水聲干擾器干擾效果參數級建模與分析

龐 博

(海軍裝備部駐上海地區軍事代表局駐上海地區第七軍事代表室，上海201108)

0 引 言

水聲干擾器作為一種對抗器材，對聲吶具有干擾壓制作用。當我方艦艇被敵方聲吶探測并跟蹤后，我方艦艇可釋放干擾器，并在干擾器的掩護下迅速遠離敵方聲吶。本艇機動的原則是在本艦發射干擾器后的壓制扇面內，敵方聲吶不能對我方艦艇繼續探測并實施有效攻擊[1-4]。

從水聲對抗的作戰效能角度出發，計算干擾器對敵方聲吶的壓制扇面，可以在對抗實施過程中更好地掩護本艇，壓制扇面的范圍也反映了聲干擾器的干擾效果。另一方面，干擾器的作用能夠使敵方聲吶的作用距離降低甚至致盲。通常評價干擾器的干擾效果以壓制扇面和探測距離衰減率為主要指標[5]。

對干擾器干擾效果的評估，理想的方法是將其放在接近實戰的環境下進行多次檢驗。但是，這種方法人力物力的消耗大、費用昂貴；另外，海上環境的條件變化較大，保證一致條件下的多次試驗可能性不大[6]。借助聲吶方程，通過接近實際參數的參數級建模，分析計算探測距離衰減率和壓制扇面，是一種快速有效的分析評估干擾器干擾效果的方法，可為作戰對抗策略提供一定的指導意義。

1 聲吶工作背景模型

由經典聲吶方程[7]可知，在沒有干擾器的情況下，聲吶工作時的環境噪聲為各向同性背景噪聲噪聲級LN(dB)，其波束域的背景噪聲級為LN-DI(DI為聲吶的接收指向性指數)。

假設聲干擾器相對聲吶的方位為θ0，到達聲吶接收機處的干擾級為LJ(dB)，聲吶在只有干擾器存在時的方位譜圖為P(φ)(φ∈Θ，Θ為聲吶的觀察視區)，則干擾器在觀察方位θ(θ∈Θ)處的波束域大小為。因此，干擾器存在時聲吶在觀察方位θ處的波束域工作背景聲壓級LBI(θ)為[8]

進一步地將P(φ)歸一化，使最大值P(θ0)=0，則有P(θ)≤0，式(1)可簡化為

2 干擾器對聲吶的干擾分析

分析干擾器對聲吶的干擾效果，主要是分析、計算聲吶的作用距離衰減率和干擾器對聲吶的壓制扇面。作用距離衰減率是指聲吶由于干擾器的存在，其作用距離衰減的百分比。干擾器對聲吶而言是有指向性的而不是各向同性的，因此作用距離衰減率是觀察方位的函數。壓制扇面是指干擾器對本艦的掩護范圍，在該扇面內敵方聲吶探測不到本艦。

2.1 對被動工作方式聲吶的干擾分析

經典被動聲吶方程為

式中：R0是聲吶的作用距離；LS0是輻射噪聲源的聲源級；LT(R0)是單程傳播損失；LN是背景噪聲級，DI是接收指向性指數，DT是接收檢測域。各參數均以dB為單位。

(1) 作用距離衰減率

干擾器工作后，聲吶的工作背景由LN-DI變為LB2(θ)。記聲吶的作用距離由R0衰減為R(θ)，即滿足：

由式(3)和式(4)可知，聲吶的單程傳播損失減小了LBI(θ)-(LN-DI)，計算被動工作方式下聲吶的作用距離衰減率為[R0-R(θ)]/R0×100%。

(2) 壓制扇面

干擾器工作后，當干擾器成功掩護距離為r、輻射噪聲級為LS的目標(我方艦艇)時，聲吶方程應滿足：

滿足式(5)中的方位范圍即為壓制扇面范圍[θ1,θ2]，壓制扇面大小為θ2-θ1。

由式(3)和式(5)可得：

當LS-LS0+LT(R0)-LT(r)≤0時，在LJ+P(θ)＞0的情況下，式(6)對任意的θ∈Θ均成立。當SL-SL0+TL(R0)-TL(r)＞0時，將式(2)代入式(6)，整理可得：

根據式(7)結合方位譜圖P(φ)(φ∈Θ)，可給出干擾器對被動工作方式聲吶的壓制扇面范圍[θ1,θ2]和壓制扇面大小θ2-θ1。

(3) 建模參數

根據上述參數及建模及分析過程，總結分析干擾器對被動工作方式聲吶的干擾效果需要的參數包括：接收陣陣型(陣列形式、陣元個數和陣元間距等)、工作頻段、作用距離及論證參數(目標輻射源級、工作背景、工作頻率、指向性指數等)、傳播損失模型、干擾器對抗的典型態勢、干擾器寬帶干擾噪聲強度和頻率以及我方艦艇目標輻射噪聲級。

2.2 對主動工作方式聲吶的干擾分析

經典主動聲吶方程為

式中：R0是聲吶的作用距離；LS0是發射聲源級；ST0是目標強度；LT(R0)是單程傳播損失；LN是背景噪聲級；DI是接收指向性指數；DT是接收檢測域。各參數均以dB為單位。

(1) 作用距離衰減率

干擾器工作后，由2.1節的分析可知，聲吶的工作背景由LN-DI變為LBI(θ)。記聲吶的作用距離由R0衰減為R(θ)，即滿足：

由式(8)和式(9)可知，聲吶的雙程傳播損失減小了LBI(θ)-(LN-DI)，計算主動工作方式下聲吶的作用距離衰減率為[R0-R(θ)]/R0×100%。

(2) 壓制扇面

干擾器工作后，當干擾器成功掩護距離為r、目標強度為ST的目標(我方艦艇)時，聲吶方程應滿足：

滿足式(10)中的方位范圍即為壓制扇面范圍[θ1,θ2]，壓制扇面大小為θ2-θ1。

由式(9)和式(10)可得：

當ST-ST0+2LT(R0)-2LT(r)≤0時，在LJ+P(θ)＞0的情況下，式(11)對任意的θ∈Θ均成立。當ST-ST0+2LT(R0)-2LT(r)＞0時，將式(2)代入式(11)，整理可得：

根據式(12)結合方位譜圖P(φ)(φ∈Θ)，可給出干擾器對主動工作方式聲吶的壓制扇面范圍[θ1,θ2]和壓制扇面大小θ2-θ1。

(3) 建模參數

根據上述參數級建模及分析過程，可知干擾器對主動工作方式的干擾效果需要的參數包括：接收陣陣型(陣列形式、陣元個數和陣元間距等)、工作頻段、作用距離及論證參數(發射源級、目標強度、工作背景、工作頻率、指向性指數等)、傳播損失模型、干擾器對抗的典型態勢、干擾器瞄準干擾噪聲強度和頻率以及我方艦艇目標強度。

3 仿真分析

我方水下潛艇攜帶干擾器，敵方水面艦艇裝備主被動聲吶，潛艇被敵方聲吶探測跟蹤后適時釋放干擾器，并在干擾器的掩護下迅速遠離敵方艦艇，使其不能對我艇實施有效攻擊。干擾器對主被動聲吶的干擾效果仿真分析如下：

設某主被動聲吶為均勻線列陣陣型，陣元個數為48，陣元間距為0.375 m，各向同性工作背景譜級為在頻率1 kHz處為64 dB。被動方式工作頻段為1～2 kHz，作用距離R0=22 km，主動方式工作頻率為1.5 kHz單頻，作用距離R0=31 km。設某一干擾器在均勻線陣的正橫方位，在頻率1～2 kHz內的干擾譜級為135 dB，瞄準頻率干擾譜級為140 dB。假定干擾器和我方艦艇位于同一位置處，我方艦艇輻射噪聲級與聲吶論證輻射噪聲級一致、我方艦艇目標強度與聲吶論證目標強度一致。傳播損失模型如圖1所示。

(1) 干擾器距離聲吶r=20、15、10 km時對聲吶被動工作方式時的干擾效果。

圖1 傳播損失模型Fig.1 The transmission loss model

根據聲吶參數仿真干擾器存在時的方位譜圖為P(φ)，計算指向性指數DI=15.6，工作頻段1～2 kHz內背景噪聲級LN=165 dB，到達聲吶接收機處理頻段內的干擾級LJ=165-LT(r)，由2.1節干擾分析可知干擾器存在時的聲吶的單程傳播損失LT[R(θ)]=LT(R0)-[LBI(θ)-(LN-DI)]，由傳播損失模型可反推出R(θ)，計算作用距離衰減率為[R0-R(θ)]/R0×100%，結果如圖2(a)所示；根據式(7)結合方位譜圖P(φ)仿真分析壓制扇面結果如圖2(b)所示。統計在干擾方位處聲吶被動工作方式作用距離衰減率分別為85.9%、90.9%、95.1%，干擾器對聲吶被動工作方式的壓制扇面分別為：15°、8.8°、6.2°。

圖2 干擾器對被動工作方式的干擾仿真Fig.2 The simulation of passive sonar under the interference of noise-jammer

(2) 干擾器距離聲吶r=30、20、10 km時對聲吶主動工作方式時的干擾效果。

根據聲吶參數仿真干擾器存在時的方位譜圖為P(φ)，計算指向性指數DI=15.6，工作頻率處背景噪聲譜級LN=140 dB，到達聲吶接收機處的干擾譜級LJ=140dB-LT(r)，由2.2節干擾分析可知，干擾器存在時的聲吶的雙程傳播損失2LT[R(θ)]=2LT(R0)-[LBI(θ)-(LN-DI)]，由傳播損失模型可反推出R(θ)，計算作用距離衰減率為[R0-R(θ)]/R0×100%，如圖3(a)所示；根據式(12)結合方位譜圖P(φ)仿真分析壓制扇面結果如圖3(b)所示。經統計可得，干擾方位處聲吶主動工作方式時的作用距離衰減率分別為65.0%、73.1%、82.3%，干擾器對聲吶主動工作方式的壓制扇面分別為42.8°、10.2°、4.4°。

圖3 干擾器對主動工作方式的干擾仿真Fig.3 The simulation of active sonar under the interference of noise-jammer

4 結 論

本文在干擾器存在時聲吶工作背景模型的基礎上，針對聲吶的主、被動工作方式分別建立了干擾器干擾效果參數級模型，并分析給出了探測距離衰減率和壓制扇面的計算。最后通過仿真實例給出了干擾器對主、被動聲吶的干擾效果分析。本文提出了的參數級模型分析方法是一種快速有效的衡量干擾器干擾效果的方法，可為作戰時對抗策略提供一定的指導意義。