何超 丁烽 胡鵬

（第七一五研究所，杭州，310012）

隨著各國海軍裝備的不斷發(fā)展，潛艇的輻射噪聲已經(jīng)越來越小，被動聲吶的探測距離因此縮短，主動探潛的重要性凸現(xiàn)。各國都把注意力集中在如何提高主動聲吶的探測范圍和探測效率，雙（多）基地聲吶逐漸被各國所重視。多基地聲吶綜合了主、被動聲吶的優(yōu)勢，針對戰(zhàn)場態(tài)勢復雜多樣化，對抗、反對抗異常激烈的現(xiàn)代戰(zhàn)爭，具有作用距離遠、隱蔽性好、探測效率高、定位精度高等特點，所以近年來國內(nèi)外對編隊協(xié)同探測的研究越來越多。編隊協(xié)同探測效能分析是衡量編隊探測性能的有效方法，國內(nèi)很多編隊協(xié)同探測效能分析的研究都從探測面積、探測實效等角度進行的，沒有結(jié)合具體的聲吶參數(shù)等信息，使得分析結(jié)果與真實的情況差距較大，而本文建立更真實的仿真模型，從檢測概率的角度提出一種新的效能分析方法。

1 雙基地聲吶探測范圍

其中：SL為聲源級，TS為目標強度，NL為海洋環(huán)境噪聲級，DI為接收指向性指數(shù)，DT為檢測閾，TTL為聲波從發(fā)射基地到目標處的傳播損失，

雙基地聲吶的聲吶方程[1]定義為：TLR為聲波從目標到接收基地的傳播損失。

圖1 雙基地聲吶示意圖

通過雙基地聲吶的聲吶方程我們可以得到雙基地聲吶的優(yōu)質(zhì)因數(shù)Q為：

通過雙基地聲吶方程可以推導得到雙基地聲吶的回聲信號級等值線為以收、發(fā)基地為交點的卡西尼卵形線，本文不做推導。

2 編隊協(xié)同探測建模

首先建立仿真模型，如圖2所示。中心艦周圍有四個節(jié)點平臺，五個平臺構(gòu)成多基地模型的基本單元。按照實際聲吶工作情況，模擬聲吶的工作參數(shù)。假設編隊中四個節(jié)點平臺安裝有同型聲吶，其工作參數(shù)假設為：單平臺作用距離R=40 km，全方位無盲區(qū)。模型中，平臺間距設為1.5R即60 km（1.5R為雙基地的卡西尼卵形線未發(fā)生扭曲的最大間距），以中心艦為坐標原點建立直角坐標系，可得坐標（0 km，0 km），四個節(jié)點平臺坐標分別為（30 km，30 km）、（-30 km，30 km）、（-30 km，-30 km）、（30 km、-30 km），編隊探測模型的建立基于第一部分雙基地聲吶探測范圍的分析。

圖2 編隊探測模型示意圖

通過建模，模擬艦船編隊作戰(zhàn)的情況，在單平臺獨立工作情況下（見圖3），每個艦船聲吶的作用范圍都是以本艦為中心的一個圓域，由于同頻干擾的嚴重影響，所以目前編隊一般采用分時或分頻模式工作。

在分時模式中，編隊在同一時間只能有一個平臺的聲吶在工作，整個編隊的探測范圍也因此局限在一個很小的范圍內(nèi)，這樣的工作模式下，不僅探測范圍小，而且效率低，難以適應真正的作戰(zhàn)環(huán)境。

在分頻模式中，每個平臺的聲吶工作頻率在一定的帶寬內(nèi)分配，如果平臺數(shù)增大，每個平臺所分配的帶寬就會減小，帶寬減小會影響聲吶的實際工作性能，從而使探測范圍降低。

在編隊協(xié)同工作時，一個平臺的聲吶工作，其他的平臺也作接收，這樣不僅單位時間內(nèi)探測覆蓋面積擴大近1倍之多（如圖4），探測效率也是明顯的提升，對于目標的信息量會成倍的增加。

圖3 單平臺獨立工作探測范圍

圖4 編隊協(xié)同工作探測范圍

圖3和圖4分別顯示了兩種工作模式下全方位掃描一個周期所覆蓋的范圍，從圖中可以清晰地看到編隊協(xié)同探測在一個掃描周期內(nèi)，探測范圍有明顯的增加，通過計算得到，相同聲吶在協(xié)同模式下探測覆蓋范圍接近單平臺聲吶單獨工作探測覆蓋范圍的2倍（圖4是圖3的覆蓋面積的2倍），所以探測效率也提高近2倍。

3 仿真分析

3.1 目標的檢測概率

為簡化模型，仿真中我們認為在聲吶作用范圍內(nèi)，單次掃描的概率均為 0.5，但實際情況中，目標的單次檢測概率與信噪比有關。目標的檢測概率定義為[2-3]：

信噪比SNR是由信號余量和檢測閾的和決定的。這里，我們選擇檢測閾 10DT= ，信號余量是由發(fā)射基地、接收基地、目標的位置信息、海洋環(huán)境噪聲級、接收指向性指數(shù)決定的，即：

這里我們假設聲吶的作用距離受海洋環(huán)境噪聲影響，暫不考慮受混響影響的情況。

3.2 目標的發(fā)現(xiàn)概率

在進行目標探測時，發(fā)現(xiàn)目標的概率綜合的反映了聲吶系統(tǒng)的探測效率，在實際的探測過程中，每一個掃描周期都有一個發(fā)現(xiàn)概率，想要真實反映探測效率一般需要多次測量，這里我們認為多次測量得到的累積發(fā)現(xiàn)概率為目標的發(fā)現(xiàn)概率。在雷達、聲吶系統(tǒng)中計算發(fā)現(xiàn)概率的方法有很多，考慮聲吶系統(tǒng)工作的實際情況，我們采用與實際過程更為接近的探測方式-雙亮點模型。

在n次探測中，至少連續(xù)兩次探測到目標，才算發(fā)現(xiàn)目標，如果第二次沒有發(fā)現(xiàn)目標，則忘記目標，所以第i次探測發(fā)現(xiàn)目標的概率為：

其中，P1-i為第 1-i次發(fā)現(xiàn)目標的單次概率；iP為第i次發(fā)現(xiàn)目標的單次概率。則累積發(fā)現(xiàn)概率為：

圖5和圖6中，分別顯示了目標沿徑向運動靠近坐標原點時，單平臺獨立工作和編隊協(xié)同工作的目標發(fā)現(xiàn)概率。從圖中可以看到，多基地協(xié)同探測下，發(fā)現(xiàn)目標的概率要大大高于平臺獨立工作，鑒于仿真模型的限制，實際情況下的真實發(fā)現(xiàn)概率要低于仿真計算的值。

圖5 單平臺獨立工作發(fā)現(xiàn)概率

圖6 編隊協(xié)同工作發(fā)現(xiàn)概率

4 結(jié)論

本文通過模擬真實的編隊隊形來分析編隊協(xié)同探測的效能，可以看到編隊在協(xié)同探測情況下探測覆蓋范圍接近單平臺單獨工作探測覆蓋范圍的 2倍，當目標從不同角度沿徑向靠近中心時，目標的發(fā)現(xiàn)概率也有較大的提高，發(fā)現(xiàn)概率的計算需要用到聲吶的工作參數(shù)、海洋環(huán)境等信息，模型更接近編隊的真實工作情況，所以用發(fā)現(xiàn)概率來衡量編隊探測的性能是綜合評估編隊探測效能的一種有效的方法，具有一定得應用價值。

[1] 劉伯勝，雷家煜. 水聲學原理[M]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2006.

[2] OZGUR ERDINC, PETER WILLETT. Multistatic sensor placement: a tracking approach. information fusion[C]. ICIF'06. 9th International Conference,2006.

[3] STEFANO CORALUPPI, PETER WILLETT. Analysis of scan and batch processing approaches to static fusion in sensor networks[C].Signal and Data Processing of Small Targets,2008.