水聲干擾器干擾效果參數(shù)級(jí)建模與分析

龐 博

(海軍裝備部駐上海地區(qū)軍事代表局駐上海地區(qū)第七軍事代表室，上海201108)

0 引 言

水聲干擾器作為一種對(duì)抗器材，對(duì)聲吶具有干擾壓制作用。當(dāng)我方艦艇被敵方聲吶探測(cè)并跟蹤后，我方艦艇可釋放干擾器，并在干擾器的掩護(hù)下迅速遠(yuǎn)離敵方聲吶。本艇機(jī)動(dòng)的原則是在本艦發(fā)射干擾器后的壓制扇面內(nèi)，敵方聲吶不能對(duì)我方艦艇繼續(xù)探測(cè)并實(shí)施有效攻擊[1-4]。

從水聲對(duì)抗的作戰(zhàn)效能角度出發(fā)，計(jì)算干擾器對(duì)敵方聲吶的壓制扇面，可以在對(duì)抗實(shí)施過(guò)程中更好地掩護(hù)本艇，壓制扇面的范圍也反映了聲干擾器的干擾效果。另一方面，干擾器的作用能夠使敵方聲吶的作用距離降低甚至致盲。通常評(píng)價(jià)干擾器的干擾效果以壓制扇面和探測(cè)距離衰減率為主要指標(biāo)[5]。

對(duì)干擾器干擾效果的評(píng)估，理想的方法是將其放在接近實(shí)戰(zhàn)的環(huán)境下進(jìn)行多次檢驗(yàn)。但是，這種方法人力物力的消耗大、費(fèi)用昂貴；另外，海上環(huán)境的條件變化較大，保證一致條件下的多次試驗(yàn)可能性不大[6]。借助聲吶方程，通過(guò)接近實(shí)際參數(shù)的參數(shù)級(jí)建模，分析計(jì)算探測(cè)距離衰減率和壓制扇面，是一種快速有效的分析評(píng)估干擾器干擾效果的方法，可為作戰(zhàn)對(duì)抗策略提供一定的指導(dǎo)意義。

1 聲吶工作背景模型

由經(jīng)典聲吶方程[7]可知，在沒(méi)有干擾器的情況下，聲吶工作時(shí)的環(huán)境噪聲為各向同性背景噪聲噪聲級(jí)LN(dB)，其波束域的背景噪聲級(jí)為L(zhǎng)N-DI(DI為聲吶的接收指向性指數(shù))。

假設(shè)聲干擾器相對(duì)聲吶的方位為θ0，到達(dá)聲吶接收機(jī)處的干擾級(jí)為L(zhǎng)J(dB)，聲吶在只有干擾器存在時(shí)的方位譜圖為P(φ)(φ∈Θ，Θ為聲吶的觀察視區(qū))，則干擾器在觀察方位θ(θ∈Θ)處的波束域大小為。因此，干擾器存在時(shí)聲吶在觀察方位θ處的波束域工作背景聲壓級(jí)LBI(θ)為[8]

進(jìn)一步地將P(φ)歸一化，使最大值P(θ0)=0，則有P(θ)≤0，式(1)可簡(jiǎn)化為

2 干擾器對(duì)聲吶的干擾分析

分析干擾器對(duì)聲吶的干擾效果，主要是分析、計(jì)算聲吶的作用距離衰減率和干擾器對(duì)聲吶的壓制扇面。作用距離衰減率是指聲吶由于干擾器的存在，其作用距離衰減的百分比。干擾器對(duì)聲吶而言是有指向性的而不是各向同性的，因此作用距離衰減率是觀察方位的函數(shù)。壓制扇面是指干擾器對(duì)本艦的掩護(hù)范圍，在該扇面內(nèi)敵方聲吶探測(cè)不到本艦。

2.1 對(duì)被動(dòng)工作方式聲吶的干擾分析

經(jīng)典被動(dòng)聲吶方程為

式中：R0是聲吶的作用距離；LS0是輻射噪聲源的聲源級(jí)；LT(R0)是單程傳播損失；LN是背景噪聲級(jí)，DI是接收指向性指數(shù)，DT是接收檢測(cè)域。各參數(shù)均以dB為單位。

(1) 作用距離衰減率

干擾器工作后，聲吶的工作背景由LN-DI變?yōu)長(zhǎng)B2(θ)。記聲吶的作用距離由R0衰減為R(θ)，即滿足：

由式(3)和式(4)可知，聲吶的單程傳播損失減小了LBI(θ)-(LN-DI)，計(jì)算被動(dòng)工作方式下聲吶的作用距離衰減率為[R0-R(θ)]/R0×100%。

(2) 壓制扇面

干擾器工作后，當(dāng)干擾器成功掩護(hù)距離為r、輻射噪聲級(jí)為L(zhǎng)S的目標(biāo)(我方艦艇)時(shí)，聲吶方程應(yīng)滿足：

滿足式(5)中的方位范圍即為壓制扇面范圍[θ1,θ2]，壓制扇面大小為θ2-θ1。

由式(3)和式(5)可得：

當(dāng)LS-LS0+LT(R0)-LT(r)≤0時(shí)，在LJ+P(θ)＞0的情況下，式(6)對(duì)任意的θ∈Θ均成立。當(dāng)SL-SL0+TL(R0)-TL(r)＞0時(shí)，將式(2)代入式(6)，整理可得：

根據(jù)式(7)結(jié)合方位譜圖P(φ)(φ∈Θ)，可給出干擾器對(duì)被動(dòng)工作方式聲吶的壓制扇面范圍[θ1,θ2]和壓制扇面大小θ2-θ1。

(3) 建模參數(shù)

根據(jù)上述參數(shù)及建模及分析過(guò)程，總結(jié)分析干擾器對(duì)被動(dòng)工作方式聲吶的干擾效果需要的參數(shù)包括：接收陣陣型(陣列形式、陣元個(gè)數(shù)和陣元間距等)、工作頻段、作用距離及論證參數(shù)(目標(biāo)輻射源級(jí)、工作背景、工作頻率、指向性指數(shù)等)、傳播損失模型、干擾器對(duì)抗的典型態(tài)勢(shì)、干擾器寬帶干擾噪聲強(qiáng)度和頻率以及我方艦艇目標(biāo)輻射噪聲級(jí)。

2.2 對(duì)主動(dòng)工作方式聲吶的干擾分析

經(jīng)典主動(dòng)聲吶方程為

式中：R0是聲吶的作用距離；LS0是發(fā)射聲源級(jí)；ST0是目標(biāo)強(qiáng)度；LT(R0)是單程傳播損失；LN是背景噪聲級(jí)；DI是接收指向性指數(shù)；DT是接收檢測(cè)域。各參數(shù)均以dB為單位。

(1) 作用距離衰減率

干擾器工作后，由2.1節(jié)的分析可知，聲吶的工作背景由LN-DI變?yōu)長(zhǎng)BI(θ)。記聲吶的作用距離由R0衰減為R(θ)，即滿足：

由式(8)和式(9)可知，聲吶的雙程傳播損失減小了LBI(θ)-(LN-DI)，計(jì)算主動(dòng)工作方式下聲吶的作用距離衰減率為[R0-R(θ)]/R0×100%。

(2) 壓制扇面

干擾器工作后，當(dāng)干擾器成功掩護(hù)距離為r、目標(biāo)強(qiáng)度為ST的目標(biāo)(我方艦艇)時(shí)，聲吶方程應(yīng)滿足：

滿足式(10)中的方位范圍即為壓制扇面范圍[θ1,θ2]，壓制扇面大小為θ2-θ1。

由式(9)和式(10)可得：

當(dāng)ST-ST0+2LT(R0)-2LT(r)≤0時(shí)，在LJ+P(θ)＞0的情況下，式(11)對(duì)任意的θ∈Θ均成立。當(dāng)ST-ST0+2LT(R0)-2LT(r)＞0時(shí)，將式(2)代入式(11)，整理可得：

根據(jù)式(12)結(jié)合方位譜圖P(φ)(φ∈Θ)，可給出干擾器對(duì)主動(dòng)工作方式聲吶的壓制扇面范圍[θ1,θ2]和壓制扇面大小θ2-θ1。

(3) 建模參數(shù)

根據(jù)上述參數(shù)級(jí)建模及分析過(guò)程，可知干擾器對(duì)主動(dòng)工作方式的干擾效果需要的參數(shù)包括：接收陣陣型(陣列形式、陣元個(gè)數(shù)和陣元間距等)、工作頻段、作用距離及論證參數(shù)(發(fā)射源級(jí)、目標(biāo)強(qiáng)度、工作背景、工作頻率、指向性指數(shù)等)、傳播損失模型、干擾器對(duì)抗的典型態(tài)勢(shì)、干擾器瞄準(zhǔn)干擾噪聲強(qiáng)度和頻率以及我方艦艇目標(biāo)強(qiáng)度。

3 仿真分析

我方水下潛艇攜帶干擾器，敵方水面艦艇裝備主被動(dòng)聲吶，潛艇被敵方聲吶探測(cè)跟蹤后適時(shí)釋放干擾器，并在干擾器的掩護(hù)下迅速遠(yuǎn)離敵方艦艇，使其不能對(duì)我艇實(shí)施有效攻擊。干擾器對(duì)主被動(dòng)聲吶的干擾效果仿真分析如下：

設(shè)某主被動(dòng)聲吶為均勻線列陣陣型，陣元個(gè)數(shù)為48，陣元間距為0.375 m，各向同性工作背景譜級(jí)為在頻率1 kHz處為64 dB。被動(dòng)方式工作頻段為1～2 kHz，作用距離R0=22 km，主動(dòng)方式工作頻率為1.5 kHz單頻，作用距離R0=31 km。設(shè)某一干擾器在均勻線陣的正橫方位，在頻率1～2 kHz內(nèi)的干擾譜級(jí)為135 dB，瞄準(zhǔn)頻率干擾譜級(jí)為140 dB。假定干擾器和我方艦艇位于同一位置處，我方艦艇輻射噪聲級(jí)與聲吶論證輻射噪聲級(jí)一致、我方艦艇目標(biāo)強(qiáng)度與聲吶論證目標(biāo)強(qiáng)度一致。傳播損失模型如圖1所示。

(1) 干擾器距離聲吶r=20、15、10 km時(shí)對(duì)聲吶被動(dòng)工作方式時(shí)的干擾效果。

圖1 傳播損失模型Fig.1 The transmission loss model

根據(jù)聲吶參數(shù)仿真干擾器存在時(shí)的方位譜圖為P(φ)，計(jì)算指向性指數(shù)DI=15.6，工作頻段1～2 kHz內(nèi)背景噪聲級(jí)LN=165 dB，到達(dá)聲吶接收機(jī)處理頻段內(nèi)的干擾級(jí)LJ=165-LT(r)，由2.1節(jié)干擾分析可知干擾器存在時(shí)的聲吶的單程傳播損失LT[R(θ)]=LT(R0)-[LBI(θ)-(LN-DI)]，由傳播損失模型可反推出R(θ)，計(jì)算作用距離衰減率為[R0-R(θ)]/R0×100%，結(jié)果如圖2(a)所示；根據(jù)式(7)結(jié)合方位譜圖P(φ)仿真分析壓制扇面結(jié)果如圖2(b)所示。統(tǒng)計(jì)在干擾方位處聲吶被動(dòng)工作方式作用距離衰減率分別為85.9%、90.9%、95.1%，干擾器對(duì)聲吶被動(dòng)工作方式的壓制扇面分別為：15°、8.8°、6.2°。

圖2 干擾器對(duì)被動(dòng)工作方式的干擾仿真Fig.2 The simulation of passive sonar under the interference of noise-jammer

(2) 干擾器距離聲吶r=30、20、10 km時(shí)對(duì)聲吶主動(dòng)工作方式時(shí)的干擾效果。

根據(jù)聲吶參數(shù)仿真干擾器存在時(shí)的方位譜圖為P(φ)，計(jì)算指向性指數(shù)DI=15.6，工作頻率處背景噪聲譜級(jí)LN=140 dB，到達(dá)聲吶接收機(jī)處的干擾譜級(jí)LJ=140dB-LT(r)，由2.2節(jié)干擾分析可知，干擾器存在時(shí)的聲吶的雙程傳播損失2LT[R(θ)]=2LT(R0)-[LBI(θ)-(LN-DI)]，由傳播損失模型可反推出R(θ)，計(jì)算作用距離衰減率為[R0-R(θ)]/R0×100%，如圖3(a)所示；根據(jù)式(12)結(jié)合方位譜圖P(φ)仿真分析壓制扇面結(jié)果如圖3(b)所示。經(jīng)統(tǒng)計(jì)可得，干擾方位處聲吶主動(dòng)工作方式時(shí)的作用距離衰減率分別為65.0%、73.1%、82.3%，干擾器對(duì)聲吶主動(dòng)工作方式的壓制扇面分別為42.8°、10.2°、4.4°。

圖3 干擾器對(duì)主動(dòng)工作方式的干擾仿真Fig.3 The simulation of active sonar under the interference of noise-jammer

4 結(jié) 論

本文在干擾器存在時(shí)聲吶工作背景模型的基礎(chǔ)上，針對(duì)聲吶的主、被動(dòng)工作方式分別建立了干擾器干擾效果參數(shù)級(jí)模型，并分析給出了探測(cè)距離衰減率和壓制扇面的計(jì)算。最后通過(guò)仿真實(shí)例給出了干擾器對(duì)主、被動(dòng)聲吶的干擾效果分析。本文提出了的參數(shù)級(jí)模型分析方法是一種快速有效的衡量干擾器干擾效果的方法，可為作戰(zhàn)時(shí)對(duì)抗策略提供一定的指導(dǎo)意義。