魚雷主動隱蔽探測技術可行性研究

吳亞軍，盧丁丁

（海軍裝備部，陜西 西安，710075）

魚雷主動隱蔽探測技術可行性研究

吳亞軍，盧丁丁

（海軍裝備部，陜西 西安，710075）

為了探討魚雷主動隱蔽探測技術的可行性及實現(xiàn)途徑，建立了由自導接收機模型、偵察接收機模型以及水聲信道模型構(gòu)成的低截獲自導系統(tǒng)模型。在此基礎上，對魚雷主動隱蔽探測的性能進行了理論分析和仿真評估，給出了魚雷主動隱蔽探測距離的預報。最后，從大時間帶寬積信號的生成和處理兩方面進行了魚雷主動隱蔽探測的可行性分析，提出了采用主動連續(xù)波自導來實現(xiàn)魚雷主動隱蔽探測的技術途徑，為魚雷主動隱蔽探測的工程實現(xiàn)提供依據(jù)。

魚雷自導系統(tǒng)； 主動隱蔽探測； 低截獲； 主動連續(xù)波

0　引言

隨著潛艇隱身技術和水聲對抗技術的發(fā)展，主動聲吶越來越受到重視。為了提高主動聲吶的隱蔽性，雷達使用的低截獲（low probability of intercept，LPI）技術被引入到聲吶界。1983年，J.R. Forest首次提出了LPI雷達方程［1］。目前，LPI技術在雷達領域已用于實際裝備［2］。

上世紀90年代起，LPI技術被逐步引入主動聲吶研究領域中，借助研究隱蔽的主動自導系統(tǒng)（concealed active homing system，CAHS）［3］實現(xiàn)魚雷主動聲自導方式下的隱蔽攻擊。該研究主要將寬帶、擴頻和偽隨機信號等主動隱蔽性信號的設計使用作為一種LPI的探測措施，探討其作用范圍和性能。2004年，P.Willett等人對LPI主動聲吶性能進行了分析，并得出初步結(jié)論: 由于受水聲信道影響，聲吶大時間帶寬積難以增大，在高斯噪聲背景下，聲吶低截獲性難以實現(xiàn)［4］。國內(nèi)學者近年來也在LPI主動聲吶［5-7］及魚雷主動隱蔽探測［8-9］方面進行了初步研究，但大都集中在對主動聲吶LPI性的定性分析，及主動隱蔽探測信號設計方面?；诖?，文中建立了完整的LPI自導系統(tǒng)模型，并通過計算機仿真對LPI自導系統(tǒng)性能進行定量分析與評估，結(jié)合自導系統(tǒng)實際情況，探討魚雷主動隱蔽探測技術的可行性。

1　LPI自導系統(tǒng)模型

魚雷、潛艇及偵察聲吶三者的相對位置如圖1所示。以魚雷作為參考，則潛艇位于魚雷發(fā)射波束主瓣，偵察聲吶通常位于魚雷發(fā)射波束的旁瓣； 而對于魚雷報警聲吶來說，偵察聲吶與潛艇在同一位置，也位于魚雷發(fā)射波束主瓣。下面分別給出魚雷LPI自導接收機模型、偵察接收機模型、水聲信道模型以及截獲概率因子模型。

圖1　魚雷隱蔽探測戰(zhàn)場態(tài)勢圖Fig. 1　Battlefield situation of torpedo concealed detection

1.1LPI自導接收機模型

適用于魚雷主動隱蔽探測的主要信號形式為大時間帶寬積的偽隨機編碼信號［1-9］，此類信號的最佳檢測器為匹配濾波器［10］，即

由式（1）可見，匹配濾波器與副本相關積分器是等效的，在實際應用中一般采用多個尺度副本（覆蓋可能的最大多普勒范圍）進行相關處理，然后選取最大值與門限比較，從而確定有無目標，其模型框圖如圖2所示。

匹配濾波器的處理增益

式中: T為信號時寬； B為信號帶寬。

1.2偵察接收機模型

由于LPI自導發(fā)射的信號為寬帶偽隨機編碼信號，偵察接收機沒有相應的先驗信息，其信號處理的最佳方式為濾波后的能量檢測器，并且已證明，在高斯背景下，最佳的能量檢測器為平方律檢測器，其模型框圖如圖3所示。

圖2　低截獲（LPI）自導接收機模型（尺度副本相關器）Fig. 2　The receiver model of low probability of intercept（LPI） homing system（scaled copy correlator）

圖3　偵察接收機模型（平方律檢測器）Fig. 3 The receiver model of reconnaissance system（square law detector）

平方律檢測器的處理增益

式中: T為積分時間； ?τ是噪聲的等效相關時間，且

其中，ρu（τ）為噪聲的自相關系數(shù)。

1.3信道模型

淺水信道比深水信道更有利于魚雷的主動隱蔽探測［4］。淺水信道情況下，由于上下界面的存在，聲波以柱面向外擴展，即聲強隨距離的反一次方衰減； 而深水信道情況下，上下界面影響小，聲波以球面向外擴展，即聲強隨距離的反平方衰減，更強的信號衰減不利于主動隱蔽探測。相對于加性高斯白噪聲（additive white gauss noise，AWGN）來說，非高斯噪聲（拖尾噪聲）情況下更有利于主動隱蔽探測的實現(xiàn)。原因在于，非高斯噪聲情況下平方律檢測器的性能惡化遠大于匹配濾波器。

綜上所述，采用深水信道模型（即球面擴展模型）與AWGN噪聲模型，對于魚雷主動隱蔽探測來說是較為嚴格的信道條件。

1.4截獲概率因子

魚雷自導被截獲的性能可用LPI概率因子來衡量，參照Schleher的雷達LPI因子方程定義［11］，魚雷自導截獲概率因子也可定義為

式中: RI為水下偵察接收機能夠發(fā)現(xiàn)自導發(fā)射信號的最大距離； RT為魚雷自導探測目標的最大距離。

通常，將α＜1的自導系統(tǒng)稱為LPI概率自導系統(tǒng)，LPI概率自導的作用距離大于水下偵察接收機的作用距離，即RT＞RI，滿足這個條件時，魚雷可實現(xiàn)真正意義上的主動隱蔽探測。

根據(jù)聲吶方程，偵察接收機的優(yōu)質(zhì)因素為

式中，TL（RI）為傳播損失。其中: RI是水下偵察接收機的作用距離； SLI為聲源級； NLI為環(huán)境噪聲級； GSI為空間增益； GTI為時間增益；DTI為檢測閾。

同理，可得自導接收機的優(yōu)質(zhì)因素為

式中: TST為目標強度； NLT為自導自噪聲級； GST為自導接受機接受指向性指數(shù)； 其余參數(shù)與偵察接收機的優(yōu)質(zhì)因素表示式中參數(shù)的含義相同。

假設SLT=SLI，NLT=NLI，再由DTT=10lg（d），DTI=5lg（d），d為檢測指數(shù)，且自導接收機與偵察接收機的檢測指數(shù)相同，可將上式簡化為

式中:ΔGS=（GST-2GSI）； ΔGT=（GTT-2GTI），GTI=5lg （T）。當積分時間T與噪聲相關時間相等時，增益為零，對于偵察接收機來說是性能最差的情況； 當積分時間T與發(fā)射信號脈寬相同，噪聲相關時間為發(fā)射信號帶寬的倒數(shù)時，對于偵察接收機來說是性能最好的情況。實際情況下，偵察接收機無法獲得發(fā)射信號的脈寬與帶寬等參數(shù)，不能實現(xiàn)最佳匹配，因此性能介于兩者之間，并且傾向于最差情況。

2　魚雷主動隱蔽探測性能仿真與評估

由式（9）可得，魚雷實現(xiàn)主動隱蔽探測時所需的聲源級應滿足

假設自導工作中心頻率為30 kHz，目標強度TST= 12 dB，魚雷自導自噪聲級與環(huán)境噪聲級相當，且NLI= 50 dB，自導接收機接收指向性指數(shù)GST=20 dB，ΔGS分別取20，30和40 dB。假設系統(tǒng)檢測允許的虛警概率為0.1%，檢測概率為90%，并根據(jù)AWGN噪聲假設，可以計算出檢測指數(shù)d = 19.27。分別對偵察接收機性能最差和最好2種情況進行討論。

偵察接收機性能最差時，發(fā)射源級應滿足

再由式（9）可得，TL（RT）≤TST+10lg（2BT ）-5lg（d）+（ΔGS+GST）/2，由此可以計算出魚雷主動隱蔽探測的最遠作用距離。圖4給出了不同ΔGS取值下，允許的最大發(fā)射源級SLT、優(yōu)質(zhì)因素FOMT信號時間帶寬積BT之間的關系曲線。其中，GST=20 dB，ΔGS=30 dB時的最遠隱蔽探測距離與BT的對應關系見表1。

在實際工程應用情況下，ΔGS取30 dB是合理可行的（旁瓣截獲），由圖4（a）可知，此時所需的最大聲源級不超過135 dB。由表1可知，魚雷主動隱蔽探測的最遠作用距離不超過1 600 m。

表1　偵察接收機性能最差時最遠隱蔽探測距離與時間帶寬積對應表Table 1　The relation between the largest concealed detection range and the time-bandwidth product in the worst reconnaissance receiver performance case

偵察接收機性能最好情況下，同理可得

由此可計算出魚雷主動隱蔽探測的最遠作用距離。

圖4　偵察接收機性能最差情況下的探測性能Fig. 4　The detection performance in the worst reconnaissance receiver performance case

圖5給出了不同ΔGS取值下，允許的最大發(fā)射源級SLT、優(yōu)質(zhì)因素FOMT信號時間帶寬積BT之間的關系曲線。其中，GST=20 dB，ΔGS=30 dB時的最遠隱蔽探測距離與BT的對應關系見表2。由圖5（a）可知，ΔGS取30 dB時，所需的最大聲源級不超過115 dB。由表2可知，魚雷主動隱蔽探測的最遠作用距離不超過400 m。

圖5　偵察接收機性能最好情況下的探測性能Fig. 5　The detection performance in the best reconnaissance receiver performance case

表2　偵察接收機性能最好時最遠隱蔽探測距離與時間帶寬積對應表Table 2　The relation between the largest concealed detection range and the time-bandwidth product in the best reconnaissance receiver performance case

3　可行性分析

由仿真分析可知，實現(xiàn)魚雷主動隱蔽探測的關鍵就是采用大時間帶寬積信號所獲取的相干處理增益，通常所需的時間帶寬積成千上萬。從大時間帶寬積信號的生成和處理2方面進行魚雷主動隱蔽探測的可行性分析。以BT = 4 000的信號產(chǎn)生與處理為例，對于1 000 m左右的探測距離，自導工作周期一般在1～2 s之間，信號脈寬一般在100～200 ms之間，信道相干帶寬在幾百赫茲到幾千赫茲，若采用傳統(tǒng)的脈沖工作體制，則需要信號的帶寬在20～40 kHz之間，在魚雷自導頻段內(nèi)產(chǎn)生帶寬如此之寬的信號是非常困難的，并且信道的相干帶寬是有限的，經(jīng)信道傳輸后，相干檢測的失配很大，不能獲取理想的相干處理增益； 若采用編碼脈沖串工作體制，如最簡單的FM脈沖串，則需要由10個脈寬200 ms帶寬2 kHz的FM脈沖組成，脈沖串總長2 s，即占空比100%，雖為連續(xù)波發(fā)射，但是所需的發(fā)射源級很低（不大于135 dB），因此發(fā)射機是可承受的。

由上述的分析可見，魚雷主動隱蔽探測的可行性取決于魚雷主動連續(xù)波自導技術的可行性，魚雷主動連續(xù)波自導可采用編碼脈沖串、均勻?qū)挷ㄊl(fā)射靜態(tài)多波束接收，以及功率管理等措施來實現(xiàn)。

4　結(jié)束語

文中通過建立自導接收機模型、偵察接收機模型以及信道模型構(gòu)成了LPI自導系統(tǒng)模型，在此基礎上，對魚雷主動隱蔽探測的性能進行了理論分析和仿真評估，最后從大時間帶寬積信號的生成和處理兩個方面進行了魚雷主動隱蔽探測的可行性分析，得出了要實現(xiàn)魚雷主動隱蔽探測必需突破魚雷主動連續(xù)波自導技術的結(jié)論。目前，國內(nèi)外主動連續(xù)波聲吶在水聲工程領域的應用研究較少，下一步將重點開展此項技術研究。

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（責任編輯: 楊力軍）

Study on Feasibility of Torpedo Active Concealed Detection Technology

WU Ya-jun，LU Ding-ding
（Xi′an Representative Bureau，Naval Armament Department，Xi′an 710054，China）

To discuss the feasibility and realization of torpedo active concealed detection technology，a model of low probability of intercept（LPI） homing system are established，including a model of homing receiver，a model of reconnaissance receiver and a model of underwater acoustic channel. Then theoretical analysis and simulation evaluation on the performance of torpedo active concealed detection are performed，and forecasting of torpedo active concealed detection range is given. In addition，feasibility analysis of torpedo active concealed detection is carried out from the aspects of the generation and process of large time-bandwidth product signal，and technical route for realizing the torpedo active concealed detection through active continuous wave homing is proposed，which may provide an approach for engineering implementation of the torpedo active concealed detection.

torpedo homing system； active concealed detection； low probability intercept； active continuous wave

TJ630.34； TB566

A

1673-1948（2015）02-0108-05

2014-10-23；

2014-12-17.

吳亞軍（1979-），男，工程師，主要從事魚雷科研和生產(chǎn)的管理工作.