基于爆炸聲源的多基地遠程探測技術(shù)研究

劉 琳,魏明濤,孫振新

(1. 中國人民解放軍91776部隊,北京 100841; 2. 江蘇自動化研究所,江蘇連云港 222061)

水面艦艇編隊是水下攻防的重要力量,在與水下威脅目標(biāo)的對抗中,面臨的首要困難在于難以遠程發(fā)現(xiàn)和準(zhǔn)確識別水下威脅目標(biāo)[1]。水面艦艇配備的艦殼聲吶對低噪聲潛艇目標(biāo)的實際探測距離較近,連續(xù)跟蹤能力差,難以滿足作戰(zhàn)需要[2]。拖曳陣聲吶被動工作模式對低航速低噪聲潛艇探測能力差[3]。拖曳陣聲吶采用主動工作模式時,通過發(fā)射大功率低頻聲波,其發(fā)現(xiàn)水下目標(biāo)的距離及連續(xù)跟蹤能力有大幅提升,但是該模式下水面艦艇易于過早暴露、遭受攻擊[4]。

根據(jù)當(dāng)前水下作戰(zhàn)對潛遠程預(yù)警與攻防的重要需求,針對水面艦艇配備聲吶主動探測易暴露,被動探測距離近的現(xiàn)實問題,在綜合分析國內(nèi)外先進做法基礎(chǔ)上[5-6],本文提出了一種基于爆炸聲源的多基地遠程探測新技術(shù)。該技術(shù)綜合利用爆炸聲源和拖曳線列陣聲吶實施對水下目標(biāo)的遠程探測,通過爆炸聲源產(chǎn)生高強度低頻爆炸聲信號,利用大孔徑低頻拖曳線列陣聲吶進行高增益接收,結(jié)合對潛艇回波與直達波的參數(shù)提取與處理,同步完成對潛艇目標(biāo)的快速檢測與定位。

1 探測技術(shù)原理

如圖1所示,以小當(dāng)量TNT爆炸產(chǎn)生的聲波為聲源,利用艦船平臺的拖曳線列陣被動接收聲波,組成相當(dāng)于異地收發(fā)功能的水聲探測系統(tǒng)。爆炸產(chǎn)生的聲波通過2條路徑被拖曳線列陣檢測到:一條是由爆炸點D直接傳到拖曳線列陣A的直達波;另一條是由爆炸點D經(jīng)潛艇目標(biāo)M反射后再傳到拖曳線列陣A的目標(biāo)回波。拖曳線列陣根據(jù)接收的直達波和目標(biāo)回波的時間,根據(jù)聲吶方程和解析幾何二次曲線的特性分析,可知M點位于以A、D為兩焦點的橢圓上。另外,相對于常規(guī)聲吶產(chǎn)生的聲波,小當(dāng)量TNT爆炸產(chǎn)生的聲波具有以下特點:一是特制爆炸聲源在確定位置爆炸,能產(chǎn)生全向、低頻強聲波信號;二是爆炸產(chǎn)生的聲波能量大小可控;三是爆炸產(chǎn)生的能量包含的頻譜范圍廣。

圖1 基于爆炸聲源的多基地探測原理圖

2 爆炸聲源的聲波研究

2.1 爆炸聲源的聲波測量

為了對海水中爆炸聲波的聲源級、頻譜進行測量,建立聲波信號采集系統(tǒng),如圖2所示。測量分為三個階段,第一階段為準(zhǔn)備階段,包括測量海面風(fēng)速,水溫,確定是否符合測量條件,并且要求測量水域沒有其他船只的干擾。第二階段為測量系統(tǒng)準(zhǔn)備階段,包括測量經(jīng)緯度、水深、海面風(fēng)速、水溫、鹽度并根據(jù)經(jīng)驗公式得到聲速剖面分布。第三階段為測量階段,測量時母船和小艇都必須熄火拋錨。啟動測量記錄系統(tǒng),并示意母船發(fā)射爆炸聲源,利用示波器檢測爆炸信號同時保存接收數(shù)據(jù)，并按照要求重復(fù)測量記錄。

圖2 聲波信號采集系統(tǒng)示意圖

本文以700 g TNT爆炸聲場數(shù)據(jù)為例進行分析處理,根據(jù)測量數(shù)據(jù),經(jīng)計算得聲源級曲線如圖3所示。由于聲源爆炸點與測量點之間距離較長,傳輸信道并不滿足球面波擴展條件;另一方面,由于測量時測量船仍保持航行狀態(tài),接收水聽器和電纜布放入水后無法保持垂直狀態(tài),其深度未達到預(yù)定的測量深度,上述因素對實際測量聲源級數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性造成一定影響。

圖3 700 g TNT爆炸聲源級曲線

對上述試驗數(shù)據(jù)計算接收時刻的能量譜,能量譜如圖4所示。從功率譜線圖可知,爆炸聲源的聲波能量大部分集中在低頻段區(qū)域。

圖4 700 g TNT爆炸功率譜線圖

2.2 爆炸聲源的回波信號處理

某次試驗時,700 g TNT爆炸產(chǎn)生的直達波和目標(biāo)回波,如圖5所示,該圖給出了回波數(shù)據(jù)的方位距離信息?？梢钥闯?由于裝藥量較小,爆炸產(chǎn)生的脈沖長度較短,能提高探測目標(biāo)的距離分辨率。

圖5 某次試驗的直達波和目標(biāo)回波分布

3 探測能力仿真分析

3.1 仿真系統(tǒng)構(gòu)建

構(gòu)建爆炸聲源/拖曳陣聲吶探測能力仿真系統(tǒng),框架如圖6所示,共包含以下幾個部分:

1)仿真參數(shù)設(shè)定:設(shè)定各項位置參數(shù)、海洋信道參數(shù)和信號處理參數(shù);

2)爆炸聲源仿真:仿真爆炸聲源聲波波形;

3)傳輸路徑仿真:爆炸聲源聲波通過聲場調(diào)制路徑傳輸至目標(biāo),并通過目標(biāo)散射再次通過聲場調(diào)制路徑傳輸至陣列;

4)目標(biāo)散射特性仿真:仿真爆炸聲源照射不同姿態(tài)下目標(biāo)后的信號調(diào)制情況,查閱消聲瓦對于不同頻率聲波吸收情況的相關(guān)技術(shù)資料[7];

5)接收陣列仿真:仿真拖曳線列陣對信號的接收;

6)信號處理系統(tǒng)仿真:通過信號處理,檢測直達波、目標(biāo)回波,并解算目標(biāo)位置;

7)顯示系統(tǒng)仿真:通過友好的人機交互界面將處理結(jié)果完美顯示。

圖6 探測能力仿真系統(tǒng)框圖

3.2 探測能力仿真

為了客觀評估爆炸聲源/拖曳陣聲吶系統(tǒng)的探測能力,根據(jù)聲吶方程對于系統(tǒng)能力進行仿真評估,并與常規(guī)多基地聲吶系統(tǒng)進行比較。

具體目標(biāo)距離r測算公式為:

系統(tǒng)優(yōu)質(zhì)因數(shù)FOM=爆炸聲源級-海洋背景噪聲+目標(biāo)反射強度+陣列得益-檢測信噪比

為計算r,根據(jù)不等式:20log(r/2)×2+海水吸收

1)仿真地點

以某海域半徑100 km的區(qū)域為仿真地點,該域100～200 Hz的海洋聲傳播損失如圖7所示。

圖7 某海域100～200 Hz的聲傳播損失

2)仿真結(jié)果

假定水深100 m,目標(biāo)深度50 m,爆炸聲源深度50 m,根據(jù)典型拖曳線列陣的相關(guān)參數(shù),在爆炸聲源和拖曳線列陣位置態(tài)勢確定后,系統(tǒng)探測能力仿真結(jié)果如圖8所示,從圖得到:在75°～200°方位,即爆炸聲源所在一側(cè)的方位上,常規(guī)多基地聲吶系統(tǒng)的探測能力強于爆炸聲源/拖曳陣聲吶系統(tǒng)。這是因為在這一側(cè)聲波傳輸?shù)木嚯x近,常規(guī)多基地探測系統(tǒng)的高頻聲波衰減小,其脈沖壓縮增益相比爆炸聲源/拖曳陣聲吶占優(yōu)勢;在0°～45°、225°～360°方位上,即爆炸聲源異側(cè)方位上,爆炸聲源/拖曳陣聲吶系統(tǒng)探測能力強于常規(guī)多基地聲吶系統(tǒng),這是因為在這一側(cè)聲波傳輸?shù)木嚯x長, 常規(guī)多基地聲吶系統(tǒng)的高頻聲波衰減大,爆炸聲源/拖曳陣聲吶系統(tǒng)中爆炸聲源的低頻聲波衰減小使其探測占優(yōu)勢。

圖8 兩種多基地方式對各方位目標(biāo)最遠探測距離對比

4 爆炸聲源探測模式的目標(biāo)運動要素算法

水面艦艇進入敵潛艇威脅海域時,配備的常規(guī)拖曳陣聲吶通常處于被動工作模式,能夠?qū)崟r探測到潛艇方位信息,此時如果由于作戰(zhàn)需要,需要掌握敵潛艇的目標(biāo)運動要素(方位、距離、速度、航向等),需要投放爆炸聲源,獲取目標(biāo)當(dāng)前距離信息。根據(jù)當(dāng)前目標(biāo)距離和實時方位信息,可以解算目標(biāo)運動態(tài)勢。

4.1 模型建立

設(shè)ti時刻在測得目標(biāo)方位Bi的同時,又測得目標(biāo)距離Di。以聲吶發(fā)現(xiàn)目標(biāo)時刻的本艦初始位置W0點為坐標(biāo)原點,并以該時刻聲吶測量的目標(biāo)初始方位線B0為坐標(biāo)縱軸建立直角坐標(biāo)系。如圖9所示，設(shè)t0時刻本艦位于W0點,目標(biāo)位于M0點,目標(biāo)方位為B0,距離為D0,舷角為Xm0,且假定目標(biāo)以等速Vm沿直航向Cm航行。ti時刻本艦位于Wi點,目標(biāo)位于Mi點,目標(biāo)方位為Bi、距離為Di,目標(biāo)方位變化量為ΔBi=Bi-B0,此時的本艦縱移和橫移分別為J0ic、J0is。

將本艦與目標(biāo)運動構(gòu)成的幾何態(tài)勢圖形各邊參量投影在坐標(biāo)縱、橫軸上可得

(1)

設(shè)P=D0,Q=VmsinXm0,R=VmcosXm0,并替換式(1)右端有關(guān)項,經(jīng)整理得

PsinΔBi-Qt0icosΔBi-Rt0isinΔBi-J0iCsinΔBi+J0iScosΔBi=0

(2)

由于聲吶跟蹤測量的目標(biāo)方位必然存在一定誤差,系統(tǒng)累計的本艦位移也必然存在一定誤差,因此,在通常情況下式(2)是不成立的。設(shè)式(2)右端為某一小誤差量εi。在拖曳陣聲吶對目標(biāo)保持連續(xù)跟蹤條件下可得到目標(biāo)方位序列,在此過程中系統(tǒng)根據(jù)導(dǎo)航設(shè)備提供的本艦航向、速度及按時間累計得到對應(yīng)的本艦位移序列,不難得到數(shù)個完全相同的表達式,經(jīng)過相關(guān)代換并整理得到:

(3)

最終得解:

(4)

圖9 本艦與目標(biāo)幾何態(tài)勢

4.2 仿真計算

仿真計算采用某典型態(tài)勢,如圖10所示,參數(shù)選取如:初始距離20 km,目標(biāo)航向240°,目標(biāo)速度5 kn,采樣周期3 s,本艦航速25 kn,本艦航向90°。

方位隨機誤差為σB=2°(二階原點矩),距離隨機誤差為2.5%D。

通過三次引爆聲源獲取第48、72、96個采樣周期時刻的目標(biāo)距離信息,圖11、圖12是該最小二乘算法下的目標(biāo)航向、航速收斂效果。綜合比較各種典型態(tài)勢下目標(biāo)運動航跡與目標(biāo)運動要素收斂效果,發(fā)現(xiàn)當(dāng)目標(biāo)方位變化率越快,目標(biāo)運動要素解算值收斂效果越好。

圖10 某典型態(tài)勢圖

圖11 航向仿真結(jié)果對比

圖12 航速仿真結(jié)果對比

因此,當(dāng)利用基于爆炸聲源的多基地模式實現(xiàn)對潛遠程探測時,應(yīng)通過控制本艦機動采用適當(dāng)?shù)慕訑掣櫤铰?使目標(biāo)方位有較快的變化率,這樣就可以較為準(zhǔn)確地解算出目標(biāo)運動要素,并采用適當(dāng)武器進行攻擊。

5 結(jié)束語

本文針對未來反潛作戰(zhàn)接觸距離更遠,實施攻擊的速度更高,反潛持續(xù)的時間更長等重要需求,提出一種基于爆炸聲源的多基地遠程探測新方式。該技術(shù)通過靈活投放高強度低頻爆炸聲源與拖曳線列陣聲吶相結(jié)合,充分發(fā)揮分布式探測模式能力,在保證水面艦艇隱蔽條件下,實現(xiàn)對潛艇目標(biāo)的遠距離預(yù)警、 跟蹤和攻擊。該技術(shù)具有以下特點:一是爆炸聲源能量強、頻率低、海洋吸收損失小,顯著降低潛艇的非對稱隱身作戰(zhàn)優(yōu)勢,實現(xiàn)對潛艇的遠距離探測;二是爆炸聲源可較遠的靈活投放,爆炸點與水面艦艇相隔較遠,可實現(xiàn)水面艦艇保持隱蔽,增加了潛艇對水面艦艇的識別難度,有效降低潛艇攻擊單向優(yōu)勢;三是現(xiàn)有的拖曳線列陣聲吶經(jīng)適度改進信號處理算法,即可與爆炸聲源配套使用實現(xiàn)遠程探潛,裝備改動量小。