基于角反射器的誘掃主動(dòng)攻擊水雷方法

羅　祎,何華云,陳　鑫

(1.海軍工程大學(xué)兵器工程系,湖北 武漢　430033;東海艦隊(duì)裝備部,浙江 寧波　315000)

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基于角反射器的誘掃主動(dòng)攻擊水雷方法

羅祎1,何華云2,陳鑫1

(1.海軍工程大學(xué)兵器工程系,湖北 武漢430033;東海艦隊(duì)裝備部,浙江 寧波315000)

針對現(xiàn)有對抗主動(dòng)攻擊水雷方法的不足,根據(jù)主動(dòng)攻擊水雷工作特點(diǎn),提出了利用串聯(lián)角反射器模擬潛艇聲反射,結(jié)合聲掃雷具模擬潛艇聲輻射,聯(lián)合誘騙主動(dòng)攻擊水雷的方法。建立了模擬潛艇聲反射強(qiáng)度計(jì)算模型,給出了從聲反射強(qiáng)度及尺度特征方面模擬潛艇特征的方法,并進(jìn)行了初步驗(yàn)證。為便于使用及提高對抗效率,對角反射器的類型、邊長及構(gòu)造進(jìn)行了深度優(yōu)化,顯著提高了對抗主動(dòng)攻擊水雷時(shí)的效率,證明了該方法的有效性。

角反射器;誘騙;主動(dòng)攻擊水雷

主動(dòng)攻擊水雷受到越來越多國家的重視,如美國的Mk60系列、ISBHM，日本的KRX2，德國的G3,意大利的MAF0S1,俄羅斯的MTΠΚ-1、MTΠΚ-2、MPΠΚ-1等。主動(dòng)攻擊水雷通常利用潛艇的輻射及反射聲特征工作,利用被動(dòng)聲引信(聲納)值更,探測潛艇聲輻射信號(hào),利用主動(dòng)聲納探測潛艇聲反射特征,以確認(rèn)目標(biāo)及方位,然后釋放戰(zhàn)斗部攻擊目標(biāo)潛艇,定深一般在300-1000m之間[1-3]。

受工作模式及作用范圍限制,常用的接觸掃雷具、獵雷裝備及非接觸掃雷具均無法有效對抗這類特種水雷。接觸掃雷具及獵雷裝備工作深度無法達(dá)到主動(dòng)攻擊水雷待機(jī)深度,聲掃雷具作為點(diǎn)聲源,只能模擬潛艇聲輻射特征,無法模擬潛艇的聲反射尺度特征,也無法對抗這類水雷。

文獻(xiàn)[4]提出了一種對抗主動(dòng)攻擊水雷方法。該方法與反魚雷誘餌原理相似,采用高、低頻發(fā)聲器模擬艦艇聲輻射,采用接收應(yīng)答方式模擬艦艇聲反射,即對主動(dòng)聲探測信號(hào)接收、處理后再發(fā)射出去,利用多個(gè)應(yīng)答器陣元模擬艦艇回波亮點(diǎn),實(shí)現(xiàn)對艦艇的尺度模擬。通過模擬艦艇聲輻射及反射特征,制造假目標(biāo),誘騙主動(dòng)攻擊水雷釋放戰(zhàn)斗部,使其失效。但如同反魚雷誘餌一樣,接收應(yīng)答方式技術(shù)復(fù)雜,設(shè)備造價(jià)昂貴,功耗大;應(yīng)答信號(hào)難以完全模擬潛艇的物理反射,易失真,低頻應(yīng)答信號(hào)時(shí)間延遲大,可能被主動(dòng)聲納識(shí)別,主動(dòng)攻擊水雷距目標(biāo)與魚雷距目標(biāo)相比更近,這一問題顯得更突出。

為此,本文提出一種利用角反射器無源反射模擬潛艇聲反射特征的方法,可以簡便地模擬潛艇對水聲信號(hào)的物理反射,與聲掃雷具結(jié)合,誘騙主動(dòng)攻擊水雷誤動(dòng)作。

1　基本方法

本方法的基本設(shè)想是,根據(jù)主動(dòng)攻擊水雷工作時(shí)由下向上側(cè)對目標(biāo)進(jìn)行水聲探測的特點(diǎn),利用角反射器有效反射面積大的優(yōu)點(diǎn),多個(gè)小型角反射器串聯(lián),反射面朝向下側(cè),以模擬潛艇的聲反射強(qiáng)度及尺度特征;利用聲掃雷具模擬潛艇聲輻射特征。當(dāng)模擬信號(hào)與潛艇聲信號(hào)特征相似時(shí),就可以誘騙主動(dòng)攻擊水雷釋放戰(zhàn)斗部,使其被消耗掉。

誘掃主動(dòng)攻擊水雷原理圖如圖1所示。利用掃雷艦拖帶,處于水下一定深度。利用聲掃雷具模擬潛艇聲輻射,利用多個(gè)角反射器串聯(lián)模擬潛艇聲反射,聯(lián)合對抗主動(dòng)攻擊水雷。

圖1　誘掃主動(dòng)攻擊水雷原理

由上圖可知,該方法的關(guān)鍵是利用多個(gè)角反射器的反射聲場來模擬潛艇反射聲場,包括聲強(qiáng)度模擬及尺度特征模擬。

強(qiáng)度模擬要求反射器的聲反射強(qiáng)度大于潛艇聲反射強(qiáng)度。從下側(cè)看,潛艇結(jié)構(gòu)近似為旋轉(zhuǎn)橢球體,將潛艇等效為旋轉(zhuǎn)橢球體,橢球體的長軸和短軸分別對應(yīng)潛艇艇體長度和橫截面直徑,其水聲反射強(qiáng)度(有效反射面積)有[5]

(1)

現(xiàn)代潛艇外殼都敷設(shè)有消音瓦,對外部入射聲信號(hào)有吸收作用,實(shí)際反射信號(hào)會(huì)變小,取消音系數(shù)為m,則有

(2)

其中,S潛為潛艇有效反射面積(單位m2)。

對于多個(gè)相同的串聯(lián)角反射器,當(dāng)反射器邊長大于入射波長時(shí)有

(3)

其中，S角為角反射器有效反射面積(單位m2);n為角反射器數(shù)量;a為角反射器邊長(單位m);λ為入射波波長(單位m)有

λ=V/f

(4)

其中，V為聲波在水下傳播速度(單位m/s),為一常數(shù);f為入射波頻率(單位Hz)。

兩者聲反射強(qiáng)度比,即有效反射面積之比

K=S角/S潛

(5)

當(dāng)K大于1時(shí),表明在相同的入射信號(hào)下,角反射器的聲反射強(qiáng)度大于潛艇聲反射強(qiáng)度,滿足模擬要求。K越大對反射器越有利,可以用更小的反射器模擬潛艇聲反射特征。

尺度特征模擬主要體現(xiàn)在潛艇的聲反射縱向尺度。設(shè)潛艇殼體對下側(cè)信號(hào)反射能力均勻,采用數(shù)個(gè)外形流暢的角反射器串聯(lián)(如圖1),使反射器尺寸相同,相互等間隔,且總長度與潛艇長度相當(dāng),當(dāng)反射面朝下時(shí),就可保證對反射器下側(cè)入射信號(hào)的有效反射,且模擬出數(shù)個(gè)等強(qiáng)度縱向回波亮點(diǎn),即潛艇聲反射縱向尺度特征。當(dāng)艇體對下側(cè)信號(hào)反射能力不一致時(shí),可通過調(diào)整不同位置角反射器尺寸大小來調(diào)節(jié),這里不再探討。

因此,通過上述方法,可以利用角反射器模擬潛艇聲反射強(qiáng)度,并且能模擬出縱向尺度特征,就可以滿足對抗主動(dòng)攻擊水雷的需要。

2　仿真驗(yàn)算

為了初步驗(yàn)證本方法的可行性,選一般潛艇為模擬對象。取艇體長軸為80m,艇體截面直徑為8m,艇體消音系數(shù)為0.5,水雷主動(dòng)探測信號(hào)與潛艇縱向夾角取30°,水下聲速V取1480m/s。利用5個(gè)相同角反射器串聯(lián),間隔16m,反射面朝下,角反射器邊長取0.6m,模擬縱向5個(gè)相隔16m的聲反射回波亮點(diǎn),與潛艇的縱向聲反射尺度特征相當(dāng)。

下面計(jì)算兩者的聲反射強(qiáng)度比。

主動(dòng)聲納工作頻率大多在數(shù)千赫茲以上,為此計(jì)算3kHz～20kHz入射頻率下反射強(qiáng)度比。此時(shí)入射波長小于0.494m,主動(dòng)聲納探測距離一般大于1km,代入計(jì)算可知滿足公式(1)、(3)的使用條件,利用公式(5)計(jì)算,結(jié)果如圖2所示?？梢钥闯?反射強(qiáng)度比K均大于1。同樣入射頻率下,方形反射器模擬回波能力最強(qiáng),三角形反射器模擬回波能力相對較弱。當(dāng)入射信號(hào)頻率f=3kHz時(shí),采用三角形反射器的反射強(qiáng)度比K=6.3為最小值。隨著頻率增大,K值迅速增加,可以用更小的反射器模擬潛艇回波反射,取得相同效果。

圖2　不同反射器的頻率、反射強(qiáng)度比關(guān)系

3　進(jìn)一步優(yōu)化

3.1反射器類型及邊長優(yōu)化

從上面計(jì)算看出,模擬同樣潛艇回波,方形角反射器能力最強(qiáng),可以用更小尺寸的反射器模擬艦艇聲反射。但從水下拖曳的角度看,方形角反射器外形及結(jié)構(gòu)往往不利于拖曳,此外,還要考慮到不同角反射器的方向性差異對誘掃寬度的影響。三角形角反射器方向圖寬度約為40°,圓形及方形的方向圖寬度分別為30°、25°[6-7]。

設(shè)角反射器方向圖寬度為β,反射器距主動(dòng)水雷垂直距離為h,當(dāng)反射器朝向下側(cè)時(shí),其最大有效反射范圍,即為對抗主動(dòng)攻擊水雷時(shí)的掃寬B,可知

(6)

因此,考慮角反射器的方向性時(shí),采用三角形、圓形及方形角反射器所對應(yīng)的掃寬分別為0.73h、0.54h、0.44h,可見,采用方形角反射器時(shí)掃寬較小,為增大掃寬,選擇三角形反射器顯然有利。

為便于使用,還需在滿足模擬要求前提下優(yōu)選最小反射器邊長a。對三角形角反射器,利用公式(5)及上例中數(shù)據(jù),可得到角反射器邊長a、入射信號(hào)頻率f、反射強(qiáng)度比K之間的關(guān)系,如圖3所示。

圖3　邊長、頻率與強(qiáng)度比關(guān)系

根據(jù)聲反射強(qiáng)度比K>1的要求,可得到角反射器邊長范圍:a≥0.38m;根據(jù)角反射器邊長大于入射波長(此時(shí)入射波長范圍為0.074m～0.493m)的要求,可選取角反射器邊長a為0.5m。重新利用公式(5)計(jì)算,此時(shí)三角形反射器陣與潛艇的反射強(qiáng)度比如表1所示。當(dāng)入射信號(hào)頻率f=3kHz時(shí),反射強(qiáng)度比K=3.03為最小值,隨著頻率增大,K值迅速增加,更加滿足回波強(qiáng)度要求。為此,確定角反射器邊長a=0.5 m,這一尺寸顯著小于被模擬潛艇尺寸,便于水下拖曳使用。

表1　不同入射頻率下反射強(qiáng)度比

3.2反射器構(gòu)造優(yōu)化

為提高對抗主動(dòng)攻擊水雷時(shí)的效率,需進(jìn)一步增大對抗主動(dòng)攻擊水雷時(shí)的掃寬。可考慮采用多格反射器,同時(shí)要盡量避免反射器間出現(xiàn)反射盲區(qū)導(dǎo)致漏掃。從角反射器構(gòu)造看,采用二格、四格方便,但由角反射器方向圖寬度可知,相鄰兩反射器間有反射盲區(qū),會(huì)造成較大漏掃。單個(gè)三角形角反射器方向圖寬度40°左右,在二格角反射器(如圖4)基礎(chǔ)上,構(gòu)建如圖5所示的三格三角形角反射器。三個(gè)三角形角反射器尺寸相同、頂點(diǎn)重合,其中第3個(gè)三角形角反射器與其余兩個(gè)錯(cuò)位45°,貼于它們正后方。使用時(shí)反射面朝向下側(cè),由圖6可知,此時(shí)可對反射器下側(cè)130°范圍入射聲信號(hào)有效反射,且反射器正下方無死區(qū),但兩側(cè)各有5°的區(qū)域會(huì)出現(xiàn)漏掃。

圖4　二格角反射器

圖5　三格角反射器

圖6　有效反射方向圖

由公式(6)可知,這種方案下對抗主動(dòng)攻擊水雷的掃寬為

遠(yuǎn)大于三個(gè)三角形反射器單獨(dú)使用時(shí)的掃寬之和2.19h,對于提高對抗主動(dòng)攻擊水雷效率非常有利。主動(dòng)攻擊水雷一般布設(shè)深度較大,假設(shè)其布設(shè)深度為500m,反射器位于水下20m,則最大掃寬高達(dá)2054m。因此,采用這種樣式對抗主動(dòng)攻擊水雷效率非常高。

由圖6可知,漏掃區(qū)寬度為

B′=2h×tan(25°)-2h×tan(20°)=0.2h

因此,漏掃率為

漏掃率小于5%,能較好地滿足對抗水雷要求。

4　結(jié)束語

由上面分析可以看出,本方法模擬潛艇聲反射更接近潛艇對水聲信號(hào)的物理反射過程,簡便、無能耗,模擬信號(hào)不易失真、無時(shí)間延遲,結(jié)合聲掃雷具模擬潛艇聲輻射,能有效對抗主動(dòng)攻擊水雷。

受篇幅所限,文中只對基于角反射器的誘騙主動(dòng)攻擊水雷方法進(jìn)行了初步探討,對利用反射器更精確模擬潛艇聲反射,以及反射器的流體動(dòng)力特性等問題還需進(jìn)一步研究。

[1]陳雄洲,劉艷萍.國外主動(dòng)攻擊型水雷發(fā)展趨勢分析[J].水雷戰(zhàn)與艦船防護(hù),2001,19(2):1-3.

[2]陳開權(quán).美國的自導(dǎo)水雷[J].水雷戰(zhàn)與艦船防護(hù),2005,23(2):49-51.

[3]張運(yùn)龍,張旭,羅一丁.主動(dòng)攻擊水雷可攻區(qū)域研究[J].火力與指揮控制,2015,40(10):1762-1764.

[4]盧剛.誘掃主動(dòng)攻擊水雷技術(shù)[J].水雷戰(zhàn)與艦船防護(hù),2009,17(4):1-6.

[5]劉伯勝,雷家煜,水聲學(xué)原理[M],哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社,2010:166-167.

[6]張永順,童寧寧,趙國慶.雷達(dá)電子戰(zhàn)原理[M].第2版.北京:國防工業(yè)出版社,2010:148-154.

[7]Christian G.Bachman.Radar Targets[M].Lexington: Lexington Books,1982:72-73.

Method of Cheating Moving Mine Based on Corner Reflector

LUO Yi1,HE Hua-yun2,CHEN Xin1

(1.Dept.of Weaponry Eng.,Naval University of Engineering,Naval University of Engineering,Wuhan 430033;2.Equipment Department of East China Sea Fleet,Ningbo 315000,China)

In accordance with the weakness of lack for means of countering moving mine and the characteristic of moving mine,a new idea of joint cheating moving mine using corner reflector and sound sweeper was put forward.The mathematics model of simulating sound reflecting of submarine was built,and the realizing method of simulating intensity and scale character were put forward.in order to convenient use and improving efficiency,the type、size and structure of corner reflector were optimized.Results of calculation prove that the efficiency was improved,and the method was feasibility.

corner reflector; cheating;moving mine

1673-3819(2016)05-0112-04

2016-05-27

2016-07-21

羅祎(1974-)，男，湖北十堰人，博士，副教授，研究方向?yàn)楸骺茖W(xué)與技術(shù)。

何華云(1973-)，男，碩士，工程師。

陳鑫(1994-)，男，碩士研究生。

E917；TJ61.7

ADOI:10.3969/j.issn.1673-3819.2016.05.024