水面艦艇編隊與反潛巡邏機協(xié)同對潛搜索效能分析*

楊秀庭,許林周,李 軍,張 憶

(海軍大連艦艇學院,遼寧 大連 116018)

?

水面艦艇編隊與反潛巡邏機協(xié)同對潛搜索效能分析*

楊秀庭,許林周,李 軍,張 憶

(海軍大連艦艇學院,遼寧 大連 116018)

針對水面艦艇編隊與反潛巡邏機協(xié)同對潛搜索問題,選取搜索效率作為效能指標,分析了水面艦艇編隊與反潛巡邏機對任務(wù)海區(qū)實施檢查搜索時的協(xié)同搜索效能,并結(jié)合淺海水聲環(huán)境復雜多變的特點,對良好、中等、惡劣等三種典型水文條件進行分析,結(jié)果表明:反潛巡邏機參與協(xié)同對潛搜索能夠顯著提高編隊對潛搜索能力,且該明顯改善對海洋水聲環(huán)境的適應(yīng)性。

海洋水聲環(huán)境;對潛搜索;作戰(zhàn)效能

反潛戰(zhàn)是水面艦艇的傳統(tǒng)使命任務(wù)和基本作戰(zhàn)樣式。隨著潛艇技術(shù)的持續(xù)進步,如何探測現(xiàn)代安靜型潛艇已經(jīng)成為水面艦艇面臨的嚴峻挑戰(zhàn)。長期以來,依賴水面艦艇、潛艇、航空兵等單一兵種遂行反潛作戰(zhàn)已遠不能適應(yīng)新形勢發(fā)展。冷戰(zhàn)以來六十多年的反潛戰(zhàn)經(jīng)驗充分證明:艦機協(xié)同反潛是水面艦艇及編隊反潛的主要形式和重要內(nèi)容。我海軍航空反潛力量發(fā)展已經(jīng)歷時三十多年,形成了手段多樣、功能互補、配套完善的裝備體系,特別是固定翼反潛巡邏機服役,補齊了我反潛體系建設(shè)中長期存在的短板弱項。

近年來,我周邊安全形勢惡化,各國都在加速推進潛艇力量建設(shè),這就要求我海軍必須提高淺海反潛能力。水面艦艇、固定翼反潛巡邏機作為海軍體系反潛的主力,對侵入我近海的敵方潛艇實施艦機協(xié)同反潛將是未來的主要發(fā)展方向。如何提高艦機協(xié)同反潛的戰(zhàn)術(shù)效能,已成為當前亟待研究解決的問題。

我周邊近海,大都為水深不足200m的淺海,水聲環(huán)境具有天然復雜性,對聲納搜索發(fā)現(xiàn)具有重要影響,主要表現(xiàn)在三個方面:一是聲波與海面、海底反復接觸,聲傳播的多途效應(yīng)導致更強的信號幅值、相位、頻率等畸變;二是由于海面、海底聲散射影響,主動聲納受混響干擾嚴重;三是海區(qū)商船、漁船眾多,目標干擾環(huán)境復雜。這些因素導致淺海水聲環(huán)境異常復雜,聲納對潛搜索、發(fā)現(xiàn)和跟蹤十分困難。因此,水面艦艇編隊與反潛巡邏機在遂行艦機協(xié)同反潛作戰(zhàn)時,必須充分考慮淺海復雜水聲環(huán)境對聲納探測的影響,開展與水聲環(huán)境信息相匹配的戰(zhàn)術(shù)效能分析,為作戰(zhàn)籌劃、方案制訂、組織實施提供理論支撐。本文以艦機協(xié)同對潛檢查搜索為應(yīng)用背景,闡述水聲環(huán)境信息在艦機協(xié)同對潛搜索戰(zhàn)術(shù)效能分析中的運用方法,并結(jié)合仿真算例進行說明。

1 艦機協(xié)同對潛搜索效能模型

1.1 多組兵力對潛搜索的效能

搜索效能是量化反潛搜索行動效果的指標,在對潛搜索行動中,搜索的一方主要關(guān)心單位時間內(nèi)可有效搜索的空間區(qū)域,即搜索效率,因此,在評估對潛搜索效能時,通常選取搜索效率作為效能指標。

編隊中多組反潛兵力在相鄰地段實施對潛搜索,每組兵力指定搜索區(qū)域,在該區(qū)域內(nèi)彼此行動相互獨立。若搜索過程中各兵力之間對彼此的搜索結(jié)果無影響,則整體兵力的搜索效率等于各搜索兵力搜索效率之和[1]

(1)

式中,ui為一組或一個反潛兵力的搜索效率;i為組(單位)的序號;N為反潛兵力組(單位)數(shù)。

1.2 艦機協(xié)同對潛搜索

艦機協(xié)同對潛搜索,由水面艦艇與反潛巡邏機按照指定的搜索帶、區(qū)域和隊形展開。在搜索過程中,水面艦艇通常使用主動聲納,反潛巡邏機主要使用聲納浮標。磁探儀由于作用距離近(僅為數(shù)百米),多用于目標確認和武器攻擊保障,在對潛搜索時不太常用,在此不作探討。

水面艦艇在由反潛巡邏機投放并控制的聲納浮標作用區(qū)內(nèi)實施對潛搜索,借助聲納浮標提高對從水面艦艇編隊搜索區(qū)內(nèi)脫逃出來潛艇的發(fā)現(xiàn)能力。對潛搜索效率為[2]

uk+c=[BPhPk+(K0-B)Pf]vr

(2)

式中,uk+c為搜索效率;B為水面艦艇編隊不可脫逃線段的長度;Ph為潛艇未突破概率;Pk為接觸概率；Pf為聲納浮標對潛發(fā)現(xiàn)概率;vr為水面艦艇編隊沿搜索方向的主航速;K0為搜索區(qū)的總寬度,可表示為

K0=Kk+Kq+2(dn+dσ)

(3)

其中,Kq=vktrsinα為水面艦艇編隊折線運動的寬度;tr為艦艇一趟折線運動持續(xù)的時間;dn為聲納浮標防止艦艇干擾與其的最小距離;dσ為浮標作用距離。

2 海洋水聲環(huán)境信息運用

2.1 聲納方程

在聲納探測水下目標過程中,利用聲納基陣接收水下聲信號,并通過放大濾波、波束形成、匹配濾波(主動聲納)/能量檢測(被動聲納)等信號處理環(huán)節(jié)[3],實現(xiàn)目標檢測、位置估計、類型判別等功能。這些功能的實現(xiàn)原理可以用聲納方程描述。

主動聲納方程:

SL-2TL+TS-(NL-AG)=DT

式中,SL為發(fā)射聲源級,TL為水聲傳播損失,TS為目標強度,NL為背景噪聲級,AG為陣增益,DT為檢測閾[4]。

被動聲納方程:

SL-TL-(NL-AG)=DT

式中,SL為目標輻射噪聲級,其他參數(shù)與主動聲納方程相同。

主、被動聲納各種空時域信號處理算法、背景噪聲抑制以及功能實現(xiàn),只是在具體的聲納參數(shù)確定上存在一定差異,并不影響工作機理。因此,聲納方程是分析聲納工作性能的有效工具,可以通過它綜合各種因素的復雜影響。

2.2 水聲環(huán)境信息運用

聲納實際性能發(fā)揮受海洋水聲環(huán)境影響強烈。從聲納方程可以看出,為提高聲納性能,必須盡可能多地獲取空時信號處理增益,這要求聲納信號處理要具備適應(yīng)復雜多變的水聲環(huán)境的能力。目前,可采取的主要措施有:一是發(fā)展環(huán)境自適應(yīng)聲納技術(shù),根據(jù)現(xiàn)場實測的水聲環(huán)境信息來自動優(yōu)化聲納工作參數(shù),實現(xiàn)裝備與環(huán)境的自動“合一”;二是發(fā)展水聲環(huán)境、目標、裝備數(shù)據(jù)庫,通過積累大量歷史數(shù)據(jù),采用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù),提取環(huán)境噪聲、混響以及聲傳播等穩(wěn)定特征,完成對聲納工作參數(shù)自動裝訂,確保聲納性能對水聲環(huán)境具有先驗適應(yīng)能力;三是發(fā)展聲納輔助決策技術(shù),利用聲速剖面、海底底質(zhì)、海深等少數(shù)典型參數(shù)的現(xiàn)場測量信息,采用聲納性能多維參數(shù)優(yōu)化技術(shù),計算得到最優(yōu)的聲納工作參數(shù)集,通過人工裝訂實現(xiàn)聲納對環(huán)境的適應(yīng)性。

以上三種措施中,第一、二種需要長期的技術(shù)積累,實現(xiàn)較為困難,目前缺乏技術(shù)、裝備支撐;第三種已經(jīng)初步成熟,可以投入實際應(yīng)用。為此,本文中的水聲環(huán)境信息匹配,是指在保持聲納裝備技術(shù)特點與性能不變的前提下,通過有效使用水聲環(huán)境信息,來提高聲納裝備適應(yīng)復雜海洋水聲環(huán)境的能力,優(yōu)化探測性能,為提高艦機協(xié)同對潛搜索戰(zhàn)術(shù)效能提供技術(shù)手段。

3 算例分析

本文為說明海洋水聲環(huán)境信息如何匹配到艦機協(xié)同對潛搜索這一戰(zhàn)術(shù)過程，根據(jù)給出的效能模型,選擇典型的淺海水聲環(huán)境、搜索器材,計算艦機協(xié)同搜索效能。

3.1 計算參數(shù)確定

3.1.1 淺海水聲環(huán)境

淺海水聲環(huán)境異常復雜多變,難以窮舉,為分析方便,取圖 1所示的典型水聲環(huán)境[5],具體參數(shù)見表 1。

圖1 典型淺海示意圖

表1 典型淺海水聲環(huán)境環(huán)境參數(shù)

此外,針對淺海水聲環(huán)境復雜多變的特點,選取三種典型水文條件:

1)良好水文:全水層等聲速分布,聲速1525m/s;

2)中等水文:全水層弱負梯度,海面聲速1535m/s,梯度-0.05/s;

3)惡劣水文:海面附近為等聲速層,層厚15m,聲速1545m/s;中間為負躍層,層厚20m,梯度-1.5/s;下面為弱負梯度層,層厚67m,梯度為0.05/s。

以上三種水文條件所對應(yīng)的聲速剖面如圖2所示。

圖2 淺海三種水文條件下的典型聲速剖面

3.1.2 聲納工作參數(shù)

艦機協(xié)同對潛搜索器材,包括水面艦艇主聲納(被動聲納對安靜型潛艇探測能力不足)和反潛巡邏機吊放聲納、聲納浮標,經(jīng)水聲環(huán)境信息匹配優(yōu)化后的計算參數(shù)見表 2和表 3。

表2 水面艦艇主動聲納參數(shù)

表3 反潛巡邏機聲納浮標參數(shù)

3.1.3 對抗兵力

對抗分析的兵力包括4艘水面艦艇、1架反潛巡邏機和1艘常規(guī)動力潛艇,計算參數(shù)見表 4。

表4 艦機協(xié)同對潛搜索效能計算參數(shù)

3.2 聲納對潛發(fā)現(xiàn)能力

根據(jù)上述水聲環(huán)境和聲納參數(shù),分別用式(1)、(2)的主、被動聲納方程計算主動聲納和聲納浮標的對潛發(fā)現(xiàn)概率,如圖 3和圖 4所示。

圖3 水面艦艇主動聲納對潛探測概率

圖4 聲納浮標對潛探測概率

從圖中可以看出:

1)水文條件對主動聲納和聲納浮標的發(fā)現(xiàn)距離(對應(yīng)的探測概率為0.5)影響很大:良好水文條件下,主動聲納和聲納浮標的作用距離分別為68.2鏈和16.5鏈,而且惡劣水文條件下,則為27.5鏈和12.1鏈。

2)與艦殼聲納相比,聲納浮標探測性能受水文條件影響較小,這是由于被動聲納浮標探測時只受單程水聲傳播損失影響。

因此,在作戰(zhàn)籌劃和海上對抗階段,必須了解海洋水聲環(huán)境信息,并據(jù)此計算各類探測器材的實際性能,為分析艦機協(xié)同對潛搜索效能、擬制作戰(zhàn)方案打牢基礎(chǔ),實現(xiàn)水聲環(huán)境信息與實際搜索戰(zhàn)術(shù)的緊密銜接。

3.3 艦機協(xié)同對潛搜索

為說明水面艦艇編隊與反潛巡邏機協(xié)同對潛搜索的發(fā)現(xiàn)效能,根據(jù)表4所給定的兵力:4艘水面艦艇組成的編隊和1架反潛巡邏機實施協(xié)同對潛搜索,其中,水面艦艇使用主動聲納,反潛巡邏機使用被動聲納浮標,主動聲納對聲納浮標的干擾距離為60鏈,潛艇航速4kn。計算結(jié)果見圖5。

圖5 各種典型水文條件下艦機協(xié)同對潛搜索效率

分析圖5,可知:

1)使用反潛巡邏機協(xié)同搜索可有效提高編隊對潛搜索效率(500～650nm2/h),特別是在編隊保持較高搜索航速時,反潛巡邏機的作用十分明顯;

2)當反潛巡邏機使用聲納浮標對潛搜索時,水面艦艇編隊按1.8～2倍聲納作用距離來設(shè)定各屬艦間距的基本原則依然成立;

3)采用艦機協(xié)同對潛搜索方式可有效降低海洋水聲環(huán)境影響,提高惡劣水文條件下對潛搜索效能。

4 結(jié)束語

反潛巡邏機具有反應(yīng)速度快、留空時間長、受潛艇威脅小等顯著優(yōu)點,是近海反潛作戰(zhàn)的主要力量[6]。

本文針對艦機協(xié)同對潛搜索問題,以搜索效率為效能指標,重點分析了水面艦艇編隊與反潛巡邏機檢查搜索時艦機協(xié)同對潛搜索效能,并結(jié)合淺海水聲環(huán)境復雜多變的特點,提出了當前階段水聲環(huán)境信息匹配應(yīng)用的基本技術(shù)途徑,研究表明:反潛巡邏機參與水面艦艇編隊協(xié)同對潛搜索,是提高各種淺海水聲環(huán)境下搜索能力的主要途徑;反潛巡邏機使用聲納浮標參與協(xié)同搜索時,編隊艦艇間隔應(yīng)參考1.8kn～2kn聲納作用距離選取,并把編隊搜索速度提高至14～20節(jié),以獲得更高的搜索效率。

[1] 趙曉哲,沈治河.海軍作戰(zhàn)數(shù)學模型[M].北京:國防工業(yè)出版社,2004:69-125.

[2]PaulC.Etter.水聲建模與仿真[M].第3版.蔡志明譯.北京：電子工業(yè)出版社,2005:78-84.

[3] 鄭兆寧,向大威. 水聲信號被動檢測與參數(shù)估計理論[M].北京:科學出版社,1983:256-290.

[4]StevenM.Kay.FoundamentalsofStatisticalSignalProcessing[M].PearsonEducation, 1993:505-511.

[5]M.Porter,H.P.P.Bucker.GaussianBeamTracingforComputingOceanAcousticFields[J].J.Acoust.Soc.Am. 82, 1987(4):1349-1359.

[6]WagnerD.H.etal.NavalOperationsAnalysis[M].3rdedition.NavalInstitutePress,Annaplolis,Maryland,USA. 1999:88-120.

Analysis of Anti-Submarine Searching Efficiency with Coordination of Surface and Fixed-Wing Aircraft Using Ocean Underwater Acoustic Environment Information

YANG Xiu-ting, XU Lin-zhou, LI Jun, ZHANG Yi

(Dalian Naval Academy, Dalian 116018, China)

With respect to the problem of coordinated search of submarine by surface group and fixed-wing ASW aircraft, searching rate has been chosen to be the efficiency index to demonstrate the capability of ASW searching, and the total efficiency of the surface group and fixed-wing ASW aircraft in the scenario of checking-search mode has been calculated. Furthermore, because of the very changeful environment in the shallow waters, three typical hydrological conditions denoted as good, moderate and bad propagation conditions have been used for analysis, and the results show that the capability of ASW searching can be dramatically improved with using of the fixed-wing ASW aircraft, and which is not sensitive to the deteriorate of underwater environment.

underwater environment; ASW search; operation Efficiency

2016-12-27

2017-01-06

國家自然科學基金資助項目(11074308)

楊秀庭(1973-),男,浙江金華人,博士,副教授,研究方向為編隊反潛探測、水下作戰(zhàn)仿真和水聲信號處理。 許林周(1976-)，男，博士，高級工程師。 李 軍(1981-)，男，碩士，講師。 張 憶(1985-)，男，博士，講師。

1673-3819(2017)02-0015-04

TB56；E917

A

10.3969/j.issn.1673-3819.2017.02.004