曲 豐, 吳 磊, 楊國華

(解放軍91388部隊92分隊, 廣東 湛江 524022)

魚雷是由攜載作戰(zhàn)的平臺在發(fā)現(xiàn)目標后發(fā)射入水,在受控狀態(tài)下自動航行,用以攻擊水面或水下目標的水中兵器,是海軍的主戰(zhàn)武器,被譽為“水下導彈”。因而受到世界各國的高度關注[1]。各個國家無不重視和強化對武器裝備作戰(zhàn)使用方法的研究,對魚雷等武器的重視程度更高,經(jīng)濟投入更大,尤其是對于聲自導魚雷的使用[2]。主動聲自導魚雷捕獲目標的準則是自導裝置周期性的發(fā)射聲信號,當接收目標反射回來的聲信號能量值超過門限值時,魚雷捕獲目標。在現(xiàn)代的海戰(zhàn)中,線導魚雷是潛艇攻擊遠距離水面艦船的主要武器之一。聲自導魚雷能否有效捕獲目標受多種因素的影響,有必要對影響捕獲目標概率的因素進行研究。本文從魚雷自導自身性能、外部海洋環(huán)境對魚雷自導的影響等方面對影響聲自導魚雷捕獲概率的具體因素進行分析。

1 主動聲自導工作原理

發(fā)射機通過聲學基陣周期地向海水中發(fā)射某種形式的聲波,如果發(fā)射的聲波信號在水聲信道傳播遇到目標時,一部分能量被反射回來,接收機接收這個能量信號,對它進行AD轉換、數(shù)字頻率分集、正交解調(diào)、波束形成、信號檢測、綜合判別等一系列處理后[2],識別并鎖定目標。主動聲自導工作原理如圖1所示。

主動聲自導工作時,有以下兩種背景干擾噪聲:

1)當背景干擾主要為背景噪聲干擾NL時,主動聲納方程可表示為[3]

SL-2TL+TS-(NL-DI)=DT

(1)

2)當背景干擾主要為海洋混響干擾時,主動聲納方程可表示為

SL-2TL+TS-RL=DT

(2)

式中，SL為發(fā)射聲源級(dB);TL為傳播損失(dB);TS為目標強度(dB);NL為背景噪聲級(dB);DI為接收指向性指數(shù)(dB);DT為檢測閾(dB);RL為海洋混響級(dB)。

對于主動聲自導工作方式下的魚雷來說,DT、SL、DI為給定值,通過對海洋環(huán)境、目標特性進行測量、分析、研究得出TL、NL、RL、TS后,即可較為準確地對主動聲自導工作方式下的魚雷自導作用距離進行預報。

2 復雜水聲環(huán)境對魚雷聲自導的影響

從魚雷主動聲自導工作原理和聲信號在海水中傳播特性可以看出,影響主動聲自導性能的環(huán)境因素主要有:聲傳播特性、海洋環(huán)境噪聲、海洋混響等。聲傳播特性,包括傳播損失、界面反射、聲線彎曲等,主要受海水中聲速垂直分布不均勻、聲吸收、海面、海底、海深等因素。海洋環(huán)境噪聲、海洋混響以及界面反射對魚雷主動聲自導的影響。

2.1 聲傳播特性

水聲信道的聲傳播特性由海深、海面起伏、海底地質、聲速梯度等多種因素綜合形成。其中聲速梯度對于魚雷主動聲自導信號的傳播影響最大。聲速在海水分布在垂直方向呈梯度變化,其變化規(guī)律受季節(jié)、緯度等因素的影響。海水聲速分布的不均勻性會導致聲線彎曲,直接影響魚雷自導距離的大小[4]。

實際測量表明,近海面水層的聲速甚至在2h內(nèi)就有大約1‰的變化。溫度和含鹽度在水平方向無明顯變化,在深度方向接近于分層變化,而壓力僅隨深度線性變化,所以海水聲速可近似認為是在深度方向上變化的。

魚雷在實際的作戰(zhàn)使用和試驗中,影響自導性能的主要因素是海區(qū)的垂直聲速分布規(guī)律。垂直聲速分布雖然與地理位置、季節(jié)以及一天中不同的時段、溫度密切相關,海區(qū)的垂直聲速分布可以歸納為八大類型。對應的垂直聲速分布如圖2所示。

聲速測量從海面到海底(或一定深度)每隔1m～10m測量一個點。

相對聲速梯度計算公式為

(3)

式中,α為相對聲速梯度,單位為1/m;c0是ΔH上水層的聲波傳播速度,單位為m/s;ΔH為c、c0所在水層深度差,單位為m。

對于水聲條件通常用相對聲速梯度來描述聲速條件的優(yōu)劣。通常根據(jù)相對聲速梯度α分為三級:

1)良好水聲條件:等聲速層或弱負梯度,α約為 0～-1×10-4(1/m);

2)中等水聲條件:中等負梯度,α約為-1×10-4～-1×10-3(1/m);

3)惡劣水聲條件:強負梯度,α約為<-1×10-3(1/m)。

2.2 海洋環(huán)境噪聲

背景噪聲是限制魚雷主動聲自導性能的主要因素之一,其中背景噪聲中的魚雷航行自噪聲在魚雷設計生成后已經(jīng)確定,因此這里我們主要介紹海洋環(huán)境噪聲。在利用主動聲吶方程對魚雷自導作用距離進行估計的過程中,要求對參數(shù)NL進行估計,因此需要充分掌握作戰(zhàn)海區(qū)海洋環(huán)境噪聲的時空統(tǒng)計特性,以便更好地對主動聲自導性能做出預報,為作戰(zhàn)使用給出戰(zhàn)術指導。而海洋環(huán)境的具體噪聲大小可以通過實測數(shù)據(jù)確定。還可借助經(jīng)驗公式測算[5]。例如,對于淺海,有一種計算噪聲譜級的公式為

NL=55-17·lg(f)+6S

(4)

式中,f為噪聲頻率(kHz);S為海況等級(S=1,2,…,9)。

2.3 海洋混響

所謂混響,是指發(fā)射信號所引起的各種散射又被發(fā)射點附近接收的所有散射波的總和。海洋混響分為體積混響、海面混響和海底混響等三種類型。在深海中,離海面、海底較遠,則主要混響是體積混響。在淺海中,混響主要是界面混響。另外,不同水文條件時,各種混響的作用也不同。例如,正聲速梯度分布時,由于聲線往上彎曲,所以發(fā)射聲脈沖后,緊跟的體積混響,隨后就有海面混響到達。

1)體積混響

體積混響級RLV有以下公式計算為

RLV=SL-2·TL+Sv+10·lgV

(5)

TL=20·lgr-β·r·10-3

(6)

(7)

式中,RLV為體積混響(dB),SV為體積混響強度(dB),V形成混響的總體積(m3),c為聲速(m/s),τ為發(fā)射脈沖寬度,r為距離(m),Ω為發(fā)射器-接收器組合的等效合成波束寬(°),β為衰減系數(shù)。

2)海面混響

海面混響級可用下式表示:

RLS=SL-2·TL+SS+10·lgA

(8)

(9)

式中,RLs為海面混響(dB),Ss為海面散射強度(dB),A為產(chǎn)生海面混響的散射面積(等效混響面積)(m2),ρ為等效合成束寬(°)。

海面散射強度Ss一般強度范圍在-30dB～-50dB左右。也可用下面的經(jīng)驗公式估算:

(10)

(11)

式中,θ為掠射角(°),v為風速(kn),f為頻率(Hz)。

魚雷自導發(fā)射頻率是設計確定的,掠射角取決于魚雷俯仰角控制。海況對魚雷自導信號檢測的影響是存在的,在高海況條件下,海面混響干擾會更嚴重,某型魚雷在淺海試驗中,曾因強海面混響干擾,引起魚雷自導接收跟蹤非目標信號。當設定魚雷搜索深度為最小值時或接近最小值時,海面混響是主要的,相對于與較大搜索深度來說,此海面混響對自導性能的影響是更為嚴重。在實際作戰(zhàn)使用中,魚雷搜索深度設定為較小值的情況是可能的,根據(jù)海上試驗實測的水聲情況來看,通常在30m-50m范圍存在一個水聲躍變層,攻擊潛望潛艇時,魚雷設定深度必須在水聲躍變深度以上,魚雷和目標潛艇處于水聲躍變層的同側,才有利于魚雷搜索目標。

3)海底混響

海底混響級可用下式表示:

RLB=SL-2·TL+SB+10·lgA

(12)

式中,RLB為海底混響級,SB為海底散射強度,A為混響面積。

海底散射強度SB和掠射角有關,同時與海底類型關系很大。一般情況下,巖石底類海底的SB大,砂底次之,淤泥底最小。通?？捎孟率焦浪?

SB=27+10·log(sin2θ)

(13)

式中,θ為掠射角(°),掠射角取決于魚雷俯仰角控制。

3 自導作用距離對魚雷捕獲概率的影響

魚雷聲自導裝置的作用范圍是一個扇面,當魚雷的自導扇面覆蓋目標時,魚雷捕獲目標。有利提前角是魚雷射擊的重要參數(shù)之一,當射擊條件一定時,魚雷捕獲概率就是魚雷射擊提前角的函數(shù),捕獲概率最大時對應的射擊提前角為有利提前角。

如圖3所示。圖中vy為魚雷航速,vm為目標航速,D為魚雷與目標艦船的距離,qm為目標舷角,λ為魚雷自導扇面角度的一半,φ有為有利提前角。

有利提前角φ有計算過程如下:

K=2sinλ/3λ

(14)

φ=arctan(KmRcsinqm/(D+KmLcosqm))

(15)

φ有=arcsin(qm-φ))-φ

(16)

根據(jù)上述公式,自導作用距離是有利提前角函數(shù)的變量,特別是在射距較小時,自導作用距離變化越大,有利提前角變化也越大。自導作用距離的大小與作戰(zhàn)使用時射擊提前角密切相關,其指標值的大小應與魚雷實際發(fā)現(xiàn)目標的距離盡可能一致,用此參數(shù)解算有利射擊提前角才具有實戰(zhàn)意義,可達到最佳或較佳的捕獲概率,反之,如果兩者差異較大,則降低捕獲概率。因此,如何確定自導作用距離指標,使其與魚雷捕獲目標距離盡可能一致,并加強自導作用距離預報,對提高魚雷有利提前角的準確性,達到提高魚雷捕獲概率的目的,具有重要意義。

4 魚雷自導作用距離預報

4.1 射線聲學模型

射線聲學是把聲波的傳播看作是一束無數(shù)條垂直于等相位面的射線的傳播,每一條射線與等相位面垂直,稱為聲線。聲線途徑的距離代表聲波傳播的路程,聲線經(jīng)歷的時間為聲波傳播的時間。聲線束所攜帶的能量即為波傳播的聲能量[6]。在分層介質中,射線聲學遵循 Snell 定理:

(17)

式中,c0和θ0分別為聲源處聲速和初始掠射角,ci為某一深度時的聲速,θi為與之對應的掠射角。若θ0與c(z)已知,則可以求解出任意深度處聲線的掠射角。

等聲速梯度情況下,聲線沿一個半徑為R的圓弧傳播,θ0對應深度z0,θ1對應深度z1,在傳播過程中掠射角由θ0變化為θ1時,聲線的水平傳播距離為

(18)

傳播時間為

(19)

復雜的聲速垂直分布,按照深度可近似地劃分為具有等聲速梯度分布的多個分層,總的聲線水平傳播距離和傳播時間為多個分層的疊加。若總分層數(shù)為N,每一層的聲線水平傳播距離和傳播時間為xi和ti,i=1,2,…,N,則

(20)

(21)

根據(jù)上述公式即可畫出不同聲速梯度下的聲線圖。

4.2 魚雷自導作用距離預報軟件編寫

根據(jù)魚雷自導作用原理和射線聲學模型,建立魚雷主動聲自導作用距離預報數(shù)學模型,并采用Matlab軟件編制魚雷自導作用距離預報軟件。其原理為,在已知水文條件下的魚雷自導作用距離指標值時, 通過輸入聲速梯度、海底反射系數(shù)、海面反射系數(shù)等,估計魚雷實際的自導作用距離[7]。具體估算流程如圖4所示。

魚雷自導作用距離預報軟件界面如圖5所示。

4.3 魚雷聲自導作用距離仿真分析

利用魚雷聲自導作用距離預報軟件,進行主動聲自導作用距離預報,分別假定潛艇在兩種不同的海洋環(huán)境(海況、水文等)條件下,裝訂不同的聲線梯度,采用主動聲自導魚雷攻擊敵水面目標,進行魚雷的實際自導作用距離仿真估算,設定初始參數(shù)如表1所示[8]。

表1 仿真初始參數(shù)表

具體仿真計算過程如下:

1)假設在惡劣水文條件下,聲速c(z)只隨深度變化;具體變化規(guī)律見式(22),坐標單位為m,聲速單位為m/s,

(22)

惡劣水紋條件下,聲速梯度剖面示意圖一,如圖6所示。

魚雷自導作用距離估算軟件裝訂聲速梯度一時,仿真實驗示意圖如圖7所示。

2)假設在良好水文條件下,聲速c(z)只隨深度變化;具體變化規(guī)律見式(23),坐標單位為m,聲速單位為m/s,即有

(23)

良好水文件下,聲速梯度剖面示意圖二,如圖8所示。

魚雷自導作用距離估算軟件裝訂聲速梯度二時,仿真實驗示意圖如圖9所示。

3)在兩種不同的水文條件下,選取5個魚雷標定的自導作用距離[9-10],通過仿真軟件,進行仿真計算,具體計算結果如表2所示。

表2 自導作用距離實驗仿真結果

通過以上仿真結果可知,在惡劣的水文條件下,魚雷實際自導作用距離與理論標定的自導作用距離差距很大,在良好水文條件下,魚雷實際自導作用距離更接近理論標定的自導作用距離。因為在魚雷射擊參數(shù)和導引參數(shù)的計算公式中都涉及魚雷自導作用距離變量，所以導引聲自導魚雷攻擊目標時,要充分考慮海洋環(huán)境對魚雷自導作用距離的影響。

5 結束語

本文對魚雷探測目標性能分析,主要對魚雷主動聲自導的工作機理、性能指標及影響性能的因素進行闡述。對聲傳播、混響等對魚雷自導性能的影響進行分析,研究了自導作用距離對魚雷捕獲概率的影響,并且根據(jù)魚雷自導作用原理和射線聲學模型,建立魚雷主動聲自導作用距離預報數(shù)學模型,并采用Matlab軟件編制魚雷自導作用距離預報軟件,仿真驗證了不同的海洋環(huán)境對魚雷實際的自導作用距離的影響很大,進而影響了聲自導魚雷捕獲目標的概率。同時,為后續(xù)進一步優(yōu)化提升聲自導魚雷捕獲概率的使用方法奠定了理論基礎。

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