艦船搖擺下探雷聲納工作參數(shù)優(yōu)化設置研究＊

肖 軍 王旭升

（91388部隊 湛江 524022）

1 引言

在現(xiàn)代海戰(zhàn)中，水雷是艦艇行動的一個重要威脅。探雷聲納是目前水雷探測的最有效方式。由于探雷聲納沒有穩(wěn)定平臺，聲納基陣跟隨艇體的搖擺而搖擺，不同時刻多波束在海底的照射區(qū)域會發(fā)生很大的變化。對于掃雷指揮員來說，艦船搖擺下探雷聲納在海底的有效搜索面積是其關心的一個重要的聲納性能指標。為了能夠高效掃清某片海域，需要正確設置掃雷艦航速、聲納工作量程、基陣指向角和搜索方式等工作參數(shù)［1～2］。本文在建立基陣搖擺模型和探雷聲納多波束照射海底模型的基礎上，對艦船搖擺下探雷聲納的工作參數(shù)進行了優(yōu)化設置，對于掃雷指揮員根據(jù)當時情況下達掃雷指令有重要的指導意義。

2 艦艇搖擺模型

2.1 艦船搖擺運動

艦艇在航行時，除了航行方向的運動外，還有波浪引起的強迫搖擺，艇體的搖擺是復雜的三維空間運動，包括橫搖、縱搖、首尾搖和振蕩升沉等運動。艦艇的振蕩升沉運動是艇體在風浪下發(fā)生的平移運動，幅度相對較小，本文只討論艦艇的搖擺而忽略艦艇的振蕩升沉運動。探雷聲納無穩(wěn)定平臺，聲納基陣與艇體剛性連接，因此基陣搖擺是繞艦艇中心搖擺的結果，近似為簡諧運動［3～5］。

圖1 基陣隨艦艇搖擺示意圖

圖1為基陣隨艦艇搖擺示意圖，o為艦艇搖擺的中心，oa為基陣中心。以o為坐標原點建立艦艇三維直角坐標系，聲納基陣與艇體剛性連接，隨艦艇繞X軸、Y軸、Z軸分別進行橫搖、縱搖和首尾搖運動。對艦艇搖擺規(guī)律的分析表明，在4級海況下，不同噸位艦艇橫搖振幅一般為5°～15°，平均周期約為9s，縱搖振幅一般為2°～6°，平均周期約為6s，首尾搖振幅一般為1°～3°，平均周期約為6s［1］。掃雷艦的噸位較小，吃水較淺，搖擺幅度比一般艦艇偏大［6］。

2.2 基陣搖擺模型

由于基陣中心和艦艇搖擺中心不重合，艦艇搖擺時，基陣中心相對艦艇中心存在線位移。假設艦艇坐標系繞坐標旋轉一個角度α，則基陣中心oa在原坐標系中坐標［xa，ya，za］T與旋 轉 后 坐標oa′［xa′，ya′，za′］T之間關 系 可用下式表示。

式中T（α）稱為變換矩陣。假設某時刻t，艦艇的橫搖為φ（t），縱搖為θ（t），首尾搖為ψ（t）。則此時對應的變化矩陣T（α）如式（2）所示。

由于艦艇的搖擺，基陣水平角和俯仰角會隨時間發(fā)生變化。假設M［xm，ym，zm］為基陣中心法線上一點，艦艇靜止時OaM 的水平角和俯仰角分別為α1和β1，t時刻M 點坐標變?yōu)?M′［xm′，ym′，zm′］，則t時刻法線oa′M′所對應的水平角α2和俯仰角β2可表示如下。

3 探雷聲納三維多波束模型

3.1 多波束照射海底模型

探雷聲納屬于高頻主動聲納，多波束照射海底模型如圖2所示。以基陣中心oa為坐標原點建立基陣三維直角坐標系，oaM 為基陣的中心 法 線，oaC、oaD、oaE、oaF為多波束探測“錐體”的四條邊界線?；嚪ň€oaM 與oaXaYa面的夾角即基陣俯仰角，oaM 在oaXaYa面上的投影與oaXa軸的夾角即基陣水平角。多波束探測“錐體”與海底平面相切形成的截面即探雷聲納在某次脈沖發(fā)射下的海底“照射”范圍。在聲納作用距離和工作量程的限制下，多波束探測“錐體”的四條邊界線很可能不與海底相交，另外在一定聲速梯度下，聲線在垂直面內會發(fā)生彎曲，這些因素都會影響實際海底“照射”區(qū)域，需要根據(jù)實際情況進行修正。

如圖2所示，若已知探測海域的聲速梯度、海深和聲納作用距離，給定基陣指向和工作量程，利用基陣、波束和海底三者之間的幾何關系即可確定聲納在海底的“照射”區(qū)域ABCD。聲納“照射”的最遠距離應為聲納作用距離和工作量程兩者之間的最小值［7］。

3.2 探雷聲納有效搜索面積

在探雷聲納基陣角度相對艦艇保持不變的情況下，因艦艇搖擺導致基陣的實際水平角和俯仰角會隨時間發(fā)生變化，另外艦艇具有一定速度，所以探雷聲納連續(xù)發(fā)射的多個脈沖在海底的“照射”區(qū)域只能部分重疊，即連續(xù)多幅聲納圖像對應的海底區(qū)域是不一樣的。如果在連續(xù)多幅聲納圖像中，都出現(xiàn)了某個可疑“亮點”，且該“亮點”在圖像中的位置呈現(xiàn)某種規(guī)律性的變化，則該“亮點”很可能為疑似水雷回波。根據(jù)水雷“亮點”的辨識過程，定義探雷聲納發(fā)射脈沖連續(xù)“照射”N次以上的區(qū)域為探雷聲納的有效搜索面積［8～9］。如圖3所示，陰影部分所圍成的區(qū)域即為N取3時的有效搜索面積。N可以根據(jù)掃雷任務需要設置，N取值越大，水雷辨識結果的可信度越高，但聲納的有效搜索面積越小。有效搜索面積為多個海底扇形區(qū)域的重疊面積，其大小可用多邊形計算方法計算得出。

圖2 探雷聲納三維多波束模型

圖3 有效搜索面積示意圖

4 探雷聲納最優(yōu)工作參數(shù)設置建議

作戰(zhàn)使用時，影響探雷聲納作戰(zhàn)效能的工作參數(shù)主要包括艦艇航速、工作量程、基陣初始指向角（方位角和俯仰角）和自動搜索方式等。艦艇航速的變化會影響相鄰脈沖在海底的重疊區(qū)域，不同的基陣初始指向角、不同工作量程和不同搜索方式下，探雷聲納在海底的照射范圍有很大區(qū)別。因此選擇適當?shù)穆暭{工作參數(shù)對于優(yōu)化探雷聲納有效搜索面積非常重要。本節(jié)從探雷聲納的作戰(zhàn)使用出發(fā)，以有效搜索面積最大化為準則，給出了不同海洋環(huán)境參數(shù)下聲納的最佳工作參數(shù)。如無特別說明，本節(jié)定義連續(xù)3個脈沖在海底照射范圍的重疊面積為聲納的有效搜索面積。

4.1 最佳掃雷航速

艦艇的航行會帶動聲納基陣的運動，航速的變化會改變相鄰波束在海底的重疊面積。航速太小影響艦艇的掃雷效率，航速太大又不利于艦艇的避雷。

圖4 航速對有效搜索面積的影響

圖4所示為不同航速下探雷聲納有效搜索面積一個搖擺周期內的仿真曲線圖。假設聲納基陣方位角10°，俯仰角2°，海深40m，量程［50，350］m，艦艇橫搖8°，縱搖3°，首尾搖1°，聲速梯度采用東海某海域春季聲速梯度［10］。從圖中可以看出，航速的變化對有效搜索面積的影響可以忽略不計，考慮到大航速下不利于艦艇的避雷，建議掃雷艦工作航速為6節(jié)左右。

4.2 最佳工作量程

探雷聲納工作環(huán)境為淺海，在聲速梯度和作用距離的制約下，實際工作時主要采用［50，350］m 和［200，500］m 這兩種量程。圖5比較了不同海深下采用兩種量程獲得的有效搜索面積隨基陣俯仰角的變化規(guī)律。定義圖中兩條曲線的交點對應的俯仰角為臨界俯仰角。假設艦艇橫搖8°，縱搖3°，首尾搖1°，基陣方位角10°，聲速梯度采用東海某海域春季聲速梯度。

圖5 不同工作量程下有效搜索面積對比

從圖中可以看出，兩種量程下有效搜索面積隨俯仰角的變化規(guī)律基本一致，相對［50，350］m 量程，［200，500］m量程下有效搜索面積對俯仰角的變化更為敏感。以有效搜索面積最大化為準則，當基陣俯仰角小于臨界俯仰角時，適宜采用［200，500］m量程；當基陣俯仰角大于臨界俯仰角時，適宜采用［50，350］m量程。且臨界俯仰角隨著海深的增大而增大。

3.3 最佳基陣初始指向角

基陣初始指向角包括初始方位角和初始俯仰角，如果存在這樣一個角度，在該基陣指向下聲納有較大的有效搜索面積，且該面積在一個搖擺周期內比較穩(wěn)定，那么認為該指向角為最佳初始指向角。

圖6 最佳基陣方位角選擇示意圖

圖7 最佳基陣俯仰角選擇示意圖

圖6與圖7分別表示探雷聲納有效搜索面積的期望與根方差隨基陣初始方位角與初始俯仰角的變化示意圖。圖中星號與線段長度分別代表有效搜索面積的期望與根方差值。假設海深40m，艦艇橫搖8°，縱搖3°，首尾搖1°，量程［200，500］m。從圖中可以看出，遵循“期望大，根方差小”的規(guī)律，當方位角在－30°～30°范圍內，俯仰角在0°～3°范圍內時，有效搜索面積的期望值較大，根方差值較小，此范圍即為基陣初始指向角的最佳工作范圍。

3.4 最佳自動搜索方位角范圍

探雷聲納搜索方式包括自動搜索與手動搜索，常見的自動搜索方位角范圍包括±25°搜索和±50°搜索，掃描方式為從大舷角方向掃描至艦艏方向，兩舷交替搜索。假設方位角范圍為±50°，則基陣按此順序旋轉：50°→25°→0°→－50°→－25°→0°→50°。對于一定的自動搜索方式，假如在此搜索方式下聲納在海底形成的搜索帶最寬且不存在漏掃區(qū)域，則此搜索方式最佳。

圖8和圖9分別表示在±25°與±50°自動搜索方位角范圍下聲納在海底形成的搜索帶，由于受搖擺的影響，不同時刻聲納的有效搜索面積大小不一。從圖中可以看出，與±50°搜索方位角范圍相比，±25°范圍下聲納多波束能對搜索海域進行有效地覆蓋，且不存在漏掃區(qū)域，搜索帶寬度能達到±200m左右。因此可以判斷±25°方位角范圍為最佳的自動搜索方位角范圍。

圖8 ±25°方式下海底搜索帶

圖9 ±50°方式下海底搜索帶

5 結語

改變海洋環(huán)境參數(shù)（海深、聲速梯度、搖擺幅度等），上述結論仍然成立。本文通過建立探雷聲納基陣隨艦艇搖擺模型和多波束照射海底模型，定義了探雷聲納的有效搜索面積，給出了不同海洋環(huán)境下探雷聲納的最優(yōu)工作參數(shù)設置，所得結論對探雷聲納的作戰(zhàn)使用有重要的指導意義。

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