王桂芹，李 偉，鄧 鵬

(海軍潛艇學(xué)院 導(dǎo)彈兵器系，山東 青島266042)

0 引 言

由于現(xiàn)代潛艇減振降噪技術(shù)的發(fā)展，魚雷被動聲自導(dǎo)幾乎只能用于打擊中高速航行的水面艦船目標(biāo)。被動聲自導(dǎo)系統(tǒng)在搜索目標(biāo)時，在垂直方向上通常按照設(shè)定深度航行。魚雷被動聲自導(dǎo)系統(tǒng)本質(zhì)上為一部小型聲吶，搜索深度的設(shè)定，決定了反艦搜索效能的發(fā)揮。目前鮮有魚雷設(shè)定深度方面的研究，僅根據(jù)部分定性分析或習(xí)慣，缺乏定量分析和研究。

被動自導(dǎo)搜索設(shè)定深度的研究，前提條件是用于評價搜索效果指標(biāo)，進(jìn)而分析影響搜索效果的主要參量。被動自導(dǎo)作用距離是評價自導(dǎo)系統(tǒng)效能的主要指標(biāo)，主要依據(jù)被動自導(dǎo)方程中各項參數(shù)進(jìn)行計算。被動自導(dǎo)方程各項參數(shù)中，魚雷自噪聲級和傳播損失隨深度變化。本文將綜合2個要素的仿真分析，進(jìn)行魚雷被動自導(dǎo)作用距離仿真計算，作為搜索深度設(shè)定的依據(jù)，研究典型水文條件下搜索深度設(shè)定原則。

1 魚雷被動聲自導(dǎo)期望作用距離計算方法

自導(dǎo)期望作用距離是評價魚雷自導(dǎo)系統(tǒng)效能最直接有效的指標(biāo)，通常采用被動自導(dǎo)方程計算被動自導(dǎo)期望作用距離。

被動自導(dǎo)方程為:

式中:SL為聲源級;NL為噪聲級;AG為自導(dǎo)接收基陣陣列增益;DT為檢測閾;FOM為優(yōu)質(zhì)因子;TL為傳播損失。TL為魚雷與目標(biāo)距離r的函數(shù)。當(dāng)FOM≥TL 時，則魚雷被動自導(dǎo)系統(tǒng)以一定概率發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，根據(jù)此條件即可計算魚雷被動聲自導(dǎo)期望作用距離r。聲源級SL 衡量艦船目標(biāo)輻射噪聲，與目標(biāo)類型、尺寸、航速等因素有關(guān);陣列增益AG 由自導(dǎo)基陣自身參數(shù)決定;噪聲級NL 反映自導(dǎo)系統(tǒng)的干擾，魚雷被動自導(dǎo)工作時，干擾包括環(huán)境噪聲、魚雷自噪聲和其他反魚雷手段的干擾。魚雷自導(dǎo)系統(tǒng)工作頻率較高，通常在20 kHz左右，在此頻率上，環(huán)境噪聲主要為來自海面的風(fēng)雨噪聲，噪聲譜級僅為30 dB［1］左右，遠(yuǎn)小于魚雷自噪聲，因此不考慮反魚雷手段的前提下，被動自導(dǎo)系統(tǒng)干擾主要為魚雷自噪聲。在魚雷航速超過20 kn 時，在自導(dǎo)工作頻率上，魚雷自噪聲主要以螺旋槳空化噪聲為主［2］。螺旋槳空化噪聲經(jīng)由海水、海底散射或海面散射，傳播到自導(dǎo)基陣形成自噪聲。

圖1 魚雷自噪聲形成機(jī)理Fig.1 Torpedo self-noise formation

魚雷自噪聲包括體積散射噪聲和界面散射噪聲，文獻(xiàn)［3－4］對魚雷自噪聲模型進(jìn)行研究，但假設(shè)條件中認(rèn)定魚雷接收基陣無指向性，這與實(shí)際情況不符合。因此，對其進(jìn)行修正，體積散射自噪聲NLV和界面散射自噪聲NLS計算模型為:

式中:SV為海水體積散射系數(shù)(通常為－90 dB～－70 dB)［5］;SNL為魚雷輻射噪聲級;α為海水吸收系數(shù);rT為自噪聲仿真計算距離;h為魚雷距離海面或海底深度，m;μ為界面散射系數(shù)，可采用Lambert 定律計算。

式中:μ0為界面散射常量;θ為入射角;φ為散射角。Ψ為反映被動自導(dǎo)系統(tǒng)接收指向性的參數(shù)。設(shè)魚雷被動波束為理想波束情況，即立體波束角內(nèi)的接收指向性為1，其余為0，則:

式中:ω為魚雷基陣接收水平波束角寬度;φ為魚雷基陣接收垂直波束角寬度。檢測閾DT為:

其中R0.5為自導(dǎo)檢測概率為0.5 時接收機(jī)信噪比門限。魚雷被動自導(dǎo)搜索目標(biāo)時，尚未發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，信號檢測通常采用能量檢測方式。若目標(biāo)噪聲信號幅值與環(huán)境噪聲幅值均服從高斯分布，且被動自導(dǎo)系統(tǒng)為平方－積分處理方式，則自導(dǎo)接收機(jī)輸出信號與噪聲幅值服從瑞利分布，根據(jù)文獻(xiàn)［6］:

式中:pf為虛警概率;Δf為帶寬;Δt為積分時間;erfc為補(bǔ)償誤差函數(shù);erfc－1為其反函數(shù)。

傳播損失TL 由海區(qū)水文條件、自導(dǎo)頻率等因素決定。由于魚雷自導(dǎo)工作頻率較高，通常在20 kHz 以上，采用高斯束射線Bellhop模型計算傳播損失TL。根據(jù)自導(dǎo)方程各項的仿真計算，將FOM與TL(r)比較，即可計算魚雷設(shè)定深度不同時魚雷被動自導(dǎo)反艦期望作用距離，將其作為魚雷深度設(shè)定的依據(jù)。

2 魚雷被動聲自導(dǎo)反艦深度設(shè)定仿真分析

2.1 魚雷自噪聲仿真計算

設(shè)海深120 m，海水吸收系數(shù)α為6 dB/km，弱不平整海底，海底散射系數(shù)μ1為－20 dB，海況3級，海面散射系數(shù)μ2為－21 dB，體積散射系數(shù)SV為－80 dB，魚雷工作深度h為25 m，聲自導(dǎo)水平波束角±40°，垂直波束角± 12°，魚雷輻射噪聲級SNL為108 dB，則在5～1 000 m的體積散射自噪聲、海面散射自噪聲、海底散射自噪聲和魚雷自噪聲仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 魚雷自噪聲仿真分析結(jié)果Fig.2 Torpedo self-noise simulation and analysis

從圖2 可看出，魚雷自噪聲主要海底和海面散射產(chǎn)生，而體積散射自噪聲可忽略。仿真距離超過10 m 后，魚雷自噪聲趨于穩(wěn)定。魚雷工作深度取值不同時的仿真也表明，魚雷自噪聲主要為海面和海底散射自噪聲。

下面對魚雷自噪聲隨深度變化進(jìn)行分析。將魚雷深度在5～115 m 離散取值，自噪聲仿真結(jié)果如圖3所示。由圖3 可以看出，魚雷在67 m 深度航行時，自噪聲最低，僅為58.75 dB;魚雷靠近海面或者海底時，由于界面散射的影響，自噪聲較大，在5 m和115 m 時，自噪聲分別達(dá)61.91 dB和60.92 dB，超過67 m 深度的自噪聲為2～3 dB，因此，有必要研究自噪聲影響下魚雷被動自導(dǎo)搜索深度如何設(shè)定。

2.2 魚雷被動聲自導(dǎo)期望作用距離仿真與分析

設(shè)水面艦船等效聲學(xué)中心深度為5 m，魚雷自導(dǎo)工作頻率為25 kHz，AG =5 dB，在等聲速、負(fù)梯度、正梯度和負(fù)躍層4 種典型聲速分布及該條件下的傳播損失分布，以及不同深度下魚雷被動聲自導(dǎo)期望作用距離如圖4～圖7所示。

圖4為等聲速條件下的被動自導(dǎo)作用距離仿真?？梢钥闯?，67 m 深度上魚雷自導(dǎo)作用距離最大，可達(dá)2.15 km，在靠近海面和海底深度上，自導(dǎo)作用距離僅1.7 km 左右。這是由于在等聲速條件下傳播損失在垂直方向上分布比較均勻，則魚雷被動自導(dǎo)最佳搜索深度主要由自噪聲在垂直方向上的分布決定。67 m 深度同時也是等聲速條件下魚雷自噪聲最小的深度。

圖3 魚雷自噪聲隨深度變化情況Fig.3 Torpedo self-noise changing with depth

圖4 等聲速條件下的被動自導(dǎo)作用距離Fig.4 Passive homing system detection range in invariable SSP

圖5為負(fù)梯度條件下的被動自導(dǎo)作用距離仿真?？梢钥闯?，負(fù)梯度條件下，70 m 深度上自導(dǎo)作用距離最大，約2.1 km。而在靠近海面和海底深度上，自導(dǎo)作用距離僅1.65 km和1.77 km 左右。這是由于負(fù)梯度條件下，聲線往海底方向彎曲，使得大于聲源深度上傳播損失較小，而魚雷自噪聲在67 m 深度上最低，魚雷自噪聲和傳播損失在深度上的分布共同決定了魚雷被動自導(dǎo)最佳搜索深度略大于自噪聲最低深度。

圖5 負(fù)梯度條件下的被動自導(dǎo)作用距離Fig.5 Passive homing system detection range in reverse gradient SSP

圖6為正梯度條件下的被動自導(dǎo)作用距離仿真?？梢钥闯?，正梯度條件下，靠近海面的深度上自導(dǎo)作用距離較大，最大值2.29 km 出現(xiàn)在10 m深度。而在靠近海底深度上，超過自導(dǎo)作用距離僅1.67 km。這是由于聲速梯度達(dá)0.175 s－1，正梯度條件下，聲線往海面方向彎曲，在接近海面深度形成表面聲道。傳播損失成為影響被動自導(dǎo)搜索深度的主要因素。同時可以看出，29 m 深度上作用距離僅1.855 km，這是由于該深度上形成聲影區(qū)，進(jìn)行魚雷深度設(shè)定時應(yīng)避開此深度。

圖6 正梯度條件下的被動自導(dǎo)作用距離Fig.6 Passive homing system detection range in positive gradient SSP

圖7為負(fù)躍層條件下的被動自導(dǎo)作用距離仿真，躍層深度在9～20 m，聲速梯度為－1.636 s－1。可以看出，負(fù)躍層條件下，被動自導(dǎo)作用距離在最靠近海面5 m 深度上最大，約2.2 km;在19 m 左右的躍層深度上，作用距離僅1.825 km;在靠近海底深度上左右距離最小，僅1.57 km。在躍層以上，由于魚雷與目標(biāo)處于聲躍層的同側(cè)，傳播損失遠(yuǎn)小于躍層以下，因此作用距離最大。躍層以下深度上，由于躍層的影響，自導(dǎo)作用距離總體上小于躍層以上。但由于躍層以下為正聲速梯度，聲線向海面彎曲，使得靠近海底深度上自導(dǎo)作用距離最小。同時，由于躍層以下正聲速梯度和67 m 深度上自噪聲最低，使得躍層以下自導(dǎo)作用距離最大值1.94 km 出現(xiàn)在69 m 深度。

3 結(jié) 語

圖7 負(fù)躍層條件下的被動自導(dǎo)作用距離Fig.7 Passive homing system detection range in negative thermocline SSP

仿真分析結(jié)果表明，在4 種典型聲速分布條件下，由于魚雷自噪聲和傳播損失在水平深度上的差異，不同深度上的被動自導(dǎo)作用距離相差30%～40%。因此，魚雷被動聲自導(dǎo)反艦搜索時，搜索深度設(shè)定嚴(yán)重影響魚雷被動自導(dǎo)搜索效果，進(jìn)而影響魚雷作戰(zhàn)效能的發(fā)揮。在進(jìn)行魚雷搜索深度參數(shù)設(shè)定時，除了魚雷航行深度限制、作戰(zhàn)訓(xùn)練任務(wù)要求等約束，應(yīng)綜合考慮海面和海底散射為主要因素影響下的魚雷自噪聲，海區(qū)聲速梯度條件影響下的傳播損失在深度上的分布。

大量仿真分析表明，在等聲速條件下，魚雷被動聲自導(dǎo)反艦最佳搜索深度通常為自噪聲最低深度;負(fù)梯度條件下，魚雷設(shè)定深度應(yīng)略大于自噪聲最低深度;正梯度條件下，滿足魚雷最小極限深度條件的前提下，魚雷設(shè)定深度應(yīng)選擇靠近海面的深度，同時注意避開魚雷被動聲自導(dǎo)盲區(qū);在負(fù)躍層條件下，魚雷設(shè)定深度應(yīng)在躍層上方，若戰(zhàn)術(shù)或其他條件限制下魚雷不事宜在躍層以上搜索時，應(yīng)選擇躍層以下自噪聲最低深度附近。

［1］PAUL C E，蔡志明，譯.水聲建模與仿真［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2005:225－239.

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