基于爆炸聲源的多基地遠程探測技術研究

劉 琳,魏明濤,孫振新

(1. 中國人民解放軍91776部隊,北京 100841; 2. 江蘇自動化研究所,江蘇連云港 222061)

水面艦艇編隊是水下攻防的重要力量,在與水下威脅目標的對抗中,面臨的首要困難在于難以遠程發現和準確識別水下威脅目標[1]。水面艦艇配備的艦殼聲吶對低噪聲潛艇目標的實際探測距離較近,連續跟蹤能力差,難以滿足作戰需要[2]。拖曳陣聲吶被動工作模式對低航速低噪聲潛艇探測能力差[3]。拖曳陣聲吶采用主動工作模式時,通過發射大功率低頻聲波,其發現水下目標的距離及連續跟蹤能力有大幅提升,但是該模式下水面艦艇易于過早暴露、遭受攻擊[4]。

根據當前水下作戰對潛遠程預警與攻防的重要需求,針對水面艦艇配備聲吶主動探測易暴露,被動探測距離近的現實問題,在綜合分析國內外先進做法基礎上[5-6],本文提出了一種基于爆炸聲源的多基地遠程探測新技術。該技術綜合利用爆炸聲源和拖曳線列陣聲吶實施對水下目標的遠程探測,通過爆炸聲源產生高強度低頻爆炸聲信號,利用大孔徑低頻拖曳線列陣聲吶進行高增益接收,結合對潛艇回波與直達波的參數提取與處理,同步完成對潛艇目標的快速檢測與定位。

1 探測技術原理

如圖1所示,以小當量TNT爆炸產生的聲波為聲源,利用艦船平臺的拖曳線列陣被動接收聲波,組成相當于異地收發功能的水聲探測系統。爆炸產生的聲波通過2條路徑被拖曳線列陣檢測到:一條是由爆炸點D直接傳到拖曳線列陣A的直達波;另一條是由爆炸點D經潛艇目標M反射后再傳到拖曳線列陣A的目標回波。拖曳線列陣根據接收的直達波和目標回波的時間,根據聲吶方程和解析幾何二次曲線的特性分析,可知M點位于以A、D為兩焦點的橢圓上。另外,相對于常規聲吶產生的聲波,小當量TNT爆炸產生的聲波具有以下特點:一是特制爆炸聲源在確定位置爆炸,能產生全向、低頻強聲波信號;二是爆炸產生的聲波能量大小可控;三是爆炸產生的能量包含的頻譜范圍廣。

圖1 基于爆炸聲源的多基地探測原理圖

2 爆炸聲源的聲波研究

2.1 爆炸聲源的聲波測量

為了對海水中爆炸聲波的聲源級、頻譜進行測量,建立聲波信號采集系統,如圖2所示。測量分為三個階段,第一階段為準備階段,包括測量海面風速,水溫,確定是否符合測量條件,并且要求測量水域沒有其他船只的干擾。第二階段為測量系統準備階段,包括測量經緯度、水深、海面風速、水溫、鹽度并根據經驗公式得到聲速剖面分布。第三階段為測量階段,測量時母船和小艇都必須熄火拋錨。啟動測量記錄系統,并示意母船發射爆炸聲源,利用示波器檢測爆炸信號同時保存接收數據，并按照要求重復測量記錄。

圖2 聲波信號采集系統示意圖

本文以700 g TNT爆炸聲場數據為例進行分析處理,根據測量數據,經計算得聲源級曲線如圖3所示。由于聲源爆炸點與測量點之間距離較長,傳輸信道并不滿足球面波擴展條件;另一方面,由于測量時測量船仍保持航行狀態,接收水聽器和電纜布放入水后無法保持垂直狀態,其深度未達到預定的測量深度,上述因素對實際測量聲源級數據的準確性造成一定影響。

圖3 700 g TNT爆炸聲源級曲線

對上述試驗數據計算接收時刻的能量譜,能量譜如圖4所示。從功率譜線圖可知,爆炸聲源的聲波能量大部分集中在低頻段區域。

圖4 700 g TNT爆炸功率譜線圖

2.2 爆炸聲源的回波信號處理

某次試驗時,700 g TNT爆炸產生的直達波和目標回波,如圖5所示,該圖給出了回波數據的方位距離信息。可以看出,由于裝藥量較小,爆炸產生的脈沖長度較短,能提高探測目標的距離分辨率。

圖5 某次試驗的直達波和目標回波分布

3 探測能力仿真分析

3.1 仿真系統構建

構建爆炸聲源/拖曳陣聲吶探測能力仿真系統,框架如圖6所示,共包含以下幾個部分:

1)仿真參數設定:設定各項位置參數、海洋信道參數和信號處理參數;

2)爆炸聲源仿真:仿真爆炸聲源聲波波形;

3)傳輸路徑仿真:爆炸聲源聲波通過聲場調制路徑傳輸至目標,并通過目標散射再次通過聲場調制路徑傳輸至陣列;

4)目標散射特性仿真:仿真爆炸聲源照射不同姿態下目標后的信號調制情況,查閱消聲瓦對于不同頻率聲波吸收情況的相關技術資料[7];

5)接收陣列仿真:仿真拖曳線列陣對信號的接收;

6)信號處理系統仿真:通過信號處理,檢測直達波、目標回波,并解算目標位置;

7)顯示系統仿真:通過友好的人機交互界面將處理結果完美顯示。

圖6 探測能力仿真系統框圖

3.2 探測能力仿真

為了客觀評估爆炸聲源/拖曳陣聲吶系統的探測能力,根據聲吶方程對于系統能力進行仿真評估,并與常規多基地聲吶系統進行比較。

具體目標距離r測算公式為:

系統優質因數FOM=爆炸聲源級-海洋背景噪聲+目標反射強度+陣列得益-檢測信噪比

為計算r,根據不等式:20log(r/2)×2+海水吸收

1)仿真地點

以某海域半徑100 km的區域為仿真地點,該域100～200 Hz的海洋聲傳播損失如圖7所示。

圖7 某海域100～200 Hz的聲傳播損失

2)仿真結果

假定水深100 m,目標深度50 m,爆炸聲源深度50 m,根據典型拖曳線列陣的相關參數,在爆炸聲源和拖曳線列陣位置態勢確定后,系統探測能力仿真結果如圖8所示,從圖得到:在75°～200°方位,即爆炸聲源所在一側的方位上,常規多基地聲吶系統的探測能力強于爆炸聲源/拖曳陣聲吶系統。這是因為在這一側聲波傳輸的距離近,常規多基地探測系統的高頻聲波衰減小,其脈沖壓縮增益相比爆炸聲源/拖曳陣聲吶占優勢;在0°～45°、225°～360°方位上,即爆炸聲源異側方位上,爆炸聲源/拖曳陣聲吶系統探測能力強于常規多基地聲吶系統,這是因為在這一側聲波傳輸的距離長, 常規多基地聲吶系統的高頻聲波衰減大,爆炸聲源/拖曳陣聲吶系統中爆炸聲源的低頻聲波衰減小使其探測占優勢。

圖8 兩種多基地方式對各方位目標最遠探測距離對比

4 爆炸聲源探測模式的目標運動要素算法

水面艦艇進入敵潛艇威脅海域時,配備的常規拖曳陣聲吶通常處于被動工作模式,能夠實時探測到潛艇方位信息,此時如果由于作戰需要,需要掌握敵潛艇的目標運動要素(方位、距離、速度、航向等),需要投放爆炸聲源,獲取目標當前距離信息。根據當前目標距離和實時方位信息,可以解算目標運動態勢。

4.1 模型建立

設ti時刻在測得目標方位Bi的同時,又測得目標距離Di。以聲吶發現目標時刻的本艦初始位置W0點為坐標原點,并以該時刻聲吶測量的目標初始方位線B0為坐標縱軸建立直角坐標系。如圖9所示，設t0時刻本艦位于W0點,目標位于M0點,目標方位為B0,距離為D0,舷角為Xm0,且假定目標以等速Vm沿直航向Cm航行。ti時刻本艦位于Wi點,目標位于Mi點,目標方位為Bi、距離為Di,目標方位變化量為ΔBi=Bi-B0,此時的本艦縱移和橫移分別為J0ic、J0is。

將本艦與目標運動構成的幾何態勢圖形各邊參量投影在坐標縱、橫軸上可得

(1)

設P=D0,Q=VmsinXm0,R=VmcosXm0,并替換式(1)右端有關項,經整理得

PsinΔBi-Qt0icosΔBi-Rt0isinΔBi-J0iCsinΔBi+J0iScosΔBi=0

(2)

由于聲吶跟蹤測量的目標方位必然存在一定誤差,系統累計的本艦位移也必然存在一定誤差,因此,在通常情況下式(2)是不成立的。設式(2)右端為某一小誤差量εi。在拖曳陣聲吶對目標保持連續跟蹤條件下可得到目標方位序列,在此過程中系統根據導航設備提供的本艦航向、速度及按時間累計得到對應的本艦位移序列,不難得到數個完全相同的表達式,經過相關代換并整理得到:

(3)

最終得解:

(4)

圖9 本艦與目標幾何態勢

4.2 仿真計算

仿真計算采用某典型態勢,如圖10所示,參數選取如:初始距離20 km,目標航向240°,目標速度5 kn,采樣周期3 s,本艦航速25 kn,本艦航向90°。

方位隨機誤差為σB=2°(二階原點矩),距離隨機誤差為2.5%D。

通過三次引爆聲源獲取第48、72、96個采樣周期時刻的目標距離信息,圖11、圖12是該最小二乘算法下的目標航向、航速收斂效果。綜合比較各種典型態勢下目標運動航跡與目標運動要素收斂效果,發現當目標方位變化率越快,目標運動要素解算值收斂效果越好。

圖10 某典型態勢圖

圖11 航向仿真結果對比

圖12 航速仿真結果對比

因此,當利用基于爆炸聲源的多基地模式實現對潛遠程探測時,應通過控制本艦機動采用適當的接敵跟蹤航路,使目標方位有較快的變化率,這樣就可以較為準確地解算出目標運動要素,并采用適當武器進行攻擊。

5 結束語

本文針對未來反潛作戰接觸距離更遠,實施攻擊的速度更高,反潛持續的時間更長等重要需求,提出一種基于爆炸聲源的多基地遠程探測新方式。該技術通過靈活投放高強度低頻爆炸聲源與拖曳線列陣聲吶相結合,充分發揮分布式探測模式能力,在保證水面艦艇隱蔽條件下,實現對潛艇目標的遠距離預警、 跟蹤和攻擊。該技術具有以下特點:一是爆炸聲源能量強、頻率低、海洋吸收損失小,顯著降低潛艇的非對稱隱身作戰優勢,實現對潛艇的遠距離探測;二是爆炸聲源可較遠的靈活投放,爆炸點與水面艦艇相隔較遠,可實現水面艦艇保持隱蔽,增加了潛艇對水面艦艇的識別難度,有效降低潛艇攻擊單向優勢;三是現有的拖曳線列陣聲吶經適度改進信號處理算法,即可與爆炸聲源配套使用實現遠程探潛,裝備改動量小。