路曉磊, 張洪欣, 張小波, 谷志珉, 劉祥宇

(1.國家海洋局北海海洋技術保障中心, 山東 青島 266033;2.哈爾濱工程大學水聲技術國防科技重點實驗室, 黑龍江 哈爾濱 150001)

水聲對抗系統(tǒng)干擾效果仿真研究*

路曉磊1,2, 張洪欣1, 張小波1, 谷志珉1, 劉祥宇1

(1.國家海洋局北海海洋技術保障中心, 山東 青島 266033;2.哈爾濱工程大學水聲技術國防科技重點實驗室, 黑龍江 哈爾濱 150001)

當前我國面臨的海洋維權形勢十分嚴峻,依法維護海洋權益的任務十分艱巨,迫切需要有效的海洋執(zhí)法裝備來提升海洋維權執(zhí)法能力。主要研究水聲對抗系統(tǒng)對偵聽聲吶實施干擾的效果,主要從有效干擾源級和有效干擾扇面兩個方面進行了仿真分析,并研究了不同水文條件對干擾效果的影響。

海洋權益; 水聲對抗; 低頻干擾

海洋權益是一個國家海洋權利和海洋利益的總稱,是國家的領土向海洋延伸而形成的一些權益,主要包括政治利益、經(jīng)濟利益和安全利益[1]。海洋權益對國家安全和國家利益具有深刻的意義,依法維護海洋權益已經(jīng)成為影響未來我國發(fā)展的重要任務。日益變化的國際政治經(jīng)濟形勢使我國海洋維權斗爭日趨復雜,依法維護海洋權益的任務十分艱巨,迫切需要有效的海洋執(zhí)法裝備來提升海洋維權執(zhí)法能力。

近年來,美、俄、日、韓等國的調(diào)查船和監(jiān)視船頻繁在我國專屬經(jīng)濟區(qū)內(nèi)活動,這些船只利用各種海洋水下環(huán)境和聲學探測設備對我國管轄海域實施大面積綜合調(diào)查和監(jiān)視,非法進行海洋環(huán)境測量、情報偵察等活動,搜集我國周邊海域海洋環(huán)境資料和相關軍事信息。美國海軍測量船多次進入我國專屬經(jīng)濟區(qū)內(nèi)進行非法調(diào)查,但由于美國未加入《聯(lián)合國海洋法公約》,不承認調(diào)查區(qū)域位于中國專屬經(jīng)濟區(qū),對中國執(zhí)法船的海上維權執(zhí)法置之不理,嚴重侵犯我國海洋權益;俄羅斯調(diào)查船也經(jīng)常出現(xiàn)在我國專屬經(jīng)濟區(qū)內(nèi)進行非法偵察活動;日本和韓國在我國專屬經(jīng)濟區(qū)內(nèi)經(jīng)常發(fā)出挑釁性行為[2-3]。

面對國外偵察船在我國海域的種種非法活動,我國的海上執(zhí)法隊伍缺乏有效的技術手段,往往只能通過喊話、拍照、跟蹤等方法進行監(jiān)視,無法有效地體現(xiàn)管轄能力,某些現(xiàn)場執(zhí)法的效果不甚明顯。因此,有必要將水聲對抗技術應用到海洋維權執(zhí)法中,運用水聲對抗裝備以“軟殺傷”的方式干擾國外偵察船的監(jiān)聽設備正常工作,保護我國管轄海域的海洋環(huán)境資料和軍事信息安全。本文主要研究水聲對抗系統(tǒng)對敵方監(jiān)聽聲吶實施干擾的效果,主要從有效干擾源級和有效干擾扇面兩個方面進行仿真分析,由此對實戰(zhàn)中如何進行干擾給出相應的建議。

1 水聲對抗系統(tǒng)概述

水聲對抗系統(tǒng)是指對敵方水聲探測設備和水聲制導武器進行干擾和破壞,使敵方探測設備和水聲制導武器效能降低或徹底失效的軟件和硬件的總稱[4-5]。水聲對抗裝備主要包括噪聲干擾器、氣幕彈、拖曳式聲誘餌、魚雷攔截彈、魚雷攔截網(wǎng)等,本文主要應用的是噪聲干擾器。水聲對抗系統(tǒng)和水聲對抗戰(zhàn)法的應用始于第二次世界大戰(zhàn)期間,最早使用的是裝備是氣幕彈,后來逐漸研制出其他不同種類的水聲對抗設備。目前在水聲對抗領域技術領先的國家主要有美國、英國、法國、俄羅斯、意大利、日本、以色列等,隨著海洋越來越受到各國的重視,這些國家都在不斷進一步研究水聲對抗技術并開展水聲對抗計劃,如美國的SDW計劃、SSTD計劃,英國的“護身符”技術、法國的“斯巴達克斯”計劃等[6-7]。由于技術封鎖,能夠查到的資料有限,但是國外的水聲對抗技術研究已涉及水聲、通訊、電子、計算機、光纖等多個學科,而國內(nèi)在這方面的研究較國際水平還有很大的差距,目前哈爾濱工程大學、中科院聲學所、西北工業(yè)大學和中船重工715所等單位在此領域較為領先,只有不斷地研究、應用和跟蹤有關學科的高新技術,才能使水聲對抗技術取得更好更快的發(fā)展。

2 干擾效果仿真

美國的“勝利級”水聲監(jiān)聽船自2007年6月以來,頻繁在我國專屬經(jīng)濟區(qū)活動,一年半時間里就發(fā)現(xiàn)了17次。該船通常以3 kn左右速度航行,在距我國港口280km附近海域往復走航拖曳作業(yè),航行方向與我方艦艇出航區(qū)域基本成正交狀態(tài),該艦的主要監(jiān)聽設備為先進的拖曳線列陣聲吶,且為雙拖,雙拖陣用于分辨左右,即目標究竟在陣的哪一個舷側。假設拖纜全長約1.6km,拖曳陣基陣長約637.5m,拖曳深度因海況不同而異,最大深度為450m,拖曳陣示意圖如圖1所示。其主要目的是偵察我方艦艇的出港時間及航向,并且采集艦艇的輻射噪聲數(shù)據(jù),以建立相應數(shù)據(jù)庫,為其今后進行聲吶的目標檢測和識別提供支持。

圖1 拖曳陣示意圖

為隱蔽我方艦艇的行蹤,防止輻射噪聲數(shù)據(jù)被對方采集,最直接的手段就是在執(zhí)法船上配備水聲對抗系統(tǒng)作為干擾源,對對方的拖曳陣實施干擾,降低拖曳陣聲吶的接收信號信噪比,使其無法有效監(jiān)測到港口目標,甚至只能監(jiān)測到干擾源。水聲對抗系統(tǒng)的結構框圖如圖2所示。

圖2 水聲對抗系統(tǒng)結構框圖

拖曳線列陣聲吶在如此遠的距離上進行偵察,只能利用艦艇或潛艇低頻端的輻射噪聲,尤其是共振線譜。幾種艦船的在低頻端的典型聲源級一般在130dB～160dB之間[8],并且這些數(shù)據(jù)取于“二戰(zhàn)”時的文獻,戰(zhàn)后由于反潛戰(zhàn)的發(fā)展,以及艦船噪聲抑制日益受到重視,在艦船設計和施工建造中采取了很多降噪措施,艦船輻射噪聲譜級水平普遍降低,平均在130dB以下。假設港口目標的艦船輻射噪聲聲源級為SL1=135dB,偵察艦距離港口約280km,作為干擾手段,利用水聲對抗系統(tǒng)發(fā)射大功率的低頻寬帶噪聲對拖曳陣進行干擾,干擾源的聲源級為SL2=165dB,對準拖曳線列陣的正橫方向,偵察艦、干擾艦、港口目標的幾何姿態(tài)如圖3所示。

圖3 幾何姿態(tài)圖

在距離r處,典型淺海聲傳播損失的估算公式為[8]

TL=15lgr

(1)

其中，r的單位為米。可以得到,港口目標到拖曳陣的傳播損失TL1=81dB,由于環(huán)境噪聲對于港口目標和干擾源相同,因此仿真時可忽略環(huán)境噪聲的影響。港口目標輻射噪聲到達拖曳陣的聲級為SL1-TL1=135-81=54dB,根據(jù)干擾的有效準則,當拖曳陣波束形成器輸出端信噪比小于-6dB時,拖曳陣無法有效采集到目標的信號,僅能探測到干擾信號,即要求干擾信號到達拖曳陣的聲級大于60dB,這除了與系統(tǒng)本身的發(fā)射聲源級有關外,還與干擾距離有關。

由于拖曳線列陣聲吶是一個全方位的多波束系統(tǒng),只能在一定范圍內(nèi)對其進行干擾,無法做到全景干擾,因此要求水聲對抗系統(tǒng)要有一個足夠大小的干擾扇面,這除了取決于系統(tǒng)的干擾源級外,還取決于多途角擴展的大小。下面仿真干擾船與偵察船在不同距離時,在滿足有效干擾源級要求下水聲對抗系統(tǒng)能夠覆蓋的有效干擾扇面。

仿真中使用的信道軟件為206聲吶作用距離預報系統(tǒng),仿真軟件為Matlab,仿真條件:均勻聲速1500m/s條件下,干擾源與拖曳陣位于同一深度,港口目標輻射聲源級135dB,干擾源聲源級165dB,發(fā)射信號頻率為1kHz,分別仿真干擾距離為2km、10km、20km、40km、80km、280km六種情況時的干擾扇面,仿真結果如圖4所示。由于仿真所用的信道軟件的動態(tài)范圍為40dB,從圖中可以估算出系統(tǒng)的有效干擾扇面即當聲線聲級為60dB時對應的角度,估算結果如表1所示。

圖4 不同距離下多途角擴展情況

表1 不同距離下干擾扇面及干擾長度

從表中可以看出,干擾距離越大,有效干擾扇面越小,當距離達到80km～280km時,只有直達聲能夠到達拖曳陣。因此,在一定范圍內(nèi),干擾源與拖曳陣之間的距離越遠,干擾效果越弱,港口目標越容易被敵方偵察船監(jiān)測到。所以,建議干擾距離為2km～10km最佳。

下面仿真躍變層聲速水文條件下的干擾效果。假設干擾距離為10km,干擾源與拖曳陣所處深度分別為30m/30m、30m/70m、70m/30m、70m/70m四種情況,均勻聲速1500m/s,港口目標輻射聲源級135dB,干擾源聲源級165dB,發(fā)射信號頻率為1kHz,仿真結果如圖5所示。

圖5 躍變層水文條件下多途角擴展情況

從結果可以看出,當干擾源和拖曳陣位于同一深度時,聲線的傳播與均勻聲速水文條件時相似,聲線的聲級和掠射角與均勻聲速時基本相同。當干擾源位于30m拖曳陣位于70m時,由于聲線在傳播過程中嚴重彎折,強度減弱,在±10°范圍內(nèi)基本沒有聲線到達,干擾效果不理想。當干擾源位于70m拖曳陣位于30m時,與均勻聲速相比,聲線強度明顯減弱,干擾扇面也有所減小。因此,在實際干擾過程中,若水文條件為躍變層,應適當減小干擾距離以保證干擾效果。

3 結束語

綜述所述,為保證干擾的有效實施,系統(tǒng)發(fā)射聲源級一般要求在160dB以上,原則上越大越好。在實戰(zhàn)中,應結合干擾船機動性要求、港口艦船活動范圍等因素,并根據(jù)實測水文,適當減小干擾距離上限,干擾距離一般為2km～10km,并根據(jù)實際情況進行調(diào)整。干擾效果對水文條件的改變比較敏感,一般而言,均勻聲速水文條件干擾效果最佳,正梯度水文條件次之,負梯度水文條件再次之,躍變層水文條件下干擾效果最差。此外,在干擾信號的選擇上,一般使用低頻寬帶信號或CW信號,其中寬帶信號的干擾波束覆蓋港口目標的能力普遍強于CW信號。

[1] 辛圓,黃碩琳. 中韓海洋權益問題研究[J].上海海洋大學學報,2013,22(3): 419-424.

[2] 姜麗麗. 論中國海洋維權執(zhí)法[D].青島:中國海洋大學,2006.

[3] 朱心科,金翔龍,陶春輝,等. 海洋探測技術與裝備發(fā)展探討[J].機器人,2013,35(3): 376-384.

[4] 董陽澤,錢存健,劉平香. 網(wǎng)絡化水聲對抗研究初步(Ⅰ)——概念和關鍵技術[J].艦船科學技術,2006,28(5): 48-51.

[5] 吳開明,吳立新,任云,等. 水聲對抗仿真及其海洋環(huán)境平臺綜述[J].艦船科學技術,2008,30(6): 152-154，165.

[6] 杲玉芳. 國外水聲對抗技術和設備[J].鹽城工學院學報(自然科學版), 2003, 16(2): 67-69.

[7] 施丹華. 水聲對抗技術發(fā)展及其概念拓展[J].艦船電子工程,2006,26(4): 1-3.

[8] 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,1989.

Simulation Research of Underwater Acoustic Countermeasure System Interference Effect

LU Xiao-lei1,2, ZHANG Hong-xin1, ZHANG Xiao-bo1, GU Zhi-min1, LIU Xiang-yu1

(1. North China Sea Marine Technical Support Center of the State Oceanic Administration, Qingdao 266033; 2. National Laboratory of Underwater Acoustic Technology, Harbin Engineering University, Harbin 150001)

At present the marine rights situation our country faces is very grim. Safeguard marine rights and interests according to law is a very difficult task. Effective marine law enforcement equipment to improve law enforcement capacity is urgent needed. The paper mainly research the interference effect of underwater acoustic countermeasure system. The simulation analysis from two aspects of effective interference source and effective jamming sector, and studied the effects of different hydrological conditions on interference effect.

marine rights and interests; underwater acoustic countermeasure; low-frequency interference

1673-3819(2017)06-0096-03

U666.7；E935

A

10.3969/j.issn.1673-3819.2017.06.020

2017-05-29

2017-08-19

山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災減災重點實驗室基金資助項目(201506)

路曉磊(1986-)，男，山東招遠人，碩士，工程師，研究方向為水聲信號處理和海底探測技術。張洪欣(1978-)，男，教授級高級工程師。張小波(1978-)，男，高級工程師。谷志珉(1981-)，男，高級工程師。劉祥宇(1989-)，男，助理工程師。