水聲對抗系統(tǒng)干擾效果仿真研究*

路曉磊, 張洪欣, 張小波, 谷志珉, 劉祥宇

(1.國家海洋局北海海洋技術(shù)保障中心, 山東 青島 266033;2.哈爾濱工程大學(xué)水聲技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 黑龍江 哈爾濱 150001)

水聲對抗系統(tǒng)干擾效果仿真研究*

路曉磊1,2, 張洪欣1, 張小波1, 谷志珉1, 劉祥宇1

(1.國家海洋局北海海洋技術(shù)保障中心, 山東 青島 266033;2.哈爾濱工程大學(xué)水聲技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 黑龍江 哈爾濱 150001)

當(dāng)前我國面臨的海洋維權(quán)形勢十分嚴(yán)峻,依法維護(hù)海洋權(quán)益的任務(wù)十分艱巨,迫切需要有效的海洋執(zhí)法裝備來提升海洋維權(quán)執(zhí)法能力。主要研究水聲對抗系統(tǒng)對偵聽聲吶實(shí)施干擾的效果,主要從有效干擾源級和有效干擾扇面兩個方面進(jìn)行了仿真分析,并研究了不同水文條件對干擾效果的影響。

海洋權(quán)益; 水聲對抗; 低頻干擾

海洋權(quán)益是一個國家海洋權(quán)利和海洋利益的總稱,是國家的領(lǐng)土向海洋延伸而形成的一些權(quán)益,主要包括政治利益、經(jīng)濟(jì)利益和安全利益[1]。海洋權(quán)益對國家安全和國家利益具有深刻的意義,依法維護(hù)海洋權(quán)益已經(jīng)成為影響未來我國發(fā)展的重要任務(wù)。日益變化的國際政治經(jīng)濟(jì)形勢使我國海洋維權(quán)斗爭日趨復(fù)雜,依法維護(hù)海洋權(quán)益的任務(wù)十分艱巨,迫切需要有效的海洋執(zhí)法裝備來提升海洋維權(quán)執(zhí)法能力。

近年來,美、俄、日、韓等國的調(diào)查船和監(jiān)視船頻繁在我國專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)內(nèi)活動,這些船只利用各種海洋水下環(huán)境和聲學(xué)探測設(shè)備對我國管轄海域?qū)嵤┐竺娣e綜合調(diào)查和監(jiān)視,非法進(jìn)行海洋環(huán)境測量、情報(bào)偵察等活動,搜集我國周邊海域海洋環(huán)境資料和相關(guān)軍事信息。美國海軍測量船多次進(jìn)入我國專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)內(nèi)進(jìn)行非法調(diào)查,但由于美國未加入《聯(lián)合國海洋法公約》,不承認(rèn)調(diào)查區(qū)域位于中國專屬經(jīng)濟(jì)區(qū),對中國執(zhí)法船的海上維權(quán)執(zhí)法置之不理,嚴(yán)重侵犯我國海洋權(quán)益;俄羅斯調(diào)查船也經(jīng)常出現(xiàn)在我國專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)內(nèi)進(jìn)行非法偵察活動;日本和韓國在我國專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)內(nèi)經(jīng)常發(fā)出挑釁性行為[2-3]。

面對國外偵察船在我國海域的種種非法活動,我國的海上執(zhí)法隊(duì)伍缺乏有效的技術(shù)手段,往往只能通過喊話、拍照、跟蹤等方法進(jìn)行監(jiān)視,無法有效地體現(xiàn)管轄能力,某些現(xiàn)場執(zhí)法的效果不甚明顯。因此,有必要將水聲對抗技術(shù)應(yīng)用到海洋維權(quán)執(zhí)法中,運(yùn)用水聲對抗裝備以“軟殺傷”的方式干擾國外偵察船的監(jiān)聽設(shè)備正常工作,保護(hù)我國管轄海域的海洋環(huán)境資料和軍事信息安全。本文主要研究水聲對抗系統(tǒng)對敵方監(jiān)聽聲吶實(shí)施干擾的效果,主要從有效干擾源級和有效干擾扇面兩個方面進(jìn)行仿真分析,由此對實(shí)戰(zhàn)中如何進(jìn)行干擾給出相應(yīng)的建議。

1 水聲對抗系統(tǒng)概述

水聲對抗系統(tǒng)是指對敵方水聲探測設(shè)備和水聲制導(dǎo)武器進(jìn)行干擾和破壞,使敵方探測設(shè)備和水聲制導(dǎo)武器效能降低或徹底失效的軟件和硬件的總稱[4-5]。水聲對抗裝備主要包括噪聲干擾器、氣幕彈、拖曳式聲誘餌、魚雷攔截彈、魚雷攔截網(wǎng)等,本文主要應(yīng)用的是噪聲干擾器。水聲對抗系統(tǒng)和水聲對抗戰(zhàn)法的應(yīng)用始于第二次世界大戰(zhàn)期間,最早使用的是裝備是氣幕彈,后來逐漸研制出其他不同種類的水聲對抗設(shè)備。目前在水聲對抗領(lǐng)域技術(shù)領(lǐng)先的國家主要有美國、英國、法國、俄羅斯、意大利、日本、以色列等,隨著海洋越來越受到各國的重視,這些國家都在不斷進(jìn)一步研究水聲對抗技術(shù)并開展水聲對抗計(jì)劃,如美國的SDW計(jì)劃、SSTD計(jì)劃,英國的“護(hù)身符”技術(shù)、法國的“斯巴達(dá)克斯”計(jì)劃等[6-7]。由于技術(shù)封鎖,能夠查到的資料有限,但是國外的水聲對抗技術(shù)研究已涉及水聲、通訊、電子、計(jì)算機(jī)、光纖等多個學(xué)科,而國內(nèi)在這方面的研究較國際水平還有很大的差距,目前哈爾濱工程大學(xué)、中科院聲學(xué)所、西北工業(yè)大學(xué)和中船重工715所等單位在此領(lǐng)域較為領(lǐng)先,只有不斷地研究、應(yīng)用和跟蹤有關(guān)學(xué)科的高新技術(shù),才能使水聲對抗技術(shù)取得更好更快的發(fā)展。

2 干擾效果仿真

美國的“勝利級”水聲監(jiān)聽船自2007年6月以來,頻繁在我國專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)活動,一年半時間里就發(fā)現(xiàn)了17次。該船通常以3 kn左右速度航行,在距我國港口280km附近海域往復(fù)走航拖曳作業(yè),航行方向與我方艦艇出航區(qū)域基本成正交狀態(tài),該艦的主要監(jiān)聽設(shè)備為先進(jìn)的拖曳線列陣聲吶,且為雙拖,雙拖陣用于分辨左右,即目標(biāo)究竟在陣的哪一個舷側(cè)。假設(shè)拖纜全長約1.6km,拖曳陣基陣長約637.5m,拖曳深度因海況不同而異,最大深度為450m,拖曳陣示意圖如圖1所示。其主要目的是偵察我方艦艇的出港時間及航向,并且采集艦艇的輻射噪聲數(shù)據(jù),以建立相應(yīng)數(shù)據(jù)庫,為其今后進(jìn)行聲吶的目標(biāo)檢測和識別提供支持。

圖1 拖曳陣示意圖

為隱蔽我方艦艇的行蹤,防止輻射噪聲數(shù)據(jù)被對方采集,最直接的手段就是在執(zhí)法船上配備水聲對抗系統(tǒng)作為干擾源,對對方的拖曳陣實(shí)施干擾,降低拖曳陣聲吶的接收信號信噪比,使其無法有效監(jiān)測到港口目標(biāo),甚至只能監(jiān)測到干擾源。水聲對抗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 水聲對抗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

拖曳線列陣聲吶在如此遠(yuǎn)的距離上進(jìn)行偵察,只能利用艦艇或潛艇低頻端的輻射噪聲,尤其是共振線譜。幾種艦船的在低頻端的典型聲源級一般在130dB～160dB之間[8],并且這些數(shù)據(jù)取于“二戰(zhàn)”時的文獻(xiàn),戰(zhàn)后由于反潛戰(zhàn)的發(fā)展,以及艦船噪聲抑制日益受到重視,在艦船設(shè)計(jì)和施工建造中采取了很多降噪措施,艦船輻射噪聲譜級水平普遍降低,平均在130dB以下。假設(shè)港口目標(biāo)的艦船輻射噪聲聲源級為SL1=135dB,偵察艦距離港口約280km,作為干擾手段,利用水聲對抗系統(tǒng)發(fā)射大功率的低頻寬帶噪聲對拖曳陣進(jìn)行干擾,干擾源的聲源級為SL2=165dB,對準(zhǔn)拖曳線列陣的正橫方向,偵察艦、干擾艦、港口目標(biāo)的幾何姿態(tài)如圖3所示。

圖3 幾何姿態(tài)圖

在距離r處,典型淺海聲傳播損失的估算公式為[8]

TL=15lgr

(1)

其中，r的單位為米?？梢缘玫?港口目標(biāo)到拖曳陣的傳播損失TL1=81dB,由于環(huán)境噪聲對于港口目標(biāo)和干擾源相同,因此仿真時可忽略環(huán)境噪聲的影響。港口目標(biāo)輻射噪聲到達(dá)拖曳陣的聲級為SL1-TL1=135-81=54dB,根據(jù)干擾的有效準(zhǔn)則,當(dāng)拖曳陣波束形成器輸出端信噪比小于-6dB時,拖曳陣無法有效采集到目標(biāo)的信號,僅能探測到干擾信號,即要求干擾信號到達(dá)拖曳陣的聲級大于60dB,這除了與系統(tǒng)本身的發(fā)射聲源級有關(guān)外,還與干擾距離有關(guān)。

由于拖曳線列陣聲吶是一個全方位的多波束系統(tǒng),只能在一定范圍內(nèi)對其進(jìn)行干擾,無法做到全景干擾,因此要求水聲對抗系統(tǒng)要有一個足夠大小的干擾扇面,這除了取決于系統(tǒng)的干擾源級外,還取決于多途角擴(kuò)展的大小。下面仿真干擾船與偵察船在不同距離時,在滿足有效干擾源級要求下水聲對抗系統(tǒng)能夠覆蓋的有效干擾扇面。

仿真中使用的信道軟件為206聲吶作用距離預(yù)報(bào)系統(tǒng),仿真軟件為Matlab,仿真條件:均勻聲速1500m/s條件下,干擾源與拖曳陣位于同一深度,港口目標(biāo)輻射聲源級135dB,干擾源聲源級165dB,發(fā)射信號頻率為1kHz,分別仿真干擾距離為2km、10km、20km、40km、80km、280km六種情況時的干擾扇面,仿真結(jié)果如圖4所示。由于仿真所用的信道軟件的動態(tài)范圍為40dB,從圖中可以估算出系統(tǒng)的有效干擾扇面即當(dāng)聲線聲級為60dB時對應(yīng)的角度,估算結(jié)果如表1所示。

圖4 不同距離下多途角擴(kuò)展情況

表1 不同距離下干擾扇面及干擾長度

從表中可以看出,干擾距離越大,有效干擾扇面越小,當(dāng)距離達(dá)到80km～280km時,只有直達(dá)聲能夠到達(dá)拖曳陣。因此,在一定范圍內(nèi),干擾源與拖曳陣之間的距離越遠(yuǎn),干擾效果越弱,港口目標(biāo)越容易被敵方偵察船監(jiān)測到。所以,建議干擾距離為2km～10km最佳。

下面仿真躍變層聲速水文條件下的干擾效果。假設(shè)干擾距離為10km,干擾源與拖曳陣所處深度分別為30m/30m、30m/70m、70m/30m、70m/70m四種情況,均勻聲速1500m/s,港口目標(biāo)輻射聲源級135dB,干擾源聲源級165dB,發(fā)射信號頻率為1kHz,仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 躍變層水文條件下多途角擴(kuò)展情況

從結(jié)果可以看出,當(dāng)干擾源和拖曳陣位于同一深度時,聲線的傳播與均勻聲速水文條件時相似,聲線的聲級和掠射角與均勻聲速時基本相同。當(dāng)干擾源位于30m拖曳陣位于70m時,由于聲線在傳播過程中嚴(yán)重彎折,強(qiáng)度減弱,在±10°范圍內(nèi)基本沒有聲線到達(dá),干擾效果不理想。當(dāng)干擾源位于70m拖曳陣位于30m時,與均勻聲速相比,聲線強(qiáng)度明顯減弱,干擾扇面也有所減小。因此,在實(shí)際干擾過程中,若水文條件為躍變層,應(yīng)適當(dāng)減小干擾距離以保證干擾效果。

3 結(jié)束語

綜述所述,為保證干擾的有效實(shí)施,系統(tǒng)發(fā)射聲源級一般要求在160dB以上,原則上越大越好。在實(shí)戰(zhàn)中,應(yīng)結(jié)合干擾船機(jī)動性要求、港口艦船活動范圍等因素,并根據(jù)實(shí)測水文,適當(dāng)減小干擾距離上限,干擾距離一般為2km～10km,并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。干擾效果對水文條件的改變比較敏感,一般而言,均勻聲速水文條件干擾效果最佳,正梯度水文條件次之,負(fù)梯度水文條件再次之,躍變層水文條件下干擾效果最差。此外,在干擾信號的選擇上,一般使用低頻寬帶信號或CW信號,其中寬帶信號的干擾波束覆蓋港口目標(biāo)的能力普遍強(qiáng)于CW信號。

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Simulation Research of Underwater Acoustic Countermeasure System Interference Effect

LU Xiao-lei1,2, ZHANG Hong-xin1, ZHANG Xiao-bo1, GU Zhi-min1, LIU Xiang-yu1

(1. North China Sea Marine Technical Support Center of the State Oceanic Administration, Qingdao 266033; 2. National Laboratory of Underwater Acoustic Technology, Harbin Engineering University, Harbin 150001)

At present the marine rights situation our country faces is very grim. Safeguard marine rights and interests according to law is a very difficult task. Effective marine law enforcement equipment to improve law enforcement capacity is urgent needed. The paper mainly research the interference effect of underwater acoustic countermeasure system. The simulation analysis from two aspects of effective interference source and effective jamming sector, and studied the effects of different hydrological conditions on interference effect.

marine rights and interests; underwater acoustic countermeasure; low-frequency interference

1673-3819(2017)06-0096-03

U666.7；E935

A

10.3969/j.issn.1673-3819.2017.06.020

2017-05-29

2017-08-19

山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金資助項(xiàng)目(201506)

路曉磊(1986-)，男，山東招遠(yuǎn)人，碩士，工程師，研究方向?yàn)樗曅盘柼幚砗秃５滋綔y技術(shù)。張洪欣(1978-)，男，教授級高級工程師。張小波(1978-)，男，高級工程師。谷志珉(1981-)，男，高級工程師。劉祥宇(1989-)，男，助理工程師。