王國剛, 王洋洋, 何躍峰

(1.海軍駐716研究所軍代表室, 江蘇 連云港　222061;2.江蘇自動化研究所, 江蘇 連云港　222061)

隨著潛艇作戰(zhàn)能力及隱身技術的不斷發(fā)展[1],水面艦艇對潛遠程預警與攻防已成為當前水下作戰(zhàn)的重要需求[2-5]。水面艦艇主要通過艦殼聲吶、拖曳線列陣聲吶探測潛艇目標[6],由于其探測作用距離有限,且隨著潛艇隱身能力的提升,對于較遠距離目標只能通過被動聲吶探測,不但不能獲得有效的距離數據,而且獲得的方位信息也存在較大誤差,難以實現(xiàn)水下目標的精確定位[7-11]。

火炮發(fā)射的炮彈和飛機投射的炮彈不僅是一種優(yōu)越的殺傷性武器,還是一個很好的爆炸聲源[12-15]。爆炸在帶來巨大破壞性的同時通常會伴隨聲波的產生,這種聲波具有聲強級高、頻率低的特點,可以順利傳播到遠端,起到探測遠距離水下目標的作用。

本文基于爆炸聲源和被動聲吶探測的條件,建立一種新型水下目標定位算法實現(xiàn)遠距離水下目標精確定位的目的,爭取先敵發(fā)現(xiàn)、先敵攻擊、先機制敵,為反潛武器系統(tǒng)中遠程反潛提供理論支撐。

1　模型建立

基于爆炸聲源的水下目標定位算法通過在預定點增加主動爆炸聲源,被動聲吶接收爆炸聲波的直達波以及目標反射波,根據爆炸位置、回波時間間隔、目標反射波方位,利用三角定位法計算目標的距離信息,結合方位信息進行目標定位、運動要素解算。

以聲吶為原點O,正北方向為Y軸建立直角坐標系,設定目標B的真實方位(D3,β),設定主動爆炸點A的方位(D1,α),AB兩點連線距離為D2,如圖1所示。

由于被動聲吶方位探測存在誤差,假定實際探測方向為βm。設定ΔT為目標反射波與爆炸直達波的時間差,誤差為t,如圖2。暫不考慮海情對聲波傳播速度的影響,取定值c=1500m/s,可以得到目標探測距離為

(1)

圖1　定位模型示意圖

圖2　聲吶時域簡圖

誤差設定:本模型暫不考慮海情對聲波傳播速度的影響?？紤]到爆炸點的方位以及距離誤差較小,且經后續(xù)仿真發(fā)現(xiàn),爆炸點誤差對計算結果影響很小,模型中也不再予以討論。因此影響目標探測距離的主要誤差來源于探測方位βm以及回波間隔ΔT的誤差,均取決于聲吶本身信號的接收、識別、處理能力。本文討論的各項內容均假定被動聲吶測向誤差滿足正態(tài)分布,信號識別誤差不大于1s。

2　數值計算與仿真

2.1　爆炸點的選擇

在目標探測距離的計算中,爆炸點的距離和方位是影響結果的重要因素,在考慮各項誤差的條件下,尋找出最佳爆炸點減小測距誤差尤為重要,本模型只考慮D1

首先研究爆炸點方向對測距誤差的影響,選取最佳爆炸角度。對上述模型進行仿真計算,令目標B方位(30000m,60°),爆炸點A方位(10000m,α),水中聲速梯度影響暫不考慮,聲速c取1500m/s,暫不考慮爆炸點距離誤差。令爆炸選取角度α由-30°順時針旋轉到150°(連線與正北方向夾角,在左為負,在右為正),統(tǒng)計每一個角度測距相對誤差平均值。仿真結果如圖3。

圖3　隨爆炸點方位變化誤差統(tǒng)計(D1=10000m,D3=30000m)

由圖中可見,當爆炸選取角度在60°附近,即在聲吶與目標連線上時,測距誤差最小為1.25%D左右。更多的仿真結果發(fā)現(xiàn),落點距離D1越遠時,測量誤差在60°附近的優(yōu)勢越明顯。假定D1=20000m,D3=30000m,如圖4。

圖4　隨爆炸點方位變化誤差統(tǒng)計圖

由上述仿真可以得出結論,選取爆炸點在聲吶與目標連線上時,精度最高,誤差最小。

受最佳爆炸角度選取仿真結果的啟發(fā),我們繼續(xù)分析了爆炸點距離D1與測距誤差之間的關系。仿真發(fā)現(xiàn):對于相同目標距離D3,爆炸點距離D1對測距誤差影響不大。保持目標距離D3=30000m不變,改變爆炸點距離D1=2000m時,60°測距誤差為1.25%D,其余爆炸角度誤差普遍降低,如圖5;D1=20000m時,60°測距誤差為1.30%D,如圖4。

圖5　隨爆炸點方位變化誤差統(tǒng)計圖(D1=2000m,D3=30000m)

由上述仿真結果可知,爆炸點距離D1對60°測距誤差影響不大,且測距相對誤差穩(wěn)定于一個較小的值,對于D3=30000m,測距誤差為1.25%D左右。對于未知目標的探測,更適合于選取近距離爆炸點,減小各個方向的測距誤差,此時的爆炸點方位角影響較小,可任意選取。

同樣,我們繼續(xù)分析了目標距離D3與測距誤差之間的關系。仿真發(fā)現(xiàn):對于相同爆炸點距離D1,隨著目標距離D3的增大,測距相對誤差逐步減小,且效果明顯。保持爆炸點距離D1=10000m不變,目標距離D3=40000m時,60°相對誤差為0.94%D,如圖6;D3=50000m時,60°相對誤差為0.75%D,如圖7。

圖6　隨爆炸點方位變化誤差統(tǒng)計圖(D1=10000m,D3=40000m)

圖7　隨爆炸點方位變化誤差統(tǒng)計圖(D1=10000m,D3=50000m)

2.2　探測距離

爆炸產生的巨大聲能可以傳播到遠端,但是聲波的擴散和海水的吸收會逐漸消耗掉聲能,為了能夠探測到目標,必須保證目標反射波的聲能足以被被動聲吶檢測到,因此借助爆炸探測存在一個最大的探測距離。假定爆炸產生的聲源級為SC,若要達到探測目的,則需滿足聲吶方程：

SC+TS-PL1-PL2-N>DT

(2)

其中TS為目標強度,PL1為爆炸點到目標的傳播損失,PL2為目標點到本艦的傳播損失,N為噪聲干擾級,DT為檢測門限。

對于已被被動聲吶檢測到的目標,只需滿足：

SC-PL1>0

(3)

對于未被被動聲吶檢測到的目標,則需滿足：

SC+TS-PL1-PL2-N-DT>0

(4)

由于爆炸聲為低頻聲波,所以吸收損失較小暫不考慮,只考慮擴展損失。則有:

SC+TS-20lg[(D3-D1)·D3]-N-DT>0

(5)

推出

(6)

圖8　探測區(qū)域仿真圖

根據爆炸的強度以及爆炸點距離,可以計算出探測目標的區(qū)域?；诒曉吹乃履繕硕ㄎ荒Ｐ偷膬?yōu)勢在于,若爆炸強度可以滿足,可探測到被動聲吶預警距離以外的目標,擴大了作戰(zhàn)區(qū)域,此時可僅借用爆炸探測數據對目標進行定位。

2.3　最短爆炸間隔

為了更快更準地解算目標運動要素,就需要在最短時間內獲得最多的數據點,因此計算出最短的爆炸間隔尤為重要。

根據上述結論,選定爆炸點為聲吶與目標連線上。計算爆炸間隔的關鍵在于目標回波(二次回波)不可被后續(xù)爆炸的直達波覆蓋。影響發(fā)射間隔的關鍵參數為聲吶波——波分離判斷時間tp,海面、海底回波和混響是影響tp的關鍵因素,對于海深較深海區(qū),上述因素影響較小,將有利于波——波分離判斷。假定在第一個爆炸聲直達波與二次回波ΔT之間最多爆炸N次,為了避免聲波覆蓋以及能被聲吶分離開,則爆炸間隔ts需滿足ts≥(tp+tr),其中tr為容差時間,用以避免測量誤差帶來的時間偏移。對于連續(xù)爆炸次數需進行下列討論:

1)僅爆炸N次:

此時僅需考慮時間間隔ts,如圖9、10。

圖9　爆炸N次間隔分割圖

圖10　爆炸N次聲吶接收時域圖

爆炸次數為

(7)

2)爆炸次數大于N次(第一次爆炸編號為0,N取1,2,3…):

為了避免第一個回波間隔ΔT內爆炸聲目標回波被第二個ΔT內的直達波所覆蓋,需要對第1、N+1次爆炸時間進行調配,如圖11、12。

圖11　爆炸N+次間隔分割圖

圖12　爆炸N+次聲吶接收時域圖

此時ΔT內最大爆炸次數為

(8)

具體爆炸時刻見表1。

特別注意的是,N與N+1之間相差3個ts,可看做將0與1之間的一個ts拿來所用。mN與mN+1之間以此類推,相差3個ts(m取1,2,3…)。

基于爆炸聲源的水下目標定位算法即建立在上述最短發(fā)射間隔上,在最短的時間內連續(xù)產生多次爆炸聲波,獲取目標方位,進行目標運動要素解算。若間斷爆炸,可參照表中時間,避開重疊爆炸時刻即可。

2.4　航路仿真檢驗

獲得方位和距離信息可進行航路仿真檢驗算法的可靠性。

設定目標B方位(20000m,60°),航向20°勻速航行,爆炸點A方位(5000m,60°),對獲得的方位、距離數據進行遞進式最小二乘擬合,如圖13、14。隨著數據點的增多,模擬的方位和航跡逐漸逼近于真實值,可見算法本身是正確的。

圖13　目標方位仿真圖

圖14　目標航跡仿真圖

012…NN+1…爆炸時刻0ts3ts…(2N-1)·ts(2N+2)·ts…一次回波D1cD1c+tsD1c+3ts…D1c+(2N-1)·tsD1c+(2N+2)·ts…二次回波D1c+2N·tsD1c+(2N+1)·tsD1c+(2N+3)·ts…D1c+(4N-1)·tsD1c+(4N+2)·ts…

然而由于被動聲吶本身的缺陷,使得探測誤差太大,想要解算出航路需要大量的點,而這些點的代價是巨大的?？紤]到水下目標機動性較差,攻擊武器的自搜索能力較強,變航路解算為打擊當前點更為合適,當然,利用編隊定位優(yōu)勢更佳,如圖15,兩只相同參數聲吶相距D0=4000m。仿真發(fā)現(xiàn),對于上述運動要素的目標,僅需間隔3秒爆炸3次,即可使平均落點誤差小于600m,如圖16。

圖15　編隊定位模型示意圖

圖16　目標航跡仿真圖(編隊)

3　結束語

本文采用主動添加爆炸聲源的方式建立被動聲吶的水下目標定位算法,其探測距離遠、精度高。仿真結果表明,當爆炸聲源在目標與聲吶連線上時,探測誤差最小。足夠大的爆炸聲源級可以擴大探測區(qū)域,達到先敵發(fā)現(xiàn)、先敵攻擊、先機制敵的目的。最短的爆炸間隔保證了在最短的作戰(zhàn)時間內獲取目標信息,實現(xiàn)對目標的快速定位。編隊聯(lián)合探測更加體現(xiàn)了算法的優(yōu)勢,在極短的時間內鎖定目標、即時打擊?；诒曉吹乃履繕硕ㄎ凰惴楝F(xiàn)有裝備配置下實現(xiàn)中遠距離探潛、反潛提供了理論支持。

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