李 偉, 汪洪升 , 田德海

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基于艦艇水下先期防御的來襲魚雷報(bào)警系統(tǒng)

李 偉1, 汪洪升2, 田德海3

(1. 海軍潛艇學(xué)院 導(dǎo)彈兵器系, 山東 青島, 266071; 2. 海軍92196部隊(duì), 山東 青島, 266012; 3. 青島4808機(jī)械廠, 山東 青島, 266042)

基于艦艇水下先期防御作戰(zhàn)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(xù)性等方面分析了魚雷報(bào)警系統(tǒng)的戰(zhàn)技指標(biāo)要求, 從先驗(yàn)信息、初始噪聲、航行噪聲、主動聲自導(dǎo)信號和目標(biāo)信號分類等方面闡述了魚雷報(bào)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(bào)警系統(tǒng)的基本原理、設(shè)計(jì)要點(diǎn)與關(guān)鍵技術(shù), 為優(yōu)化對抗條件下的魚雷設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

來襲魚雷; 水下防御; 報(bào)警系統(tǒng); 拖曳聲納; 信號特征; 目標(biāo)分類

0 引言

為了達(dá)成有效的水下防御, 艦艇應(yīng)該有足夠的時間來實(shí)施對抗和機(jī)動規(guī)避, 因而需要對遠(yuǎn)距離來襲魚雷進(jìn)行早期報(bào)警。在來襲魚雷發(fā)射出管后, 艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)應(yīng)能及時發(fā)出魚雷預(yù)警信號。先期發(fā)現(xiàn)來襲魚雷是水聲對抗系統(tǒng)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(bào)警系統(tǒng)。艦艇水聲探測設(shè)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(jìn)行聲光報(bào)警。

20世紀(jì)80年代以來, 出于對水下攻擊威脅的擔(dān)憂, 魚雷報(bào)警得到了相當(dāng)?shù)闹匾? 隨著艦艇綜合聲納系統(tǒng)的發(fā)展, 魚雷報(bào)警功能已發(fā)展成為作戰(zhàn)系統(tǒng)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(fā)射到遠(yuǎn)離本艦的海域, 從而實(shí)施多層次的對抗, 因此水面艦艇對魚雷報(bào)警功能的要求與潛艇有明顯的差別。如果將魚雷報(bào)警功能納入其他聲納系統(tǒng)(如艦殼聲納、拖曳陣聲納)中, 而不提供一系列的魚雷報(bào)警和定位信息處理功能單元, 顯然不能滿足防御作戰(zhàn)的需要。因此, 研制專用的艦艇魚雷報(bào)警系統(tǒng)成為各國海軍水下防御的主要發(fā)展方向[1], 代表型號如法國已列裝的ALBATROS魚雷報(bào)警系統(tǒng), 俄羅斯的VIGNETTE-EM魚雷報(bào)警系統(tǒng)等。

1 魚雷報(bào)警系統(tǒng)戰(zhàn)技指標(biāo)要求

迄今為止, 大多數(shù)作戰(zhàn)艦艇上裝備有艦殼聲納和拖曳線列陣聲納, 其主要任務(wù)是進(jìn)行水下警戒, 完成水下目標(biāo)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(biāo)進(jìn)行分類和識別而已, 從設(shè)計(jì)到功能使用上并沒有全面關(guān)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(bào)警和定位能力。因此, 要求它們在完成反潛任務(wù)的同時兼顧魚雷報(bào)警任務(wù)是非常困難的。

魚雷相對于潛艇和水面艦船的目標(biāo)特性有很大不同, 魚雷體積小(幾米長), 攻擊具有突發(fā)性, 攻擊方式多樣, 實(shí)際攻擊的次數(shù)很少, 而且攻擊距離遠(yuǎn)(可在15 km以外的距離發(fā)射并線導(dǎo)逼近), 攻擊過程中航速很高(一般35 kn, 最高可高達(dá)50 kn, 軸速率比潛艇和水面艦船高近10倍), 接近目標(biāo)的時間較短。基于以上特性, 對艦艇來襲魚雷報(bào)警系統(tǒng)提出了以下更高的要求[2]。

1) 必須具有足夠遠(yuǎn)的作用距離, 并能實(shí)現(xiàn)快速報(bào)警, 以節(jié)省時間留給水聲干擾和誘騙等后續(xù)系統(tǒng);

2) 應(yīng)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(dǎo)系統(tǒng)發(fā)射的聲脈沖信號(20~40 kHz);

3) 應(yīng)具有優(yōu)異的Demon分析(調(diào)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(shù)等進(jìn)行快速估計(jì), 向控制臺提供有效的識別信息, 降低虛警率;

4) 應(yīng)具有360°水下空間監(jiān)視能力, 并可與其他聲納配合使用, 實(shí)現(xiàn)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(yīng)是幾乎不可能的, 因此要求報(bào)警系統(tǒng)具有相當(dāng)高的自動化程度, 以保證在操縱人員缺席時的自動報(bào)警, 達(dá)到警戒時域的持續(xù)性;

6) 由于當(dāng)魚雷來襲時艦艇沒有足夠的時間作出機(jī)動來消除盲區(qū), 而且艦艇防御機(jī)動時一般也需要知道魚雷攻擊方位, 因此, 要求報(bào)警系統(tǒng)避免在測定方位時出現(xiàn)左/右舷模糊或盲區(qū)(當(dāng)使用傳統(tǒng)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(zhàn)環(huán)境下免遭來襲魚雷的毀傷。

2 報(bào)警信息來源及信號特征

2.1 先驗(yàn)信息

以下情況可以認(rèn)為是魚雷來襲的先驗(yàn)信息: 發(fā)現(xiàn)敵方潛艇對我方跟蹤, 或估計(jì)敵方潛艇可能在某海區(qū)對我方進(jìn)行伏擊; 敵方水面艦艇或直升機(jī)聲納對我方潛艇進(jìn)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(fā)射魚雷, 應(yīng)估計(jì)到敵方潛艇向我方發(fā)射魚雷進(jìn)行反擊。

2.2 魚雷發(fā)射初始噪聲

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

潛艇發(fā)射魚雷的準(zhǔn)備中, 發(fā)射管前蓋的打開和高壓水泵的啟動等動作可產(chǎn)生瞬時噪聲, 并向海水中傳播; 魚雷出管時會產(chǎn)生較強(qiáng)的瞬態(tài)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(chǎn)生較強(qiáng)的瞬態(tài)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(jù)國外資料報(bào)道, 壓縮空氣爆發(fā)的沖擊力將魚雷從潛艇的發(fā)射管中推出, 其能量相當(dāng)高, 所產(chǎn)生的沖擊波在遠(yuǎn)達(dá)15 000yd的距離上就可被探測到。一般認(rèn)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(yuǎn)的距離上探測到魚雷的出管信號。

現(xiàn)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(diǎn)火啟動, 然后轉(zhuǎn)入高速航行狀態(tài), 這一過程也會產(chǎn)生很強(qiáng)的瞬態(tài)信號。因此, 魚雷報(bào)警系統(tǒng)具有瞬態(tài)信號檢測功能是提高其探測距離的關(guān)鍵技術(shù)。

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(jī)產(chǎn)生極槽噪聲; 雷尾推進(jìn)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(fā)動機(jī)和推進(jìn)器部件振動引起雷殼共振產(chǎn)生聲輻射, 頻帶介于排氣噪聲和推進(jìn)噪聲之間; 發(fā)動機(jī)燃燒及能供系統(tǒng)產(chǎn)生噴射噪聲; 燃料泵、注水泵產(chǎn)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(chǎn)生噪聲, 后者是由于渦流散射和結(jié)構(gòu)共振相疊合, 可產(chǎn)生很強(qiáng)的單頻噪聲。以上諸多輻射噪聲源中最值得重視的是推進(jìn)器和動力裝置的噪聲, 因?yàn)樗鼈兊念l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(diǎn)火頻率以及齒輪頻率等特征頻率, 有利于對其進(jìn)行識別報(bào)警。

2.4 魚雷主動聲自導(dǎo)信號

由于戰(zhàn)場環(huán)境的復(fù)雜性, 對艦艇實(shí)施魚雷攻擊的戰(zhàn)術(shù)變化多端, 一種情況是來襲魚雷在近距離上發(fā)射, 如潛艇伏擊戰(zhàn)術(shù), 直接以高速攻擊目標(biāo); 另一種情況是魚雷先從遠(yuǎn)距離以低速接近目標(biāo), 在近距離上轉(zhuǎn)為高速, 進(jìn)入自導(dǎo)工作方式。一般魚雷的主動自導(dǎo)距離在1~2 km, 發(fā)射的自導(dǎo)信號頻率為20~40kHz, 如果魚雷處于主動自導(dǎo)工作方式, 則魚雷的探測信號是非常明顯的。因此, 魚雷報(bào)警系統(tǒng)的聲納必須具有對魚雷主動自導(dǎo)信號的探測能力, 并且反應(yīng)時間應(yīng)小于30 s。

2.5 魚雷目標(biāo)信號分類

魚雷目標(biāo)分類技術(shù)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(yīng)比對目標(biāo)艦艇的分類正確率高, 據(jù)報(bào)道, 法國ALBATROS魚雷報(bào)警聲納的分類正確率達(dá)95 %; 二是由于魚雷的高航速, 它對目標(biāo)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(bào)警系統(tǒng)分類判決的速度要快, 俄羅斯海軍對魚雷目標(biāo)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(biāo)來衡量魚雷報(bào)警能力, 即正確率、虛警率和分類時間, 魚雷報(bào)警系統(tǒng)的要求是高正確率、低虛警率以及快速性。

由于魚雷報(bào)警的重要性, 現(xiàn)代艦艇的被動聲納和綜合聲納都具有魚雷報(bào)警功能, 但一般是將魚雷與其他目標(biāo)如戰(zhàn)艦(大型、小型)、商船、潛艇(常規(guī)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(biāo)分類的復(fù)雜性, 降低了目標(biāo)分類的正確率。

因此, 作為專用的魚雷報(bào)警系統(tǒng), 要實(shí)現(xiàn)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(bào)警系統(tǒng)的原理與設(shè)計(jì)

為了使任何工作環(huán)境下的魚雷報(bào)警均能有效(快速和可靠), 最佳辦法是采用專門的反魚雷報(bào)警系統(tǒng)(聲納系統(tǒng)), 較為典型的是具有獨(dú)特的能分辨左/右舷目標(biāo)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(bào)警系統(tǒng)組成示意圖

3.1 魚雷報(bào)警系統(tǒng)工作原理

從圖1可以看出, 報(bào)警聲納通過被動接收魚雷聲特征信息, 利用適當(dāng)?shù)男盘柼幚矶@取高置信度的魚雷報(bào)警數(shù)據(jù)。為了提高防御成功率, 必須及早發(fā)現(xiàn)魚雷攻擊, 并及時做出適當(dāng)而準(zhǔn)確的反應(yīng)(規(guī)避或?qū)嵤沟?, 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程魚雷報(bào)警是先決條件。為達(dá)到此目的, 通常把遠(yuǎn)程魚雷報(bào)警分為“預(yù)報(bào)警”和“識別報(bào)警”2個階段。在遠(yuǎn)程“預(yù)報(bào)警”階段, 為及時捕捉到魚雷發(fā)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(fā)早期瞬態(tài)信號, 必須借助于高靈敏度的水聽器和先進(jìn)的信號處理技術(shù), 這里會用到小波變換理論、高階譜和短時譜分析技術(shù)等, 并利用魚雷的上述突發(fā)特征與潛艇及海洋環(huán)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(tài)特征, 以完成魚雷的遠(yuǎn)程“預(yù)報(bào)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(yùn)動特征, 當(dāng)然還可利用魚雷主動聲自導(dǎo)信號, 通過時頻分析、運(yùn)動分析和音頻偵聽等方法進(jìn)一步對其進(jìn)行分類識別, 并給出定位信息, 完成“識別報(bào)警”。

3.2 聲納基陣設(shè)計(jì)

常規(guī)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(bào)警聲納系統(tǒng)需要采用特殊的基陣設(shè)計(jì), 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(guān)系到左/右舷分辨性能的關(guān)鍵技術(shù), 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?；究紤]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(jìn)行實(shí)時修正[5]。

3.3 高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

基陣信號的遠(yuǎn)距離傳輸是拖曳陣聲納所要解決的關(guān)鍵技術(shù)。早期拖曳陣聲納一般采用模擬信號傳輸, 但遠(yuǎn)距離模擬信號傳輸具有芯線數(shù)多、拖纜直徑和質(zhì)量大、信號衰減和畸變嚴(yán)重、信號間干擾較大等缺點(diǎn)。隨著微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展, 新型拖曳聲納系統(tǒng)采用數(shù)字傳輸方案成為必然的趨勢。一般數(shù)字傳輸有同軸電纜和光纖2種介質(zhì), 這2種介質(zhì)各有優(yōu)缺點(diǎn), 同軸電纜傳輸技術(shù)成熟, 但傳輸距離與數(shù)據(jù)率、電纜特性、驅(qū)動/接收器性能(包括編碼方式)等因素有關(guān), 對于較高數(shù)據(jù)率的信號傳輸, 一般利用多根同軸電纜來傳輸。光纖傳輸?shù)臄?shù)據(jù)率高、傳輸距離遠(yuǎn), 是數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的發(fā)展趨勢[6], 但技術(shù)較復(fù)雜, 尤其在水聲中應(yīng)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(zhuǎn)連接器等。國外拖曳陣聲納如果是數(shù)字傳輸, 一般采用的是光纖傳輸, 同軸電纜數(shù)字傳輸原理如圖2所示, 如果是光纖傳輸, 傳輸驅(qū)動和信號均衡分別為光驅(qū)動器和光接收器。

圖2 同軸電纜數(shù)字傳輸原理

若魚雷報(bào)警系統(tǒng)的聲通道數(shù)為96, A/D變換位數(shù)為16, 采樣頻率為25 kHz, 則數(shù)據(jù)率為96× 16×25 000=38.4 Mb/s, 再加上傳感器信號, 則數(shù)據(jù)率約為40 Mb/s。在保證極低誤碼率的前提下, 將40 Mb/s的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸技術(shù)是魚雷報(bào)警系統(tǒng)的一個關(guān)鍵技術(shù)。

3.4 信號處理

魚雷報(bào)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(bào)警系統(tǒng)的功能除常規(guī)拖曳陣的功能之外, 還必須具有左/右舷分辨、快速目標(biāo)運(yùn)動分析(Target Motion Analysis, TMA)等功能, 因此, 魚雷報(bào)警系統(tǒng)與常規(guī)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(bào)警系統(tǒng)的基陣是3個水聽器集束陣元, 在進(jìn)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(nèi)進(jìn)行頻域波束形成, 然后進(jìn)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(jīng)過復(fù)帶移、復(fù)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(biāo)跟蹤。利用分裂波束互譜法和選頻帶細(xì)化譜方法, 自動完成至少4個目標(biāo)的方位和頻率跟蹤。

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

5) 魚雷目標(biāo)左右舷分辨。在完成魚雷目標(biāo)分類后, 快速完成魚雷目標(biāo)的左右舷分辨。

6) 快速TMA。利用單個魚雷報(bào)警系統(tǒng)的聲納基陣, 在本艦機(jī)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(shí)時完成目標(biāo)運(yùn)動要素的估計(jì)。

4 結(jié)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(bào)警系統(tǒng), 希望魚雷的研發(fā)與使用人員了解水下防御的基本技術(shù)和流程, 旨在為提高復(fù)雜對抗條件下的魚雷作戰(zhàn)效能有所裨益。

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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(zhàn)使用及技術(shù)保障教學(xué)工作.

(責(zé)任編輯: 陳 曦)