鞠建波, 郁紅波, 范趙鵬, 楊少偉

吊放聲吶擴展螺旋陣搜潛效能評估改進方法

鞠建波1, 郁紅波1, 范趙鵬2, 楊少偉1

( 1. 海軍航空大學 航空作戰(zhàn)勤務學院, 山東 煙臺, 264000; 2. 中國人民解放軍91001部隊, 北京, 100089)

針對反潛直升機吊放聲吶搜潛效能評估過程中把探測范圍等效成半徑為定值圓的問題, 為了提高效能評估的逼真度, 文中以吊放聲吶擴展螺旋陣數(shù)學模型為基礎, 建立了吊放聲吶探測距離模型。依靠射線聲學理論模型, 以深海負梯度聲速為例, 通過BELLHOP仿真得出了吊放聲吶探測距離隨溫深曲線變化的關系, 發(fā)現(xiàn)吊放聲吶的探測距離在真實情況下是隨著聲速梯度的變化而改變的。同時, 針對潛艇在逃逸過程中沿直線航行的問題, 建立了潛艇規(guī)避模型, 得出了潛艇規(guī)避仿真圖。將探測范圍等效成半徑為定值圓的模型稱為第1模型; 在第1模型的基礎上引入吊放聲吶探測距離隨溫深曲線變化模型, 稱為第2模型; 在第2模型的基礎上加入潛艇規(guī)避模型, 稱為第3模型。使用蒙特卡洛方法對3種模型分別仿真5 000次, 結果表明, 加入射線聲學理論探測距離模型和潛艇規(guī)避模型后, 搜潛效率大大降低。文中方法對提高吊放聲吶陣型搜索效能評估逼真度具有一定的軍事意義和參考價值。

吊放聲吶; 擴展螺旋陣; 射線聲學; BELLHOP; 潛艇規(guī)避; 探測距離

0 引言

在現(xiàn)代反潛方式中, 航空反潛因其速度快, 搜索面積廣, 機動靈活性強而備受各國海軍的重視。吊放聲吶作為航空反潛的核心裝備, 無論在實戰(zhàn)還是平常訓練中都得到了廣泛的應用[1-4]。關于吊放聲吶不同陣型搜潛效能評估, 國內外已經(jīng)有了很多研究, 但這些研究為了方便計算, 均簡化了搜潛模型。文獻[5]~[8]對不同搜潛陣型進行了效能評估, 得出了各陣型的搜潛概率, 但在效能評估中沒有考慮吊放聲吶探測距離隨溫深曲線的變化模型和潛艇的規(guī)避模型; 文獻[9]~[11]雖考慮了潛艇規(guī)避, 但沒有考慮吊放聲吶探測距離的變化。

文中在原有文獻的基礎上將吊放聲吶探測距離隨溫深曲線變化模型和潛艇規(guī)避模型結合起來, 完整考慮了整個搜潛過程, 更加貼近實戰(zhàn)情況, 提高了對吊放聲吶陣型搜潛效能評估的逼真度。

1 擴展螺旋陣搜潛模型

直升機飛往第1個吊放點需要的時間為

直升機到達第1個吊放點時由潛艇運動得到的擴展圓半徑

第1個吊放點的位置坐標

直升機在搜索過程中的平均飛行速度為

直升機整個飛行過程是一個螺旋線方程, 具體表達式為

相鄰吊放點之間的反潛直升機轉移時間為

在上述模型(稱為第1模型)中, 吊放聲吶的作用區(qū)域等效為一個半徑為定值的圓, 半徑的估算公式為[12]

2 基于射線聲學理論的吊放聲吶探測距離模型

基于射線聲學理論的吊放聲吶探測距離模型在文中稱為第2模型, 在該模型下, 吊放聲吶的探測距離不再是恒定的值, 而是在性能確定的情況下隨著海洋環(huán)境的改變而改變, 吊放聲吶的作用距離會直接影響到其搜潛效率, 因此不同的海洋環(huán)境中搜潛概率也不相同。

假設海洋中某聲線的聲壓為

柱面坐標系下, 控制方程為

射線聲學理論具有高頻近似性, 為了解決聲線傳播過程中聲影區(qū)和焦散區(qū)問題, Porter[13]引入了高斯聲束射線方法, 該方法的基本思想是, 假設在統(tǒng)計上聲線按照高斯分布變化, 該聲線是高斯聲束的中心聲線, 在中心聲線鄰域構造如式(12)所示的解, 該解決定了波束對聲場的作用

因為太陽照射的原因, 海水表層溫度較高, 隨著深度的增加溫度降低, 出現(xiàn)隨深度增加而聲速降低的現(xiàn)象[14]。圖1為負聲速梯度情況下的聲速剖面, 圖中為海洋深度, 圖2為海洋中的傳播損失圖。

圖1 負梯度型聲速剖面

圖2 負梯度對應的傳播損失圖

根據(jù)Snell定理, 在負梯度下, 所有聲線均向下折射, 并且掠射角隨深度增加而增加。與海平面相切的聲線稱為極限聲線, 極限聲線以外的區(qū)域稱為聲影區(qū), 即圖2中顏色較深的區(qū)域, 聲影區(qū)并不是聲強為0, 而是經(jīng)過該區(qū)域的聲線極少, 在探測潛艇時, 聲影區(qū)內的目標一般不容易被探測到。

圖3 負梯度下吊放聲吶探測距離仿真圖

通過上述計算得出了第2模型下吊放聲吶的探測距離。在一般的反潛作戰(zhàn)中, 潛艇的下潛深度未知, 假設該模型中潛艇的深度在0~400 m服從均勻分布, 如圖4所示。

圖4 吊放聲吶搜潛時潛艇分布示意圖

3 潛艇規(guī)避模型

圖5 潛艇規(guī)避擴展螺旋陣仿真圖

Fig. 5 Simulation diagram of extension spiral array for submarine elusion

4 仿真分析

在某作戰(zhàn)海區(qū), 反潛直升機使用擴展螺旋陣對丟失的潛艇進行搜索, 仿真分析了上述3種模型下的搜潛概率。

4.1 仿真條件設定

1) 潛艇航速服從瑞利分布, 初始概略位置服從正態(tài)分布, 航向在[0, 360°]服從均勻分布。

2) 潛艇規(guī)避時轉向的時間忽略不計。

3) 假設本海域內只有1艘潛艇, 且潛艇與直升機的活動相互獨立。

4.2 單機聲吶擴展螺旋線搜潛仿真分析

1) 直升機初始距離對搜潛效能的影響

圖6 初始距離對搜潛概率的影響

從圖6可以看出, 隨著初始距離的不斷增加, 3種模型搜潛概率不斷減少, 這是因為初始距離的增加導致反潛直升機到達第1個吊放點時潛艇位置散布不斷增大。第2模型的搜潛概率一直小于第1模型, 說明了考慮溫深曲線對探測距離的影響后, 直升機擴展螺旋線陣的搜潛效率將會降低。通過第3模型可以看出, 潛艇規(guī)避時, 搜潛效率將大打折扣。

2) 潛艇初始位置分布對搜潛效能的影響

圖7 初始位置分布對搜潛概率的影響

由圖7可以看出, 第1模型的搜潛概率高于第2模型搜潛概率, 且遠遠大于第3模型。在相同條件下, 搜潛概率隨潛艇初始位置散布的增加而降低, 但變化范圍較小, 搜潛效能比較穩(wěn)定, 因此可以推斷出, 把潛艇初始位置散布控制在一定的范圍內, 擴展螺旋陣就可以得到較為穩(wěn)定的搜潛概率。

3) 直升機搜索時間對搜潛效能的影響

圖8 搜索時間對搜潛概率的影響

由圖8可以看出, 在相同的條件下, 隨著搜索時間的增加, 3種模型的搜潛概率也不斷增加。第1種模型的搜潛概率高于其他2類模型, 并且隨著時間的不斷增加, 搜潛概率趨于平穩(wěn)。

5 結束語

文中建立了反潛直升機吊放聲吶擴展螺旋線陣數(shù)學模型, 為了更加貼近實戰(zhàn), 針對以往研究將吊放聲吶探測距離視為定值和潛艇規(guī)避航跡簡化的問題, 建立了加入探測距離隨溫深曲線變化的第2模型和加入潛艇規(guī)避的第3模型。使用蒙特卡洛算法對3種模型進行了仿真分析, 發(fā)現(xiàn)實際情況下吊放聲吶搜潛效率并不是很高。通過對文中結論的分析, 可以提高吊放聲吶陣型搜潛效能評估的逼真度, 具有一定的軍事意義和參考價值。另外, 目標強度直接影響著聲吶裝備的作用距離, 因此在目標強度不均勻的情況下, 如何進行反潛直升機吊放聲吶擴展螺旋陣型效能評估將是下一步的研究工作。

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An Improved Method for Evaluation the Submarine Searching Effectiveness with Extension Spiral Array of Dipping Sonar

JU Jian-bo1, YU Hong-bo1, FAN Zhao-peng2, YANG Shao-wei1

(1. College of Aeronautical Combat Service, Naval Aviation University, Yantai 264000, China; 2. 91001thUnit, The People’s Liberation Army of China, Beijing 100089, China)

Aiming at the problem that the detection range is equivalent to a circle with fixed radius in the evaluation process of submarine search effectiveness of anti-submarine helicopter dipping sonar, this paper establishes a detection range model of sonar based on the extension spiral array mathematical model of sonar in order to improve the fidelity of effectiveness evaluation. Based on the ray acoustics theory model, the negative-gradient acoustic velocity in deep sea is taken for example to obtain the relationship between the detection range of the dipping sonar and the temperature as well as the depth curve via BELLHOP simulation, and it is found that dipping sonar detection range in real case is subject to change with the velocity gradient. Furthermore, aiming at the problem of submarine navigation along a straight line in escape process, this paper establishes a submarine elusion model, and obtains the simulation diagram of the submarine elusion. The model of the detection range equivalent to a fixed circle with radius is named as the first model. The first model with the addition of the detection range model is called the second model, and the second model with the addition of the submarine elusion model is called the third model. The Monte Carlo method is used to simulate the three models for 5 000 times, respectively. The results show that the detection range model with ray acoustics theory and the submarine elusion model greatly reduce the efficiency of submarine searching. Through simulation analysis, the goal of improving the fidelity of the effectiveness evaluation of sonar array search is achieved.

dipping sonar; extension spiral array; ray acoustics; BELLHOP; submarine elusion; detection range

TJ67; TB115.2

A

2096-3920(2020)04-0434-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2020.04.012

2019-11-05;

2019-12-31.

鞠建波(1961-) 男, 教授, 研究方向為水下目標探測與識別.

鞠建波, 郁紅波, 范趙鵬, 等. 吊放聲吶擴展螺旋陣搜潛效能評估改進方法[J]. 水下無人系統(tǒng)學報, 2020, 28(4): 434-439.

(責任編輯: 許 妍)