由文立,周利輝,2

(1 海軍潛艇學(xué)院,山東青島 266000;2 海軍裝備研究院,北京 100171)

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魚雷被動(dòng)聲自導(dǎo)檢測(cè)概率研究

由文立1,周利輝1,2

(1 海軍潛艇學(xué)院,山東青島 266000;2 海軍裝備研究院,北京 100171)

為了研究魚雷聲自導(dǎo)性能,有必要對(duì)自導(dǎo)系統(tǒng)檢測(cè)概率進(jìn)行分析。從自導(dǎo)接收機(jī)信號(hào)處理方式、檢測(cè)概率與檢測(cè)閾的關(guān)系出發(fā),提出了基于信號(hào)余量的被動(dòng)聲自導(dǎo)檢測(cè)概率計(jì)算方法。仿真結(jié)果表明,魚雷聲自導(dǎo)系統(tǒng)被動(dòng)檢測(cè)概率在距離上成三種分布。在一定距離內(nèi),檢測(cè)概率均超過0.5;在遠(yuǎn)距離上僅有極個(gè)別深度可檢測(cè)到潛艇目標(biāo);在前兩者之間,檢測(cè)概率受深度影響較大,因此有必要進(jìn)行深度上的優(yōu)化選擇。

聲自導(dǎo)檢測(cè)概率;接收特性曲線;檢測(cè)閾;信號(hào)余量

0 引言

魚雷自導(dǎo)方程將海水介質(zhì)、目標(biāo)、魚雷綜合在一起,是自導(dǎo)系統(tǒng)性能預(yù)報(bào)的基本關(guān)系式[1-2]。通常以自導(dǎo)作用距離評(píng)估魚雷自導(dǎo)系統(tǒng)性能[1,3-4],易于計(jì)算,但分析自導(dǎo)系統(tǒng)檢測(cè)概率是一種更為合理的方法。聲自導(dǎo)系統(tǒng)本質(zhì)上說是一部聲納,文獻(xiàn)[5-6]采用隨機(jī)聲納方程,以聲納方程中部分項(xiàng)的隨機(jī)性研究聲納檢測(cè)概率,進(jìn)而進(jìn)行聲納探測(cè)性能的預(yù)報(bào)。接收機(jī)工作特性曲線(ROC)表征了檢測(cè)概率、虛警概率和輸出信噪比的關(guān)系。文中將從ROC曲線出發(fā),從接收機(jī)和信號(hào)的角度研究被動(dòng)聲自導(dǎo)系統(tǒng)檢測(cè)概率與信號(hào)余量的關(guān)系,為預(yù)報(bào)自導(dǎo)系統(tǒng)探測(cè)性能提供依據(jù)。

1 被動(dòng)聲自導(dǎo)系統(tǒng)接收特性曲線

魚雷被動(dòng)聲自導(dǎo)系統(tǒng)采用寬帶接收機(jī),信號(hào)處理采用非相干處理方式,若信號(hào)與噪聲幅值服從瑞利分布,則檢測(cè)概率pd[7]為:

(1)

式中:erfc為補(bǔ)償誤差函數(shù);erfc-1為其反函數(shù),且

(2)

式中:pf為虛警概率;Ra為經(jīng)過自導(dǎo)系統(tǒng)波束形成后的信噪比;M為時(shí)間采樣數(shù):

M=2ΔfΔt

(3)

式中:Δf為帶寬(Hz);Δt為積分時(shí)間(s)。則信噪比門限RT和檢測(cè)閾DT為:

DT=10lgRT

(4)

設(shè)Δf=19kHz,Δt=4s,取不同的pd、和pf和DT則形成一簇ROC曲線,如圖1所示。

圖1 魚雷被動(dòng)聲自導(dǎo)系統(tǒng)ROC曲線

當(dāng)pd=0.5,pf=10-4時(shí),則RT=0.0588,DT=-18.6dB。

2 自導(dǎo)系統(tǒng)檢測(cè)概率計(jì)算

檢測(cè)概率pd由自導(dǎo)系統(tǒng)輸出端信噪比Ra決定,自導(dǎo)系統(tǒng)性能預(yù)報(bào)時(shí)通常采用信號(hào)余量SE分析,因此將pd轉(zhuǎn)化為SE的函數(shù)。被動(dòng)自導(dǎo)方程下的信號(hào)余量定義為:

SE

(5)

信號(hào)余量SE表示自導(dǎo)系統(tǒng)接收機(jī)輸出端實(shí)際信噪比超過信噪比門限的量,其中,SL為聲源級(jí),TL為傳播損失,NL為環(huán)境噪聲級(jí),AG為自導(dǎo)系統(tǒng)陣列增益。根據(jù)式(5)可得:

Ra=RT10SE/10

(6)

可得,檢測(cè)概率pd為:

(7)

通過式(7)的計(jì)算,即可將信號(hào)余量SE轉(zhuǎn)變?yōu)閜d檢測(cè)概率,如圖2所示。

圖2 檢測(cè)概率與信號(hào)余量的關(guān)系

3 仿真與結(jié)果分析

設(shè)潛艇速度為4kn,魚雷自導(dǎo)系統(tǒng)接收頻段[f1,f2]為[1kHz,20kHz],在此頻帶內(nèi)潛艇輻射噪聲譜具有-6dB/octave下降的特征,則潛艇噪聲聲源級(jí)SL為:

SL=SL0-1.40+10lg(10-0.6f1-10-0.6f2)

(8)

其中,SL0為潛艇輻射噪聲在1kHz的譜級(jí)。文中取SL0=110dB,計(jì)算可得SL=102.6dB。

對(duì)于淺海,可以通過下式估算環(huán)境噪聲譜級(jí)。

NLf=10lgf-1.7+6S+55

(9)

式中:f為頻率(kHz);S為海況等級(jí)(S=0,1,…,9),則環(huán)境噪聲級(jí)為:

(10)

設(shè)海況三級(jí),則環(huán)境噪聲級(jí)為NL=68.7dB。

傳播損失TL的計(jì)算可采用各種水聲傳播模型進(jìn)行,具體采用何種模型與頻率有關(guān)。在寬帶條件下,由于潛艇噪聲譜級(jí)以-6dB/octave下降,可采用接收頻段的幾何中心頻率f0作為傳播損失計(jì)算的頻率,計(jì)算可知f0=4.47kHz。設(shè)海深為70m,泥沙底質(zhì),沉積層厚度30m,海底平坦,聲速梯度為負(fù)梯度和負(fù)躍層條件,潛艇深度為45m,魚雷航行深度在30～60m之間,傳播損失采用Bellhop模型[8]計(jì)算,則計(jì)算結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 負(fù)梯度水文條件及傳輸損失計(jì)算結(jié)果

圖4 負(fù)躍層水文條件及傳輸損失計(jì)算結(jié)果

取AG=10.0dB,則采用式(7)計(jì)算檢測(cè)概率,如圖5所示。

可以看出,在4km以內(nèi),魚雷被動(dòng)聲自導(dǎo)系統(tǒng)基本能探測(cè)到潛艇目標(biāo),在超過6km的距離上,只有部分深度上才能形成有效探測(cè)。

圖5 魚雷被動(dòng)聲自導(dǎo)檢測(cè)概率

4 結(jié)論

仿真結(jié)果表明,魚雷聲自導(dǎo)系統(tǒng)被動(dòng)檢測(cè)概率在距離上成三種分布。在一定距離內(nèi),超過0.5的檢測(cè)概率分布比較集中;在遠(yuǎn)距離上僅有極個(gè)別深度檢測(cè)概率超過0.5;在前兩者之間,檢測(cè)概率受深度影響較大,部分深度檢測(cè)概率在0.1以內(nèi),部分深度檢測(cè)概率較高,但衰減較快。

文中的魚雷被動(dòng)聲自導(dǎo)檢測(cè)概率的預(yù)報(bào)方法,充分考慮聲納設(shè)備、海洋環(huán)境和潛艇目標(biāo)對(duì)自導(dǎo)系統(tǒng)探測(cè)性能的影響,在適用性上優(yōu)于聲自導(dǎo)期望作用距離的預(yù)報(bào),在實(shí)際研究和應(yīng)用上更加符合實(shí)際情況。值得注意的是,檢測(cè)概率為自導(dǎo)單次檢測(cè)概率,不是整個(gè)搜潛過程中的探潛概率。實(shí)際探潛概率可根據(jù)檢測(cè)概率進(jìn)行估算。

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Research on Torpedo Passive Acoustic Homing System Detection Probability

YOU Wenli1,ZHOU Lihui1,2

(1 Navy Submarine Academy, Shandong Qingdao 266000, China; 2 Naval Academy of Armament, Beijing 100171, China)

In order to research performance of torpedo acoustic homing system, it’s necessary to analyze system detection probability. According to acoustic homing system signal processing method and the relation between detection probability and detection threshold, detection probability was calculated through signal excess simulation. The results indicate that detection probability has 3 kinds of distribute at different distance. In short range, detection probability is higher than 0.5. In long range, submarine can be detected on few depths. Between the former ones, the effect of depth is powerful and it’s essential to design torpedo navigating depth.

acoustic homing detection probability; ROC curves; detection threshold; signal excess

2015-10-18

由文立(1963-),男,山東青島人,高級(jí)工程師,碩士,研究方向:武器裝備作戰(zhàn)使用和保障。

TB566

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