2,47-51,103.

[9]張小鳳,張光斌.雙/多基地聲吶系統(tǒng)[M].北京：科學(xué)出版社,2013.