反潛直升機搜潛效能分析

崔翰明

(海軍駐景德鎮(zhèn)地區(qū)航空軍事代表室，江西景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

反潛戰(zhàn)在各國海軍海上作戰(zhàn)中具有十分重要的作用，尤其是隨著潛艇朝高速、深潛和低噪聲方向發(fā)展，反潛作戰(zhàn)變得更加困難和復(fù)雜。在各種反潛手段中，直升機反潛因具有速度快、效率高，受潛艇威脅小的優(yōu)點，受到了世界各國海軍的重視。目前，世界上最具有代表性的反潛直升機有美國的SH-60B“海鷹”、俄羅斯海軍的卡-27/28“蝸?！?、歐洲的 NH90 等［1］。

針對反潛作戰(zhàn)而言，搜潛裝備的搜潛效能是表示反潛兵力在特定的戰(zhàn)術(shù)背景和作戰(zhàn)對象等約束條件下，完成搜索發(fā)現(xiàn)潛艇目標任務(wù)程度的度量。搜潛效能評估是通過定量計算，分析預(yù)測反潛直升機運用各種搜索手段完成巡邏搜索任務(wù)的程度，目的是提高搜索手段綜合運用的效率，為指揮員提供戰(zhàn)術(shù)使用的決策依據(jù)。

本文結(jié)合反潛直升機所搭載的反潛搜索電子設(shè)備，在詳細分析雷達、紅外前視儀、聲納浮標、磁探儀和電子支援系統(tǒng)等設(shè)備搜索效能的基礎(chǔ)上，以具體的作戰(zhàn)過程為基礎(chǔ)，針對應(yīng)召和巡邏兩種典型搜潛方式進行了典型組合搜潛方案的效能分析，最后通過仿真分析驗證了方法的合理性與可行性。

1 反潛直升機搜潛設(shè)備性能分析

反潛兵力對潛艇的搜索任務(wù)主要包括:在指定海域或航道上對潛艇的搜索，在艦艇編隊周圍實施反潛警戒，在其它兵力發(fā)現(xiàn)潛艇的初始位置搜索以及與其它兵力協(xié)同搜索等。無論是執(zhí)行應(yīng)召反潛還是巡邏反潛任務(wù)，航空反潛的基本過程是搜索、探測、識別、定位、跟蹤和攻擊。執(zhí)行反潛作戰(zhàn)任務(wù)時，反潛直升機在空中飛行，而目標處于海水介質(zhì)中，潛艇具有很強的隱蔽性，反潛直升機在作戰(zhàn)海域上空飛行的大部分時間都是用于搜索和探測，因此搜索是航空反潛行動的重要一環(huán)。

現(xiàn)代反潛直升機一般裝有雷達、紅外前視儀、聲納浮標、磁探儀等搜索設(shè)備。由于潛艇的特點，聲納浮標成為搜潛最主要的設(shè)備和手段。

潛艇的主要航行狀態(tài)包括水面航行狀態(tài)、半潛航行狀、潛望深度航行狀態(tài)以及工作深度航行狀態(tài)。反潛主要針對潛望深度航行狀態(tài)以及工作深度航行狀態(tài)。

1.1 反潛雷達搜索能力

使用雷達進行反潛搜索時，針對潛望深度航行狀態(tài)，雷達用于潛望鏡和通氣管基本上呈圓柱狀的簡單目標，目標的反射面積可以假定為常數(shù)，恒虛警下目標的檢測概率和雷達回波信號的信噪比關(guān)系為［2］:

而雷達探測距離與信噪比之間的關(guān)系為:

其中:SNR—信噪比;C—雷達性能參數(shù)，對確定的某型雷達為常數(shù);σ—目標反射面積;Pd—檢測概率;Pf—虛警概率，一般為常數(shù)。

對于運動潛艇的雷達發(fā)現(xiàn)概率為:

式中:PR為雷達發(fā)現(xiàn)敵潛艇的概率;S0為雷達進行系統(tǒng)搜索的面積;S為可能存在敵方潛艇的海域面積:D0為雷達發(fā)現(xiàn)潛艇艇體、通氣管、潛望鏡的距離:Vf為雷達搜索時的飛行速度;T為雷達搜索時間。

上述方法同樣適用于電子支援系統(tǒng)的搜索概率分析，不同之處在于電子支援系統(tǒng)和雷達對于進入作用距離之內(nèi)的目標，其信噪比改善不同，從而導(dǎo)致目標被發(fā)現(xiàn)的概率不同。

1.2 紅外前視儀(可見光)反潛搜索能力

紅外前視儀可以通過探測潛艇艇體、通氣管、潛望鏡等進行反潛搜索。遠距離時，這些潛艇的特征在紅外前視儀圖像中表現(xiàn)為一個點狀目標信息。因此可以采用點目標的相關(guān)方法進行反潛搜索能力的研究。

通常用假設(shè)H1代表目標存在的情況，用假設(shè)H0代表目標不存在的情況，設(shè)z為單幀圖像的一個觀測值。假設(shè)圖像的背景噪聲為高斯白噪聲，則二元假設(shè)可描述為:

式中:m1為目標信號幅值與背景噪聲均值之和，m0為背景噪聲的均值。η是均值為0、標準差為σ的高斯分布白噪聲。單幀觀測圖像中每個像素點的概率密度函數(shù)為:

根據(jù)信號檢測理論，平穩(wěn)正態(tài)噪聲條件下，單幀檢測門限為t時，單幀檢測概率Pd和單幀虛警概率Pf分別為:

其中:u和σ分別為噪聲的均值和標準差，SNR為信噪比。Φ(·)為標準正態(tài)分布函數(shù)。而單幀檢測概率、單幀虛警概率和信噪比之間的關(guān)系為:

在典型環(huán)境條件下，紅外探測距離與圖像信噪比之間存在如下關(guān)系［3］:

其中:C(t)—目標光譜輻射功率;a—大氣衰減系數(shù);β—系統(tǒng)增益。紅外光譜測距由于系統(tǒng)增益和大氣衰減系統(tǒng)在不同的天氣情況下為非常數(shù)，因此距離直接估算的精度較低，而激光輔助測距則是目前常用的手段。

當(dāng)紅外前視儀相對目標距離比較近的時候，目標呈現(xiàn)形狀信息，可以采用面目標識別概率進行潛艇目標的反潛搜索能力描述。實際情況是，當(dāng)反潛直升機接近潛艇時，潛艇將潛入水下，面目標識別的情況比較少。

1.3 磁探儀反潛搜索能力

我國領(lǐng)海大部分為淺海區(qū)，淺海不利的聲環(huán)境對探測安靜型潛艇的聲納浮標提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。但渾濁海水不影響氦光泵磁探儀的探測靈敏度，采用磁探儀探測安靜型潛艇是一種有效的方法。當(dāng)潛艇出現(xiàn)時，潛艇自身的磁異常將引起地磁場的擾動，通過檢測這種微弱的磁異常擾動可以對潛艇進行檢測和監(jiān)視［4］。

反潛直升機在H(km)高度飛行，潛艇在h(km)深度航行時，磁探儀的搜索寬度為:

其中:dcty(km)—磁探儀發(fā)現(xiàn)潛艇的距離。磁探儀搜索效率為:

其中:psb為磁探儀識別潛艇概率;vm—潛艇速度;vfj—反潛直升機搜索速度。

則應(yīng)召搜索發(fā)現(xiàn)概率為:

其中:n—反潛機數(shù)量;tss—搜索時間;Syz—應(yīng)召搜索海區(qū)面積。

巡邏搜索發(fā)現(xiàn)概率為:

其中:L(km)為巡邏線長度，且潛艇航向垂直于巡邏線方向。

1.4 聲納浮標搜索能力

直升機使用聲納進行離散搜索，放下聲納天線和起飛更換地方依次替換進行。離散搜索一個循環(huán)包括放下天線、搜索、收起天線和飛向下一地點。

tz—離散搜索一個周期所用時間;tf—放下天線所用時間;ts—搜索時間;tn—收起天線所用時間;th—飛向下一地點所用時間。

直升機每次懸停的搜索面積為:其中:dB—直升機聲納的作用距離。

在這個區(qū)域內(nèi)保證發(fā)現(xiàn)潛艇的概率等于接觸概率。因此，一架直升機的搜索效率為:

其中:Pk—接觸概率。

而直升機群的搜索效率為:

1.5 無線電聲納浮標搜索效率

當(dāng)浮標運行正常時，進入浮標作用區(qū)的潛艇被發(fā)現(xiàn)的概率等于接觸概率。而浮標的覆蓋范圍則是增大發(fā)現(xiàn)的可能性，針對應(yīng)召搜索的海域Syz，則潛艇進入浮標作用區(qū)域的可能性為:其中:Nσ—浮標數(shù)量;S0—單個浮標的作用面積;vσ—浮標的速度;tσ—值班時浮標工作的持續(xù)時問(或監(jiān)視持續(xù)的時間)。

整體搜索效率為:

2 反潛直升機搜潛的效能分析模型

2.1 搜潛效能評估指標的選取

裝備效能是在規(guī)定的條件下達到預(yù)期目標的能力，是裝備達到其任務(wù)目標程度的一種度量。所選擇的指標應(yīng)該能夠反映武器系統(tǒng)實際性能可達到的程度，能夠通過比較指標大小判定系統(tǒng)之間效能的高低。其次，所選擇的效能指標應(yīng)該是系統(tǒng)效能的增函數(shù)，也就是說指標越大，系統(tǒng)效能越高。同時還應(yīng)該遵循敏感性原則和可觀測性原則，即效能參數(shù)的變化能夠直接影響到系統(tǒng)效能數(shù)量的變化，并且這種變化是可以被觀測到的。

顯然，對于反潛作戰(zhàn)中潛艇位置和運動參數(shù)存在隨機性的搜潛任務(wù)，效能指標應(yīng)選擇具有概率性質(zhì)的數(shù)字特征來表示，通常用發(fā)現(xiàn)目標的概率—搜索概率指標來反映反潛直升機的搜潛效能。

另外，對于巡邏警戒反潛任務(wù)，由于沒有確切的搜索目標或更多的目標信息，效能指標還可以選用單位時間內(nèi)搜索面積的大小和覆蓋指定搜索海域的平均搜索時間來衡量。

搜索概率取決于目標散布的規(guī)律和大小、搜索的方式、有效作用距離、反潛直升機的巡邏飛行速度等因素，這些因素對于不同的搜索手段是有區(qū)別的，例如對于聲納浮標還與投放浮標的數(shù)量及監(jiān)視的持續(xù)時間(工作時間)等有關(guān)。搜索效率取決于搜索指定海域的大小，以及上述同樣的其它有關(guān)因素。

2.2 反潛直升機搜潛流程

反潛直升機在近海海域巡邏未發(fā)現(xiàn)潛艇跡象之前，首先采用雷達、紅外、電子支援系統(tǒng)對海面上處于潛望鏡狀態(tài)或通氣管狀態(tài)航行的潛艇進行搜索。當(dāng)發(fā)現(xiàn)和確認海面有潛艇航行的跡象時，或通過數(shù)據(jù)鏈通道獲得在某海域發(fā)現(xiàn)潛艇的信息時，反潛直升機應(yīng)立即飛往目標上空，指揮員要求聲納浮標系統(tǒng)操作員進入搜索狀態(tài)，首先投放溫度深度和海洋噪聲浮標進行測量，也可以調(diào)出數(shù)據(jù)庫中存儲的作戰(zhàn)海域水文數(shù)據(jù)。根據(jù)測量或查詢結(jié)果選擇聲納浮標工作深度，確定搜潛浮標布陣間距，然后布設(shè)被動全向聲納浮標搜索陣。典型的浮標陣包括5、7或9枚浮標組成的圓形搜索陣、16枚浮標組成的方形搜索陣，以及若干浮標布成的直線(弧線)攔截陣等。浮標陣布設(shè)完畢，直升機在浮標陣區(qū)域上空巡邏飛行，監(jiān)視和等待目標信號。聲納浮標探測的噪聲信號經(jīng)過聲信號處理機處理后，獲得目標噪音特征。聲納員通過監(jiān)聽潛艇噪聲也可以進行目標識別。

經(jīng)識別確認存在潛艇后，馬上進行對潛艇的定位。定位方法包括利用4枚被動全向聲納浮標進行低頻分析與定位，雙曲線定位或相關(guān)分析處理定位，被動定向聲納浮標的定向分析與記錄定位，主動全向聲納浮標的主動定位等。在目標己初步定位的條件下，可利用磁探儀進一步對目標進行識別和精確定位。在目標范圍比較明確時，也可直接使用磁探儀進行搜索和定位。

圖1 反潛直升機搜潛流程

2.3 反潛直升機搜潛的組合方案

在實施反潛作戰(zhàn)任務(wù)的過程當(dāng)中，指揮員面臨的信息量很大，需要根據(jù)不斷變化的戰(zhàn)場態(tài)勢，頻繁地與任務(wù)機組人員溝通，及時做出正確的決定。

1)巡邏反潛

巡邏搜潛時在指定的海域內(nèi)是否存在潛艇是不確定的，其它兵力在某片海域內(nèi)發(fā)現(xiàn)過潛艇也不盡能提供概略位置點的信息(也就是說潛艇可能均勻地出現(xiàn)在指定海域內(nèi)每一個位置點上)，需要運用搜索手段檢查排除或確認。

研究航空搜潛模式是典型的搜索尋優(yōu)問題。從搜索的基本模式來看，搜索可以分為最優(yōu)搜索和隨機搜索。所謂最優(yōu)搜索就是根據(jù)目標的分布規(guī)律，在一定的搜索力約束條件下，尋求一個搜索計劃或路線，使得發(fā)現(xiàn)目標的概率最大或時間最省;而隨機搜索是搜索率在搜索區(qū)域中是均勻分布的，搜索的路線是隨機的。

當(dāng)潛艇分布未知的情況下，一般采用扇形搜索路線，其基本組成單元為巡邏閉合線搜索。具體的搜潛組合為:遠距離時采用雷達進行目標(含潛望鏡和通氣管)檢測，如果發(fā)現(xiàn)目標則降低高度通過紅外和機載磁探儀進行搜索確認，確認目標后轉(zhuǎn)入聲納搜索狀態(tài)。因此其搜潛概率為:

2)應(yīng)召反潛

從執(zhí)行反潛任務(wù)前有或無潛艇位置和運動初始信息來看，應(yīng)召搜潛時在指定的海域內(nèi)某一時刻概略位置上存在過潛艇的活動，但由于潛艇活動的隨機性，潛艇的當(dāng)前位置呈一定的分布，使得反潛兵力到達搜索區(qū)域后，需要再次搜索定位:

反潛直升機機根據(jù)命令飛到指定海域，首先通過應(yīng)召預(yù)報點，以一定的搜索半徑作圓周搜索，其搜索圓半徑為潛艇速度與反潛直升機延遲時間的積。若未發(fā)現(xiàn)目標，則采用擴大或者縮小搜索半徑的方法繼續(xù)搜索，即采用螺旋搜索。

具體搜潛組合為:根據(jù)數(shù)據(jù)鏈的指令到達應(yīng)召預(yù)報點上空，通過磁探儀對預(yù)報區(qū)域進行探測，在此基礎(chǔ)上確定潛艇的可能性與可能位置，然后投放聲納浮標進行精確定位。因此應(yīng)召搜潛的概率為:

3 搜索概率仿真

3.1 仿真環(huán)境假設(shè)

1)總體假設(shè):反潛機航渡及搜索時飛行速度相同且保持不變;潛艇運動時，速度大小不變，且在［Vdl，Vdh］內(nèi)均勻分布。

2)巡邏搜索假設(shè):潛艇初始點位于距離巡邏線長度為L且與巡邏線平行的任意點上(L長度能保證在探測期間，潛艇一定能夠穿越探索區(qū))，潛艇運動方向垂直于巡邏線。

3)應(yīng)召搜索假設(shè):當(dāng)其他兵力發(fā)現(xiàn)目標，命令反潛機前去搜索，潛艇開始逃跑時，開始計時;潛艇逃跑的初始航向在360°內(nèi)服從均勻分布，且在逃跑過程中保持不變;定義潛艇初始位置與目標散布中心的距離為矢量:該距離偏北時為正，否則為負，假設(shè)其服從正態(tài)分布;潛艇初始方位服從360°上的均勻分布。

3.2 結(jié)果與比較

1)巡邏搜索仿真與分析

模擬條件如下:巡邏線長度50km，巡邏時間3h，飛行速度120km/h，飛行高度50m;磁探儀探測300m，可靠性0.9，深度100m，每次搜索時間 2min，接觸概率為0.05%，浮標作用距離為700m，可以獲得搜索概率與潛艇速度的關(guān)系如圖2所示，直升機數(shù)量與搜索概率的關(guān)系如圖3所示。

當(dāng)4架巡邏直升機編隊，并假定潛艇潛望深度航行狀態(tài)，雷達和紅外的檢測概率為0.5，并假定3架飛機檢測到潛艇的潛望鏡，則總的巡邏搜索效能如圖4所示。

2)應(yīng)召搜索仿真與分析

假設(shè)搜索時間1h，飛行速度120km/h，飛行高度50m，磁探儀探測 300m，可靠性0.9，深度100m，應(yīng)召搜索海區(qū)面積:30*30km2。接觸概率為0.1%，浮標正常運行概率為 0.9，作用范圍為6 km2，可以獲得直升機數(shù)量與搜索概率的關(guān)系如圖5所示，搜索概率與浮標數(shù)量的關(guān)系如圖6所示。

圖2 搜索概率與潛艇速度關(guān)系圖

圖3 直升機數(shù)量與搜索概率關(guān)系圖

圖4 搜索效能與潛艇速度關(guān)系圖

4 總結(jié)

針對反潛直升機機的搜潛問題，在詳細分析反潛直升機所搭載的眾多探潛設(shè)備，包括雷達、紅外前

圖5 搜索概率與直升機數(shù)量關(guān)系圖

圖6 搜索概率與浮標數(shù)量關(guān)系圖

視儀、聲納浮標、磁探儀等的性能的基礎(chǔ)上，針對應(yīng)召和巡邏兩種典型搜潛方式進行了典型組合搜潛方案的效能分析，為直升機反潛的研究提供相關(guān)的技術(shù)支持。

［1］孫明太.航空反潛裝備［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2012.

［2］丁鷺飛，耿富祿.雷達原理［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2001.

［3］朱炬波，周宏潮.紅外警戒系統(tǒng)的運動參數(shù)估計算法［J］.紅外與毫米波學(xué)報，2003，22(2):101-104.

［4］張陽程，盛 飛，王光源，等.航空磁探儀搜索概率模型建立與仿真研究［J］.海軍航空工程學(xué)院學(xué)報，2008，23(3):332-335.

［5］屈也頻.反潛巡邏飛機搜潛輔助決策系統(tǒng)建模與仿真研究［D］.北京:國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2008.

［6］岳增坤，高曉光.固定翼反潛巡邏機及其作戰(zhàn)效能分析［J］.火力與指揮控制，2007，32(5):27-30.

［7］趙曉哲，沈治河，主編.海軍作戰(zhàn)數(shù)學(xué)模型［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2004.