中国指挥与控制学会会刊 
1 探测技术原理
-如图1 所示,以小当量TNT爆炸产生的声波为声源,利用舰船平台的拖曳线列阵被动接收声波,组成相当于异地收发功能的水声探测系统。爆炸产生的声波通过2条路径被拖曳线列阵检测到:一条是由爆炸点D直接传到拖曳线列阵A的直达波;另一条是由爆炸点D经潜艇目标M反射后再传到拖曳线列阵A的目标回波。拖曳线列阵根据接收的直达波和目标回波的时间,根据声呐方程和解析几何二次曲线的特性分析,可知M点位于以A、D为两焦点的椭圆上。另外,相对于常规声呐产生的声波,小当量TNT爆炸产生的声波具有以下特点:一是特制爆炸声源在确定位置爆炸,能产生全向、低频强声波信号;二是爆炸产生的声波能量大小可控;三是爆炸产生的能量包含的频谱范围广。
2 爆炸声源的声波研究
2.1 爆炸声源的声波测量
为了对海水中爆炸声波的声源级、频谱进行测量,建立声波信号采集系统,如图2 所示。测量分为三个阶段,第一阶段为准备阶段,包括测量海面风速,水温,确定是否符合测量条件,并且要求测量水域没有其他船只的干扰。第二阶段为测量系统准备阶段,包括测量经纬度、水深、海面风速、水温、盐度并根据经验公式得到声速剖面分布。第三阶段为测量阶段,测量时母船和小艇都必须熄火抛锚。启动测量记录系统,并示意母船发射爆炸声源,利用示波器检测爆炸信号同时保存接收数据,并按照要求重复测量记录。
本文以700 g TNT爆炸声场数据为例进行分析处理,根据测量数据,经计算得声源级曲线如图3 所示。由于声源爆炸点与测量点之间距离较长,传输信道并不满足球面波扩展条件;另一方面,由于测量时测量船仍保持航行状态,接收水听器和电缆布放入水后无法保持垂直状态,其深度未达到预定的测量深度,上述因素对实际测量声源级数据的准确性造成一定影响。
对上述试验数据计算接收时刻的能量谱,能量谱如图4 所示。从功率谱线图可知,爆炸声源的声波能量大部分集中在低频段区域。
2.2 爆炸声源的回波信号处理
3 探测能力仿真分析
3.1 仿真系统构建
构建爆炸声源/拖曳阵声呐探测能力仿真系统,框架如图6 所示,共包含以下几个部分:
1)仿真参数设定:设定各项位置参数、海洋信道参数和信号处理参数;
2)爆炸声源仿真:仿真爆炸声源声波波形;
3)传输路径仿真:爆炸声源声波通过声场调制路径传输至目标,并通过目标散射再次通过声场调制路径传输至阵列;
4)目标散射特性仿真:仿真爆炸声源照射不同姿态下目标后的信号调制情况,查阅消声瓦对于不同频率声波吸收情况的相关技术资料[7];
5)接收阵列仿真:仿真拖曳线列阵对信号的接收;
6)信号处理系统仿真:通过信号处理,检测直达波、目标回波,并解算目标位置;
7)显示系统仿真:通过友好的人机交互界面将处理结果完美显示。
3.2 探测能力仿真
为了客观评估爆炸声源/拖曳阵声呐系统的探测能力,根据声呐方程对于系统能力进行仿真评估,并与常规多基地声呐系统进行比较。
具体目标距离r测算公式为:
系统优质因数FOM=爆炸声源级-海洋背景噪声+目标反射强度+阵列得益-检测信噪比
为计算r,根据不等式:20log(r/2)×2+海水吸收 < FOM,由此解出满足该不等式的最小r值。
1)仿真地点
以某海域半径100 km的区域为仿真地点,该域100~200 Hz的海洋声传播损失如图7 所示。
2)仿真结果
假定水深100 m,目标深度50 m,爆炸声源深度50 m,根据典型拖曳线列阵的相关参数,在爆炸声源和拖曳线列阵位置态势确定后,系统探测能力仿真结果如图8 所示,从图得到:在75°~200°方位,即爆炸声源所在一侧的方位上,常规多基地声呐系统的探测能力强于爆炸声源/拖曳阵声呐系统。这是因为在这一侧声波传输的距离近,常规多基地探测系统的高频声波衰减小,其脉冲压缩增益相比爆炸声源/拖曳阵声呐占优势;在0°~45°、225°~360°方位上,即爆炸声源异侧方位上,爆炸声源/拖曳阵声呐系统探测能力强于常规多基地声呐系统,这是因为在这一侧声波传输的距离长, 常规多基地声呐系统的高频声波衰减大,爆炸声源/拖曳阵声呐系统中爆炸声源的低频声波衰减小使其探测占优势。
4 爆炸声源探测模式的目标运动要素算法
水面舰艇进入敌潜艇威胁海域时,配备的常规拖曳阵声呐通常处于被动工作模式,能够实时探测到潜艇方位信息,此时如果由于作战需要,需要掌握敌潜艇的目标运动要素(方位、距离、速度、航向等),需要投放爆炸声源,获取目标当前距离信息。根据当前目标距离和实时方位信息,可以解算目标运动态势。
4.1 模型建立
设ti时刻在测得目标方位Bi的同时,又测得目标距离Di。以声呐发现目标时刻的本舰初始位置W0点为坐标原点,并以该时刻声呐测量的目标初始方位线B0为坐标纵轴建立直角坐标系。如图9 所示,设t0时刻本舰位于W0点,目标位于M0点,目标方位为B0,距离为D0,舷角为Xm0,且假定目标以等速Vm沿直航向Cm航行。ti时刻本舰位于Wi点,目标位于Mi点,目标方位为Bi、距离为Di,目标方位变化量为ΔBi=Bi-B0,此时的本舰纵移和横移分别为J0ic、J0is。
将本舰与目标运动构成的几何态势图形各边参量投影在坐标纵、横轴上可得
tanΔBi=
设P=D0,Q=VmsinXm0,R=VmcosXm0,并替换式(1)右端有关项,经整理得
PsinΔBi-Qt0icosΔBi-Rt0isinΔBi-J0iCsinΔBi+J0iScosΔBi=0
由于声呐跟踪测量的目标方位必然存在一定误差,系统累计的本舰位移也必然存在一定误差,因此,在通常情况下式(2)是不成立的。设式(2)右端为某一小误差量εi。在拖曳阵声呐对目标保持连续跟踪条件下可得到目标方位序列,在此过程中系统根据导航设备提供的本舰航向、速度及按时间累计得到对应的本舰位移序列,不难得到数个完全相同的表达式,经过相关代换并整理得到:
E= [DjcosΔBjsinΔBi+J0jCsinΔBi+Rt0jsinΔBi-Qt0icosΔBi-Rt0isinΔBi-J0iCsinΔBi+J0iScosΔBi]2
依据最小二乘法原理,按上式对Q、R分别求偏导数,并令 =0, =0。
最终得解:
4.2 仿真计算
仿真计算采用某典型态势,如图10 所示,参数选取如:初始距离20 km,目标航向240°,目标速度5 kn,采样周期3 s,本舰航速25 kn,本舰航向90°。
方位随机误差为σB=2°(二阶原点矩),距离随机误差为2.5%D。
通过三次引爆声源获取第48、72、96个采样周期时刻的目标距离信息,图11 、图12 是该最小二乘算法下的目标航向、航速收敛效果。综合比较各种典型态势下目标运动航迹与目标运动要素收敛效果,发现当目标方位变化率越快,目标运动要素解算值收敛效果越好。
因此,当利用基于爆炸声源的多基地模式实现对潜远程探测时,应通过控制本舰机动采用适当的接敌跟踪航路,使目标方位有较快的变化率,这样就可以较为准确地解算出目标运动要素,并采用适当武器进行攻击。
5 结束语
本文针对未来反潜作战接触距离更远,实施攻击的速度更高,反潜持续的时间更长等重要需求,提出一种基于爆炸声源的多基地远程探测新方式。该技术通过灵活投放高强度低频爆炸声源与拖曳线列阵声呐相结合,充分发挥分布式探测模式能力,在保证水面舰艇隐蔽条件下,实现对潜艇目标的远距离预警、跟踪和攻击。该技术具有以下特点:一是爆炸声源能量强、频率低、海洋吸收损失小,显著降低潜艇的非对称隐身作战优势,实现对潜艇的远距离探测;二是爆炸声源可较远的灵活投放,爆炸点与水面舰艇相隔较远,可实现水面舰艇保持隐蔽,增加了潜艇对水面舰艇的识别难度,有效降低潜艇攻击单向优势;三是现有的拖曳线列阵声呐经适度改进信号处理算法,即可与爆炸声源配套使用实现远程探潜,装备改动量小。