編隊(duì)對潛作戰(zhàn)中抗友鄰艦干擾方法*

范文濤，章新華，夏志軍

(海軍大連艦艇學(xué)院，遼寧 大連 116018)

水面艦艇編隊(duì)對潛作戰(zhàn)中，各種聲納擔(dān)負(fù)起編隊(duì)遠(yuǎn)、中和近三個(gè)區(qū)域警戒與搜索任務(wù)，其中拖曳線列陣聲納作為超遠(yuǎn)程探測水下目標(biāo)的主要手段，是水下預(yù)警體系的重要組成部分［1］。然而，被動拖曳線列陣聲納由于其自身的物理特點(diǎn)導(dǎo)致在編隊(duì)對潛作戰(zhàn)使用方面不像雷達(dá)［2］、艦殼聲納［2］那樣有章可循。拖曳線列陣聲納的濕端是細(xì)長的柔性陣［1］，使用后編隊(duì)的隊(duì)形配置和機(jī)動性受到較大制約，特別是拖曳平臺的自噪聲和編隊(duì)內(nèi)部友鄰艦輻射的噪聲會對拖曳線列陣聲納造成較大影響，會在聲納檢測系統(tǒng)端首尾和友鄰艦方向形成較寬的檢測盲區(qū)［3］。拖曳平臺自噪聲產(chǎn)生的盲區(qū)可以通過加大拖纜長度、減小拖速等方式進(jìn)行補(bǔ)盲，但是友鄰艦形成的檢測盲區(qū)的補(bǔ)盲方式卻要復(fù)雜得多。因此，研究編隊(duì)中友鄰艦對他艦拖曳線列陣聲納干擾的影響及抗干擾方法的作戰(zhàn)使用是十分有必要的。

抗友鄰干擾分為硬對抗和軟對抗兩類［4］。硬對抗又可稱為“硬補(bǔ)盲”，指的是利用兩條以上的拖曳線列陣聲納按照一定的隊(duì)形互相彌補(bǔ)干擾形成的檢測盲區(qū)?！坝惭a(bǔ)盲”的優(yōu)點(diǎn)在于補(bǔ)盲效果較好，缺點(diǎn)在于編隊(duì)中多條拖曳線列陣同時(shí)工作嚴(yán)重影響了編隊(duì)運(yùn)動的靈活性，不利于編隊(duì)防空反導(dǎo)作戰(zhàn)。軟對抗又可稱為“軟補(bǔ)盲”指的是利用工程上成熟的抗干擾算法在拖曳線列陣聲納信號處理級實(shí)現(xiàn)干擾盲區(qū)的抑制?！败浹a(bǔ)盲”的優(yōu)點(diǎn)在于使用簡單、利于編隊(duì)?wèi)?zhàn)術(shù)機(jī)動，缺點(diǎn)是易受拖曳線列陣陣形、環(huán)境噪聲等級等因素影響。目前針對抗編隊(duì)內(nèi)友鄰干擾的研究基本集中在“硬補(bǔ)盲”方法作戰(zhàn)使用上，對于“軟補(bǔ)盲”方法作戰(zhàn)使用的研究國內(nèi)外鮮有文獻(xiàn)提及。從國外研究來看，美、英、法和德等國家使用拖曳線列陣聲納最為成熟，但是關(guān)于編隊(duì)條件下拖曳線列陣聲納作戰(zhàn)使用和編隊(duì)配置的資料幾乎沒有。郭書城［4］等分別從不同方面研究了編隊(duì)使用拖曳線列陣聲納時(shí)的編隊(duì)配置問題。但是，他們的研究結(jié)論都是建立在聲納檢測性能參數(shù)理想化的前提下，忽略了拖曳線列陣聲納實(shí)際使用時(shí)檢測性能是動態(tài)變化的因素。因此，只有結(jié)合信號級的檢測結(jié)果探討拖曳線列陣使用與編隊(duì)配置的關(guān)系才具有實(shí)際軍事應(yīng)用價(jià)值。相比之下，“軟補(bǔ)盲”方法更符合海軍未來反潛作戰(zhàn)“速戰(zhàn)速決、高效精確”的戰(zhàn)術(shù)思想［5］。

本文從干擾影響和使用效果兩個(gè)角度入手，利用工程上成熟的兩種“軟補(bǔ)盲”抗干擾方法，通過仿真手段研究編隊(duì)平行搜索方式下未抗干擾和抗干擾后對于被動拖曳線列陣聲納檢測性能產(chǎn)生的影響差別，并依據(jù)仿真結(jié)果給出平行搜索方式下使用“軟補(bǔ)盲”抗干擾方法后的隊(duì)形配置建議與作戰(zhàn)指揮原則。

1 基本戰(zhàn)術(shù)想定

1.1 戰(zhàn)術(shù)想定

反潛編隊(duì)由兩艘導(dǎo)彈護(hù)衛(wèi)艦組成，其中只有一艘配備被動拖曳線列陣聲納。編隊(duì)的配置要求:防潛時(shí)有利于保護(hù)指揮艦;便于指揮艦對編隊(duì)的指揮;便于火力抗擊空襲目標(biāo)。平行搜索方式［7］即是兼顧了防空、通信與反潛的一種編隊(duì)隊(duì)形配置方案，包括方位隊(duì)與橫隊(duì)兩種隊(duì)形。編隊(duì)配置如圖1所示，其中α為編隊(duì)看齊角，R為艦距，β為敵目標(biāo)與友鄰艦的方位間隔。

圖1 編隊(duì)配置及坐標(biāo)系

1.2 友鄰艦干擾模型及影響

友鄰艦艇干擾的空時(shí)頻特性:第一，干擾空間位置隨著編隊(duì)隊(duì)形的變化而改變;第二，干擾輻射噪聲頻譜的非平穩(wěn)性要比本艦輻射噪聲的大;第三，干擾所形成探測盲區(qū)的大小與傳播環(huán)境密切相關(guān)，比起本艦自噪聲引起的檢測盲區(qū)空間位置，干擾所形成的檢測盲區(qū)對聲納系統(tǒng)遠(yuǎn)程警戒的影響更嚴(yán)重。以淺海聲傳播環(huán)境為例，拖曳線列陣聲納單個(gè)基元所接收到的具有多途角擴(kuò)展的友鄰艦輻射噪聲干擾數(shù)學(xué)模型為［5］其中am為多途衰減，τm為多途時(shí)延，θm為多途干擾入射角，L為多途路徑個(gè)數(shù)，i為基元序列號，d為基元間隔，c為海水聲速，I(t)為干擾波形。深海環(huán)境下的干擾數(shù)學(xué)模型與淺海類似，區(qū)別是拖曳線列陣可以選擇的工作深度大大靈活，來自海底與海面的多途干擾影響減小［6］。

通過信號級拖曳線列陣聲納模擬器產(chǎn)生基陣接收數(shù)據(jù)，分別利用聲納系統(tǒng)中常用的兩種波束形成檢測方法分析友鄰干擾對拖曳線列陣檢測性能的影響。圖2(a)、(b)和(c)分別為友鄰干擾與拖曳線列陣的距離在5鏈、15鏈和25鏈處的寬帶警戒方位-幅度圖和窄帶警戒頻率-方位圖，可以看出隨著友鄰干擾與基陣的間距擴(kuò)大，干擾能量在方位-幅度圖上有略微變“瘦”的趨勢，但是不明顯;在以極坐標(biāo)方式顯示的窄帶警戒頻率-方位圖中，隨著干擾的遠(yuǎn)離，干擾的在各個(gè)頻點(diǎn)處的能量減弱。由此可以得到結(jié)論:友鄰干擾所形成的盲區(qū)范圍隨著干擾的遠(yuǎn)離而縮小，但是縮小趨勢不明顯。

圖2 友鄰干擾與拖曳線列陣不同距離時(shí)的寬帶警戒方位-幅度全景圖與窄帶警戒頻率-方位圖

圖3(a)和(b)為友鄰干擾在不同方位處時(shí)的寬帶警戒方位-幅度圖與窄帶警戒頻率-方位圖，其中假設(shè)友鄰干擾與基陣的距離為25鏈?？梢钥闯?，當(dāng)友鄰干擾位于40°時(shí)，產(chǎn)生了近10°左右的干擾盲區(qū);當(dāng)友鄰干擾移到方位140°處可以更明顯的看出友鄰干擾所形成的干擾盲區(qū)。比較圖3與圖2(c)會發(fā)現(xiàn)，同樣的距離條件下，友鄰干擾位于基陣正橫處形成的盲區(qū)范圍要小于其他方位處。這是由于兩方面原因造成的:第一，線列陣在正橫附近的波束主瓣寬度要比其他方位處的主瓣寬度?。?］;第二，平面波假設(shè)下，位于水平線列陣的正橫方位時(shí)的有效孔徑利用率要高于其他方位處，意味著波束形成器在正橫處的多途抑制能力要明顯高于其他方位處，越靠近陣列端首方向的抗多途能力越差。

圖3 友鄰干擾在不同方位處時(shí)的寬帶警戒方位-幅度全景圖與窄帶警戒頻率-方位圖，友鄰干擾距離25鏈

圖4(a)和(b)為友鄰干擾位于拖曳線列陣不同舷側(cè)時(shí)的干擾影響方位-幅度圖，其中(a)為友鄰干擾與目標(biāo)位于拖曳線列陣同一舷側(cè)，方位錯(cuò)開10°，(b)為友鄰干擾與目標(biāo)位于拖曳線列陣另一舷側(cè)，方位錯(cuò)開10°。比較圖4的(a)和(b)可以看出，不管是目標(biāo)與友鄰干擾是否位于同一舷側(cè)，對于拖曳線列陣被動檢測來講幾乎等強(qiáng)度。這主要是因?yàn)橥弦肪€列陣的軸向?qū)ΨQ性，如果目標(biāo)或者干擾出現(xiàn)在左(右)舷，那么在右(左)舷也將出現(xiàn)一個(gè)等強(qiáng)度的鏡像源。

2 抗友鄰干擾方法

2.1 波束形成后置干擾抵消

Godara研究提出了波束形成后置干擾抵消器(Postbeamformer Interference Canceler，PIC)［7］。PIC 處理器利用固定或自適應(yīng)權(quán)系數(shù)形成目標(biāo)波束和干擾波束，將干擾波束信號從目標(biāo)波束中減去，以形成PIC輸出。設(shè)空間含一個(gè)目標(biāo)信號和一個(gè)干擾信號，則接收信號向量表示為

圖4 友鄰干擾位于拖曳線列陣不同舷側(cè)時(shí)的干擾影響分析，友鄰干擾距離25鏈，水下目標(biāo)距離10海里

PIC輸出為

PIC方法的優(yōu)點(diǎn)是:1)波束域干擾抵消，利于聲納后續(xù)處理;2)時(shí)域與頻域均可抵消;缺點(diǎn)是:1)對系統(tǒng)處理能力和實(shí)時(shí)性要求高;2)無法同時(shí)抵消兩種典型干擾;3)干擾抵消不徹底。PIC方法廣泛應(yīng)用于美國海軍AN/SQR-19和日本海軍OQS-1拖曳線列陣聲納［8］。

2.2 逆波束形成干擾抵消

逆波束形成干擾抵消(Inverse Beamforming，IBF)兩種［7］。IBF的基本思想是重建只含有干擾分量的基陣接收信號，利用原始的基陣接收信號減去重建后的基陣信號則認(rèn)為完成了干擾抵消。因此IBF的輸出為

其中，x(t)為式(2)中的原始基陣接收信號，x僅含干擾(t)為重建后僅含有干擾的基陣接收信號。

IBF方法的優(yōu)點(diǎn)是:1)基元域干擾抵消，方便后續(xù)處理;2)干擾抵消徹底，能同時(shí)抗兩種典型干擾;缺點(diǎn)是:1)只能在頻域進(jìn)行處理，計(jì)算量需求高;2)干擾抵消后，容易形成虛警目標(biāo)。IBF方法廣泛應(yīng)用于歐盟海軍拖曳線列陣聲納［9］。

3 抗友鄰干擾效果仿真分析

3.1 仿真設(shè)置

仿真考慮圖5戰(zhàn)術(shù)想定中編隊(duì)平行搜索方式下的8種可能組隊(duì)隊(duì)形，其中B1～B5為方位隊(duì)隊(duì)形配置區(qū)域，H1～H3為橫隊(duì)隊(duì)形配置區(qū)域。8塊區(qū)域的劃分按照兩艦艦距上分為近程(5鏈～20鏈)、中程(20鏈～30鏈)和遠(yuǎn)程(30鏈～50鏈);兩艦看齊角上分為前方(20°～70°)、正橫方(70°～80°)和后方(80°～160°)。劃分的依據(jù)是兼顧了編隊(duì)防空反導(dǎo)武器和通信的需要。由上文干擾影響可知，友鄰干擾對拖曳線列陣聲納左右舷影響相同，因此仿真中只考慮友鄰艦位于右舷的態(tài)勢。仿真利用信號級拖曳線列陣聲納模擬器產(chǎn)生各態(tài)勢所需的基陣接收數(shù)據(jù)，利用聲納信號處理工具融合上文介紹的兩種抗友鄰干擾方法得到抗干擾后的結(jié)果。

圖5 編隊(duì)隊(duì)形配置分區(qū)圖

3.2 仿真結(jié)果

圖6為友鄰艦位于圖5中B1～B5和H1～H3的每個(gè)區(qū)域時(shí)，本艦拖曳線列陣聲納未抗干擾、利用PIC抗干擾和利用IBF抗干擾后得到的窄帶警戒頻率-方位圖。以圖6中(a)為例可以看出，當(dāng)本艦拖曳線列陣聲納未抗干擾時(shí)，友鄰艦形成壓制性(漆黑)干擾使得聲納系統(tǒng)無法檢測出敵潛艇目標(biāo)能量;當(dāng)本艦拖曳線列陣聲納使用PIC或者IBF抗干擾方法后，友鄰干擾所形成的盲區(qū)產(chǎn)生了分裂使得聲納系統(tǒng)檢測到了敵潛艇目標(biāo)能量。(b)～(h)的分析結(jié)果與(a)類似，由此可以證明使用抗干擾方法能夠一定程度消弱友鄰干擾的影響。

圖6 窄帶警戒頻率-方位圖

表1為對圖6中未使用抗干擾方法和使用抗干擾方法得到的最小間距角與目標(biāo)檢測增益統(tǒng)計(jì)結(jié)果。最小間距角指的是本艦拖曳線列陣聲納系統(tǒng)所能檢測到的友鄰艦與感興趣目標(biāo)的方位角之差的最小值。由此可見，求使用和未使用抗干擾方法所得到的最小間距角之差可以得到友鄰干擾盲區(qū)的縮小度數(shù)值。目標(biāo)檢測增益指的是本艦拖曳線列陣聲納系統(tǒng)對感興趣目標(biāo)所檢測到的高出背景的幅值大小，單位為dB，顯然該值越大表明檢測效果越好。從表1中可以看出，當(dāng)友鄰艦位于B5和H3區(qū)域時(shí)使用抗干擾方法后的檢測效果是最好的，而位于B1～B3區(qū)域時(shí)使用抗干擾方法后的檢測效果相對要差。這是因?yàn)閺膱D5中各區(qū)域與本艦拖曳線列陣的幾何關(guān)系可以看出，B4、B5、H1～H3相比其他區(qū)域更靠近拖曳線列陣的正橫，而基于波束形成的拖曳線列陣聲納檢測方法在越靠近正橫的波束主瓣越窄、旁瓣越低，因此干擾抑制能力也越強(qiáng)，這也驗(yàn)證了圖3所示的結(jié)論。從表1中還可看出，友鄰艦艇位于H1～H3時(shí)使用抗干擾方法后各個(gè)區(qū)域得到的檢測結(jié)果的變化不如B1～B5時(shí)的變化大，由此證明橫隊(duì)隊(duì)形是最利于雙艦單拖對潛警戒時(shí)抗友鄰干擾方法效果的發(fā)揮。

表1 最小間距角與目標(biāo)檢測增益統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)束語

本文研究了艦艇編隊(duì)對潛遠(yuǎn)程警戒時(shí)抗友鄰艦干擾“軟補(bǔ)盲”方法作戰(zhàn)使用問題。通過仿真分析友鄰干擾的干擾盲區(qū)和左右舷影響，得到以下兩點(diǎn)結(jié)論:1)友鄰干擾位于基陣正橫處形成的盲區(qū)范圍要小于其他方位處;2)單條拖曳線列陣不具備區(qū)分左右舷能力，友鄰干擾位于左舷(右舷)會相應(yīng)在右舷(左舷)出現(xiàn)等強(qiáng)度鏡像干擾源。因此不管感興趣目標(biāo)與友鄰干擾在同一舷側(cè)或是位于友鄰干擾的鏡像舷側(cè)，對于拖曳線列陣聲納的檢測結(jié)果沒有差異。

通過仿真當(dāng)編隊(duì)采用雙艦平行搜索且只有一條拖曳線列陣聲納工作方式時(shí)，各種隊(duì)形配置下“軟補(bǔ)盲”方法的使用效果，得到如下作戰(zhàn)使用原則:

1)編隊(duì)采用平行搜索方式，橫隊(duì)隊(duì)形配置比方位隊(duì)更利于“軟補(bǔ)盲”方法抗友鄰艦干擾效果的發(fā)揮。

2)編隊(duì)隊(duì)形為橫隊(duì)方式，拖曳艦與友鄰艦艦距范圍在20鏈～30鏈，兩艦看齊角范圍在75°～80°;拖曳艦與友鄰艦艦距范圍在30鏈～50鏈，兩艦看齊角范圍在70°～80°。

3)當(dāng)編隊(duì)隊(duì)形為方位隊(duì)時(shí)，拖曳艦與友鄰艦艦距范圍在20鏈～30鏈，兩艦看齊角范圍在45°～70°;拖曳艦與友鄰艦艦距范圍在30鏈～50鏈，兩艦看齊角范圍在30°～70°。

4)當(dāng)編隊(duì)中拖曳艦與友鄰艦看齊角范圍在90°～160°時(shí)，兩艦艦距至少為30鏈。

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