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(biāo)。試驗靶標(biāo)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(dǎo)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(biāo)等諸多實際問題，應(yīng)研究一種實際試驗前靶標(biāo)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(biāo)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(biāo)對抗主動聲自導(dǎo)魚雷試驗效能，可在一定程度上解決上述問題。

1 靶標(biāo)干擾原理

某型試驗靶標(biāo)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(biāo)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(biāo)規(guī)避機動［1］。試驗靶標(biāo)模擬噪聲干擾器，其頻率覆蓋魚雷聲自導(dǎo)系統(tǒng)接收頻帶，以功率掩蓋目標(biāo)回波，提高魚雷接收端的背景噪聲，使魚雷自導(dǎo)系統(tǒng)無法檢測到被攻擊目標(biāo)的存在，為被攻擊目標(biāo)擺脫魚雷跟蹤創(chuàng)造逃逸的有利時機。試驗靶標(biāo)對抗聲自導(dǎo)魚雷，是在已知魚雷的自導(dǎo)范圍和距離條件下，研究試驗靶標(biāo)作為噪聲干擾器干擾聲自導(dǎo)魚雷的效能。

圖1 靶標(biāo)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(biāo)建模

試驗靶標(biāo)工作在噪聲干擾器模式下，其對抗相關(guān)數(shù)學(xué)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(biāo)靶作為噪聲干擾器在魚雷處的干擾噪聲級;SLG為標(biāo)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(biāo) (潛艇)的目標(biāo)強度;TL為魚雷至目標(biāo)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(dāng)噪聲干擾器沒有工作或者處于魚雷自導(dǎo)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(dāng)干擾器工作且處于魚雷自導(dǎo)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(dǎo)魚雷攻擊目標(biāo)為某潛艇，水聲對抗試驗需考慮目標(biāo)強度和魚雷本身的航行自噪聲。

1)潛艇目標(biāo)強度

潛艇目標(biāo)強度與聲波入射艇舷角有關(guān)，潛艇正橫的目標(biāo)強度在魚雷聲自導(dǎo)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(biāo)強度值的不同，不同聲波入射舷角的潛艇目標(biāo)強度計算式為［1］

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

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

魚雷自導(dǎo)探測距離平均縮減量可表示為

魚雷自導(dǎo)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(biāo)干擾時魚雷聲吶作用距離;ri2為有靶標(biāo)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(biāo)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(dǎo)時，接收機可從1 500 m處檢測到8 dB的目標(biāo)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(dǎo)方程，試驗靶標(biāo)作為噪聲干擾器對抗主動聲自導(dǎo)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(biāo)在無靶標(biāo)干擾器工作條件下，假定其自導(dǎo)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)最大距離為

若在靶標(biāo)干擾器工作條件下，假定其自導(dǎo)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)最大距離為

假定被測目標(biāo)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(biāo)干擾器與魚雷探測目標(biāo)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(biāo)，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(biāo)的工作條件，主要計算仿真了1～5級海況下，有無靶標(biāo)作為噪聲干擾器的魚雷聲自導(dǎo)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(biāo)作為噪聲干擾器干擾時，主動自導(dǎo)探測距離與海況等級的關(guān)系;曲線2表示受到靶標(biāo)作為噪聲干擾器干擾時，主動自導(dǎo)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(dǎo)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(biāo)入射角為60°，靶標(biāo)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(dǎo)距離變化Fig.2 Active acoustic homing distance change with different sea status

假設(shè)被測目標(biāo)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(biāo)對靶標(biāo)作為噪聲干擾器對抗聲自導(dǎo)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(biāo)作為噪聲干擾器的魚雷聲自導(dǎo)作用距離及作用距離之差。

圖3 不同魚雷航深下自導(dǎo)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(biāo)入射角為60°，靶標(biāo)作為干擾器的噪聲譜級為NLG=160 dB。假設(shè)被測目標(biāo)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(biāo)干擾器譜級在140～180 dB之間，有無靶標(biāo)作為噪聲干擾器的魚雷聲自導(dǎo)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(biāo)入射角為60°，魚雷航深為40 m。

假設(shè)被測目標(biāo)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(biāo)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(biāo)噪聲譜級作用自導(dǎo)距離變化Fig.4 Active acoustic homing distance change with different target noise spectrum

表3 不同靶標(biāo)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(dǎo)探測目標(biāo) (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(dǎo)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(dǎo)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(biāo)作為噪聲干擾器，在不同條件下對魚雷主動聲自導(dǎo)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(biāo)對抗魚雷的噪聲譜級的變化，導(dǎo)致Δr與λ也隨之變化，隨著靶標(biāo)噪聲能級的增大，Δr與λ不斷增大。

5 結(jié)語

以試驗靶標(biāo)作為噪聲干擾器，對主動聲自導(dǎo)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(dǎo)魚雷各對抗要素數(shù)學(xué)模型。借鑒魚雷作戰(zhàn)效能指標(biāo)，確立了試驗對抗效能仿真評價指標(biāo)，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(biāo)作為干擾器使用方法得當(dāng)，能夠顯著降低魚雷的主動自導(dǎo)作用距離，為魚雷武器的水聲對抗試驗提供參考和支持。

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