魚雷被動(dòng)聲自導(dǎo)搜索深度研究

由文立，周利輝，2，馬宏巖

（1.海軍潛艇學(xué)院，山東　青島　266042；2.海軍裝備研究院，北京　100161）

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魚雷被動(dòng)聲自導(dǎo)搜索深度研究

由文立1，周利輝1，2，馬宏巖1

（1.海軍潛艇學(xué)院，山東青島266042；2.海軍裝備研究院，北京100161）

摘要：魚雷被動(dòng)聲自導(dǎo)搜索艦船時(shí)，設(shè)定深度的選擇決定了搜索效能的發(fā)揮。被動(dòng)自導(dǎo)方程各項(xiàng)中，魚雷自噪聲與傳播損失隨深度變化，二者在深度上的分布通過信號(hào)余量影響自導(dǎo)作用距離與檢測(cè)概率。提出了基于被動(dòng)自導(dǎo)平均檢測(cè)概率的搜索效能值計(jì)算模型，將其作為魚雷搜索深度選擇依據(jù)。根據(jù)自噪聲級(jí)、傳播損失和聲納方程其他各項(xiàng)的仿真和計(jì)算，定量分析了3種典型聲速梯度下搜索效能隨深度變化情況，提出了被動(dòng)聲自導(dǎo)系統(tǒng)搜索深度設(shè)定原則。

關(guān)鍵詞：魚雷自導(dǎo)，搜索深度，自噪聲，搜索效能值

0　引言

魚雷被動(dòng)聲自導(dǎo)可單獨(dú)使用，或與尾流自導(dǎo)相結(jié)合，用于打擊中高速航行的大中型水面艦船。被動(dòng)聲自導(dǎo)系統(tǒng)在搜索目標(biāo)時(shí)，水平彈道需要進(jìn)行復(fù)雜的設(shè)計(jì)，而在垂直彈道上通常按照設(shè)定深度航行。魚雷被動(dòng)聲自導(dǎo)系統(tǒng)本質(zhì)上是一部小型聲納，其搜索深度的選擇，決定了搜索效能的發(fā)揮。而設(shè)定深度如何選擇，僅有部分定性分析和使用習(xí)慣，鮮有定量研究。

被動(dòng)自導(dǎo)搜索深度的研究，前提條件是評(píng)價(jià)探測(cè)效果的準(zhǔn)則或者指標(biāo)，進(jìn)而分析影響搜索效果的主要參量。自導(dǎo)作用距離是評(píng)價(jià)自導(dǎo)系統(tǒng)效能的主要指標(biāo)，其計(jì)算主要依據(jù)自導(dǎo)方程，結(jié)合方程中各項(xiàng)參數(shù)的計(jì)算進(jìn)行。被動(dòng)自導(dǎo)方程各項(xiàng)參數(shù)中，魚雷自噪聲級(jí)和傳播損失隨深度變化。本文將綜合考慮兩方面的影響，提出一種新的更能準(zhǔn)確反應(yīng)被動(dòng)自導(dǎo)效能的參數(shù)，作為魚雷被動(dòng)聲自導(dǎo)搜索深度選擇依據(jù)，研究不同水文條件下搜索深度設(shè)定原則。

1　魚雷被動(dòng)聲自導(dǎo)搜索效能值計(jì)算模型

采用被動(dòng)自導(dǎo)方程估算魚雷自導(dǎo)作用距離時(shí)，通常以固定的檢測(cè)概率（通常取0.5）確定檢測(cè)閾，當(dāng)聲納輸出信噪比高于檢測(cè)閾時(shí)則認(rèn)為發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。該方法計(jì)算簡(jiǎn)單，但是并不能準(zhǔn)確反映自導(dǎo)系統(tǒng)效能。在魚雷自導(dǎo)方程的基礎(chǔ)上，研究自導(dǎo)系統(tǒng)檢測(cè)概率是一種可取的方法。在聲納檢測(cè)概率方面，文獻(xiàn)［1-2］采用隨機(jī)聲納方程，以聲納方程中部分項(xiàng)的隨機(jī)性研究聲納檢測(cè)概率，進(jìn)而進(jìn)行聲納探測(cè)性能的預(yù)報(bào)。下面將從自導(dǎo)基陣和ROC曲線的角度研究自導(dǎo)系統(tǒng)檢測(cè)概率及以之為基礎(chǔ)的搜索效能值。

為了綜合衡量各種因素的影響，采用基于聲自導(dǎo)平均檢測(cè)概率的搜索效能值作為評(píng)價(jià)魚雷被動(dòng)聲自導(dǎo)深度選擇的標(biāo)準(zhǔn)。采用離散方式計(jì)算，被動(dòng)聲自導(dǎo)搜索效能值定義為：

其中，P即檢測(cè)概率pd在距離上的均值，r為雷目距離，Nr為水平方向計(jì)算點(diǎn)數(shù)，rmax為最大計(jì)算距離，SE為信號(hào)余量，F(xiàn)OM為聲納優(yōu)質(zhì)因子，zr和zs分別為魚雷深度和目標(biāo)深度。

檢測(cè)概率pd是信號(hào)余量SE的函數(shù)，信號(hào)余量越大則檢測(cè)概率越大。采用優(yōu)質(zhì)因子FOM與傳播損失TL計(jì)算信號(hào)余量SE，當(dāng)SE＞0時(shí)，則自導(dǎo)系統(tǒng)以某一概率發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。根據(jù)被動(dòng)聲自導(dǎo)方程，信號(hào)余量［3］為：

其中，Ra為經(jīng)過自導(dǎo)系統(tǒng)波束形成后的信噪比，RT為信噪比門限，SL為聲源級(jí)，TL為傳播損失，NL為噪聲級(jí)，AG為自導(dǎo)接收基陣陣列增益，DT為檢測(cè)閾。被動(dòng)自導(dǎo)方程各項(xiàng)中，傳播損失TL與噪聲級(jí)NL受自導(dǎo)系統(tǒng)工作深度影響。由于魚雷自導(dǎo)工作頻率較高，通常在15 kHz以上，采用高斯聲線束（GRAB）模型計(jì)算傳播損失TL。GRAB模型是高斯束動(dòng)態(tài)聲線跟蹤算法的近似，但形式更加簡(jiǎn)單，適用于高頻條件下本征聲線和傳播損失的快速計(jì)算，美海軍標(biāo)準(zhǔn)的GRAB模型是CASS（Comprehensive Acoustic System Simulation）的子系統(tǒng)。

在高速航行時(shí)，魚雷自導(dǎo)工作主要干擾為魚雷螺旋槳空化噪聲傳播到基陣形成的自噪聲。自噪聲主要為體積散射自噪聲NLV和界面散射自噪聲NLS，采用文獻(xiàn)［4-5］的計(jì)算方法，并對(duì)其模型進(jìn)行修正，考慮自導(dǎo)系統(tǒng)接收波束角空間濾波對(duì)自噪聲級(jí)的影響。

其中，SV為海水體積散射系數(shù)（通常為-90db～-70db），SNL（db）為魚雷輻射噪聲級(jí)，α（db/km）為海水吸收系數(shù)，r0（km）為自噪聲仿真計(jì)算距離，H（m）為魚雷距離海面或海底深度，Φ為被動(dòng)自導(dǎo)系統(tǒng)接收指向性圖，設(shè)魚雷被動(dòng)波束為理想波束情況，即立體波束角內(nèi)的接收指向性為1，其余為0。

魚雷被動(dòng)自導(dǎo)搜索目標(biāo)時(shí)，尚未發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，信號(hào)檢測(cè)通常采用能量檢測(cè)方式。若目標(biāo)噪聲信號(hào)幅值與環(huán)境噪聲幅值均服從高斯分布，且被動(dòng)自導(dǎo)系統(tǒng)為平方-積分處理方式，則自導(dǎo)接收機(jī)輸出信號(hào)與噪聲幅值服從瑞利分布。在寬帶條件［4］下：

其中，pf為虛警概率，M為時(shí)間采樣數(shù)，Δf為帶寬（Hz），Δt為積分時(shí)間（s）。erfc為補(bǔ)償誤差函數(shù)，erfc-1為其反函數(shù)。

將pd轉(zhuǎn)化為SE的函數(shù)。根據(jù)式（2）中SE的定義：

根據(jù)式（5）：

當(dāng)信號(hào)余量SE＜0時(shí)，取pd=0。因此，檢測(cè)概率

SE是將目標(biāo)、環(huán)境和自導(dǎo)系統(tǒng)三者聯(lián)系起來的量，采用基于信號(hào)余量的檢測(cè)概率的平均作為自導(dǎo)系統(tǒng)搜索效能值，綜合考慮了自噪聲和傳播損失對(duì)自導(dǎo)檢測(cè)效能的影響。

2　魚雷被動(dòng)聲自導(dǎo)搜索深度仿真分析

2.1魚雷自噪聲仿真分析

設(shè)海深100 m，海水吸收系數(shù)6 db/km，弱不平整海底，海底散射系數(shù)-18 db，海況三級(jí)，海面散射系數(shù)21 db，體積散射系數(shù)-80 db，魚雷工作深度40 m，聲自導(dǎo)水平波束角±35°，垂直波束角±10°，魚雷輻射噪聲級(jí)108 db，則在2 m～500 m的體積散射自噪聲、海面散射自噪聲、海底散射自噪聲和魚雷自噪聲仿真結(jié)果如圖1所示。

從圖1可以看出，魚雷自噪聲主要是海底和海面散射產(chǎn)生，而體積散射自噪聲可忽略。仿真距離超過15 m后，魚雷自噪聲趨于穩(wěn)定。在魚雷工作深度不同時(shí)，也具有類似結(jié)論。

為了研究魚雷自噪聲對(duì)被動(dòng)自導(dǎo)搜索深度的影響，下面對(duì)魚雷自噪聲隨深度變化進(jìn)行分析。將魚雷深度在5 m～95 m離散取值，自噪聲仿真結(jié)果如圖2所示。由圖2可以看出，魚雷在55 m、56 m深度航行時(shí)，自噪聲最低，僅為55.81 db；魚雷靠近海面或者海底時(shí)，由于界面散射的影響，自噪聲較大，在5 m和95 m時(shí)，自噪聲分別達(dá)58.9 db和57.9 db，超過55 m深度的自噪聲為2 db～3 db，因此，有必要研究自噪聲對(duì)魚雷被動(dòng)自導(dǎo)搜索深度的影響。

圖1　魚雷自噪聲仿真分析結(jié)果

2.2魚雷被動(dòng)自導(dǎo)搜索效能值仿真與分析

設(shè)魚雷被動(dòng)自導(dǎo)工作頻率為20 kHz，接收帶寬1 kHz，采用GRAB模型［6］計(jì)算負(fù)梯度、正梯度和負(fù)躍層3種典型聲速分布下的傳播損失，如圖3～圖5所示。

圖3為負(fù)梯度條件下的傳播損失（圖3（a））、信號(hào)余量（圖3（b））、檢測(cè)概率（圖3（c）），圖3（e）即為仿真分析得到的魚雷被動(dòng)自導(dǎo)在不同搜索深度上的搜索效能值。圖3（c）可以看出，負(fù)梯度條件下，被動(dòng)自導(dǎo)檢測(cè)概率在45 m深度左右最大，超過0.9檢測(cè)概率的自導(dǎo)作用距離約2.2 km。而在靠近海面和海底深度上，超過0.9檢測(cè)概率的自導(dǎo)作用距離僅1.7 km左右。圖3e可以看出，魚雷被動(dòng)自導(dǎo)最佳搜索深度為45 m，而圖2的分析表明，在56 m深度最低魚雷自噪聲。這是由于負(fù)梯度條件下，聲線往海底方向彎曲，使得大于聲源深度上傳播損失較小。魚雷被動(dòng)自導(dǎo)最佳搜索深度是綜合考慮了魚雷自噪聲和傳播損失在垂直方向上的分布的結(jié)果。

圖2　魚雷自噪聲隨深度變化情況

圖3　負(fù)梯度條件下的被動(dòng)自導(dǎo)搜索效能仿真

圖4　正梯度條件下的被動(dòng)自導(dǎo)搜索效能仿真

圖4為正梯度條件下的傳播損失、信號(hào)余量、檢測(cè)概率和搜索效能值。圖4（c）可以看出，正梯度條件下，被動(dòng)自導(dǎo)檢測(cè)概率在靠近海面的5 m深度最大，超過0.9檢測(cè)概率的自導(dǎo)作用距離約2.9 km。而在靠近海底深度上，超過0.9檢測(cè)概率的自導(dǎo)作用距離僅1.3 km左右。圖3（e）可以看出，魚雷被動(dòng)自導(dǎo)最佳搜索深度為5 m。這是由于正梯度條件下，聲線往海面方向彎曲，形成表面聲道。傳播損失成為影響被動(dòng)自導(dǎo)搜索深度的主要因素。在魚雷參數(shù)實(shí)際設(shè)定時(shí)，可設(shè)為接近海面的魚雷航行上限深度。

圖5為負(fù)躍層條件下的傳播損失、信號(hào)余量、檢測(cè)概率和搜索效能值。圖5（c）可以看出，負(fù)躍層條件下，被動(dòng)自導(dǎo)檢測(cè)概率峰值59 m深度，超過0.9檢測(cè)概率的自導(dǎo)作用距離約2.3 km。而在15 m左右的躍層深度上，超過0.9檢測(cè)概率的自導(dǎo)作用距離僅1.6 km。圖5（e）可以看出，魚雷被動(dòng)自導(dǎo)最佳搜索深度為59 m，同時(shí)在靠近海面的5 m深度上搜索效能仍比較理想。這是由于躍層中，傳播損失較大，使得搜索效能值在躍層內(nèi)存在波谷；在躍層以下，由于微弱正梯度和自噪聲的共同影響，搜索效能值較高；躍層以上，由于魚雷與目標(biāo)處于躍層同一側(cè)，

圖5　負(fù)躍層條件下的被動(dòng)自導(dǎo)搜索效能仿真

3　結(jié)論

仿真分析結(jié)果表明，在3種典型聲速分布條件下，由于魚雷自噪聲和傳播損失在水平深度上的差異，不同深度上的被動(dòng)自導(dǎo)作用距離相差40%～50%，嚴(yán)重影響魚雷被動(dòng)自導(dǎo)搜索效果，進(jìn)而影響魚雷作戰(zhàn)效能的發(fā)揮。在進(jìn)行魚雷搜索深度參數(shù)設(shè)定時(shí)，除了魚雷航行深度限制、作戰(zhàn)訓(xùn)練任務(wù)要求等約束，應(yīng)綜合考慮海況和海底地質(zhì)為主要因素影響下的魚雷自噪聲，海區(qū)聲速梯度條件影響下的傳播損失在深度上的分布。本文的研究結(jié)果為魚雷被動(dòng)自導(dǎo)搜索深度的選擇提供了依據(jù)和定量分析結(jié)果。

參考文獻(xiàn)：

［1］笪良龍.海洋水聲環(huán)境效應(yīng)建模與應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，2012：143-151.

［2］陳建勇，鞠建波，冷江.吊放聲納被動(dòng)探測(cè)的一次發(fā)現(xiàn)概率［J］.海軍航空工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，19（4）：482-484.

［3］AINSLIE M A.Principles of sonar performance modeling［M］. Berlin：Springer & Chichester：Praxis，2010：53-122.

［4］徐園園，王明洲，蔣繼軍.基于雙基地模型的魚雷自噪聲仿真預(yù)報(bào)［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2012，34（12）：24-29.

［5］徐園園，王明洲，蔣繼軍.基于聲散射模型的魚雷自噪聲特性分析及仿真預(yù)報(bào)［J］.魚雷技術(shù)，2013，21（2）：105-109.

［6］趙寧.GRAB算法實(shí)現(xiàn)［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2008：19-28.

Research on Searching Depth of
Torpedo Passive Acoustic Homing System

YOU Wen-li1，ZHOU Li-hui1，2，MA Hong-yan1
（1.Navy Submarine Academy，Qingdao 266042，China；2.Naval Academy of Armament，Beijing 100161，China）

Abstract：Torpedo passive acoustic homing system searching efficiency depends on setting depth when detecting targets. Torpedo self-noise level and propagation loss of the passive homing equation change with depth，which impact on homing range and detecting probability through signal excess. Searching efficiency model is proposed to design torpedo working depth. The efficiency is calculated from mean detecting probability. Torpedo self-noise level，propagation loss and other parameters are simulated and calculated. Passive homing system searching efficiency changing with depth is analyzed under three typical SSP conditions. The principles of passive acoustic homing system detecting depth setting are put forward.

Key words：torpedo homing system，detecting depth，self-noise，searching efficiency

中圖分類號(hào)：TJ63+1.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-0640（2016）05-0145-04

收稿日期：2015-04-05修回日期：2015-05-07

作者簡(jiǎn)介：由文立（1963-），男，遼寧沈陽人，碩士，高級(jí)工程師。研究方向：水中兵器使用與保障。