魚雷被動聲自導(dǎo)檢測概率研究

由文立,周利輝,2

(1 海軍潛艇學(xué)院,山東青島 266000;2 海軍裝備研究院,北京 100171)

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魚雷被動聲自導(dǎo)檢測概率研究

由文立1,周利輝1,2

(1 海軍潛艇學(xué)院,山東青島 266000;2 海軍裝備研究院,北京 100171)

為了研究魚雷聲自導(dǎo)性能,有必要對自導(dǎo)系統(tǒng)檢測概率進行分析。從自導(dǎo)接收機信號處理方式、檢測概率與檢測閾的關(guān)系出發(fā),提出了基于信號余量的被動聲自導(dǎo)檢測概率計算方法。仿真結(jié)果表明,魚雷聲自導(dǎo)系統(tǒng)被動檢測概率在距離上成三種分布。在一定距離內(nèi),檢測概率均超過0.5;在遠(yuǎn)距離上僅有極個別深度可檢測到潛艇目標(biāo);在前兩者之間,檢測概率受深度影響較大,因此有必要進行深度上的優(yōu)化選擇。

聲自導(dǎo)檢測概率;接收特性曲線;檢測閾;信號余量

0 引言

魚雷自導(dǎo)方程將海水介質(zhì)、目標(biāo)、魚雷綜合在一起,是自導(dǎo)系統(tǒng)性能預(yù)報的基本關(guān)系式[1-2]。通常以自導(dǎo)作用距離評估魚雷自導(dǎo)系統(tǒng)性能[1,3-4],易于計算,但分析自導(dǎo)系統(tǒng)檢測概率是一種更為合理的方法。聲自導(dǎo)系統(tǒng)本質(zhì)上說是一部聲納,文獻[5-6]采用隨機聲納方程,以聲納方程中部分項的隨機性研究聲納檢測概率,進而進行聲納探測性能的預(yù)報。接收機工作特性曲線(ROC)表征了檢測概率、虛警概率和輸出信噪比的關(guān)系。文中將從ROC曲線出發(fā),從接收機和信號的角度研究被動聲自導(dǎo)系統(tǒng)檢測概率與信號余量的關(guān)系,為預(yù)報自導(dǎo)系統(tǒng)探測性能提供依據(jù)。

1 被動聲自導(dǎo)系統(tǒng)接收特性曲線

魚雷被動聲自導(dǎo)系統(tǒng)采用寬帶接收機,信號處理采用非相干處理方式,若信號與噪聲幅值服從瑞利分布,則檢測概率pd[7]為:

(1)

式中:erfc為補償誤差函數(shù);erfc-1為其反函數(shù),且

(2)

式中:pf為虛警概率;Ra為經(jīng)過自導(dǎo)系統(tǒng)波束形成后的信噪比;M為時間采樣數(shù):

M=2ΔfΔt

(3)

式中:Δf為帶寬(Hz);Δt為積分時間(s)。則信噪比門限RT和檢測閾DT為:

DT=10lgRT

(4)

設(shè)Δf=19kHz,Δt=4s,取不同的pd、和pf和DT則形成一簇ROC曲線,如圖1所示。

圖1 魚雷被動聲自導(dǎo)系統(tǒng)ROC曲線

當(dāng)pd=0.5,pf=10-4時,則RT=0.0588,DT=-18.6dB。

2 自導(dǎo)系統(tǒng)檢測概率計算

檢測概率pd由自導(dǎo)系統(tǒng)輸出端信噪比Ra決定,自導(dǎo)系統(tǒng)性能預(yù)報時通常采用信號余量SE分析,因此將pd轉(zhuǎn)化為SE的函數(shù)。被動自導(dǎo)方程下的信號余量定義為:

SE

(5)

信號余量SE表示自導(dǎo)系統(tǒng)接收機輸出端實際信噪比超過信噪比門限的量,其中,SL為聲源級,TL為傳播損失,NL為環(huán)境噪聲級,AG為自導(dǎo)系統(tǒng)陣列增益。根據(jù)式(5)可得:

Ra=RT10SE/10

(6)

可得,檢測概率pd為:

(7)

通過式(7)的計算,即可將信號余量SE轉(zhuǎn)變?yōu)閜d檢測概率,如圖2所示。

圖2 檢測概率與信號余量的關(guān)系

3 仿真與結(jié)果分析

設(shè)潛艇速度為4kn,魚雷自導(dǎo)系統(tǒng)接收頻段[f1,f2]為[1kHz,20kHz],在此頻帶內(nèi)潛艇輻射噪聲譜具有-6dB/octave下降的特征,則潛艇噪聲聲源級SL為:

SL=SL0-1.40+10lg(10-0.6f1-10-0.6f2)

(8)

其中,SL0為潛艇輻射噪聲在1kHz的譜級。文中取SL0=110dB,計算可得SL=102.6dB。

對于淺海,可以通過下式估算環(huán)境噪聲譜級。

NLf=10lgf-1.7+6S+55

(9)

式中:f為頻率(kHz);S為海況等級(S=0,1,…,9),則環(huán)境噪聲級為:

(10)

設(shè)海況三級,則環(huán)境噪聲級為NL=68.7dB。

傳播損失TL的計算可采用各種水聲傳播模型進行,具體采用何種模型與頻率有關(guān)。在寬帶條件下,由于潛艇噪聲譜級以-6dB/octave下降,可采用接收頻段的幾何中心頻率f0作為傳播損失計算的頻率,計算可知f0=4.47kHz。設(shè)海深為70m,泥沙底質(zhì),沉積層厚度30m,海底平坦,聲速梯度為負(fù)梯度和負(fù)躍層條件,潛艇深度為45m,魚雷航行深度在30～60m之間,傳播損失采用Bellhop模型[8]計算,則計算結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 負(fù)梯度水文條件及傳輸損失計算結(jié)果

圖4 負(fù)躍層水文條件及傳輸損失計算結(jié)果

取AG=10.0dB,則采用式(7)計算檢測概率,如圖5所示。

可以看出,在4km以內(nèi),魚雷被動聲自導(dǎo)系統(tǒng)基本能探測到潛艇目標(biāo),在超過6km的距離上,只有部分深度上才能形成有效探測。

圖5 魚雷被動聲自導(dǎo)檢測概率

4 結(jié)論

仿真結(jié)果表明,魚雷聲自導(dǎo)系統(tǒng)被動檢測概率在距離上成三種分布。在一定距離內(nèi),超過0.5的檢測概率分布比較集中;在遠(yuǎn)距離上僅有極個別深度檢測概率超過0.5;在前兩者之間,檢測概率受深度影響較大,部分深度檢測概率在0.1以內(nèi),部分深度檢測概率較高,但衰減較快。

文中的魚雷被動聲自導(dǎo)檢測概率的預(yù)報方法,充分考慮聲納設(shè)備、海洋環(huán)境和潛艇目標(biāo)對自導(dǎo)系統(tǒng)探測性能的影響,在適用性上優(yōu)于聲自導(dǎo)期望作用距離的預(yù)報,在實際研究和應(yīng)用上更加符合實際情況。值得注意的是,檢測概率為自導(dǎo)單次檢測概率,不是整個搜潛過程中的探潛概率。實際探潛概率可根據(jù)檢測概率進行估算。

[1] 李國付, 孫超. 魚雷自導(dǎo)作用距離估算方法研究 [D]. 西安: 西北工業(yè)大學(xué), 2007: 3-15.

[2] 周德善. 魚雷自導(dǎo)技術(shù) [M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2009: 1-30.

[3] 李琛, 寧永成, 楊貴梅. 聲自導(dǎo)魚雷幾何作用距離預(yù)報系統(tǒng)設(shè)計 [J]. 魚雷技術(shù), 2009, 17(2): 56-59.

[4] 初磊, 樓曉平, 李世令. 魚雷聲自導(dǎo)作用距離影響因素仿真分析 [J]. 彈箭與制導(dǎo)學(xué)報, 2010, 30(1): 68-71.

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

[6] 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: 116-123.

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

[8] PORTER M B, BUCKER H P. Gaussian beam tracing for computing ocean acoustic fields [J]. J. Acoust. Soc. Am., 1987, 82: 1349-1359.

Research on Torpedo Passive Acoustic Homing System Detection Probability

YOU Wenli1,ZHOU Lihui1,2

(1 Navy Submarine Academy, Shandong Qingdao 266000, China; 2 Naval Academy of Armament, Beijing 100171, China)

In order to research performance of torpedo acoustic homing system, it’s necessary to analyze system detection probability. According to acoustic homing system signal processing method and the relation between detection probability and detection threshold, detection probability was calculated through signal excess simulation. The results indicate that detection probability has 3 kinds of distribute at different distance. In short range, detection probability is higher than 0.5. In long range, submarine can be detected on few depths. Between the former ones, the effect of depth is powerful and it’s essential to design torpedo navigating depth.

acoustic homing detection probability; ROC curves; detection threshold; signal excess

2015-10-18

由文立(1963-),男,山東青島人,高級工程師,碩士,研究方向:武器裝備作戰(zhàn)使用和保障。

TB566

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