声自导鱼雷二次转角射击目标优化建模

宫友明，武志东，刘志成

（1.解放军93534部队，天津 301716；2.海军潜艇学院，山东 青岛 266042）

0 引言

潜射鱼雷攻击目标时，通常采用一次转角射击方式，当鱼雷一次转角射击不能满足鱼雷以有利相遇态势接近并发现目标时，需实施二次转角射击［1］。文献［2］研究了预定相遇态势下的鱼雷二次转角射击通用建模方法。

声自导鱼雷转角射击时，为降低射击参数解算模型的复杂度，通常不考虑相遇态势对鱼雷自导作用距离的影响［3-4］，这时实际鱼雷声自导作用距离与预期的鱼雷声自导作用距离之间的偏差导致鱼雷实际自导段弹道与预期的自导段弹道存在偏差，在鱼雷命中角较大或较小情况下，会产生较大弹道偏差，甚至鱼雷无法稳定追踪目标。

基于以上考虑，本文拟对预定相遇态势下潜射声自导鱼雷二次转角射击时的射击参数解算模型进行优化，使其兼顾模型解算可行性和相遇态势对鱼雷声自导作用距离的影响。

1 声自导鱼雷二次转角射击原理

假设潜艇发射鱼雷时刻目标位于Ms点，航向为Cm、速度为 Vm、舷角为 Qms、方位为 Bs、射距为 Ds，潜艇位于 Ws点，航向为 Cw、速度为 Vw、舷角为 Qws，潜艇对目标实施声自导鱼雷二次转角射击的射击原理，如图1所示。

图1 声自导鱼雷二次转角射击原理示意图

图1中，Dn为潜艇观测器材位置点到鱼雷发射管管口之间的距离；φ为鱼雷射击提前角；θ为鱼雷命中角（即鱼雷发现目标时刻，目标航向线与鱼雷反航向线之间的夹角）；r0为鱼雷自导作用距离；Szh为鱼雷抛射段航程；S1和S2分别为鱼雷二次转角前后的直航段航程。

当潜艇采用声自导鱼雷攻击目标时，射击瞄准点是发射鱼雷时刻的目标位置点Ms，当鱼雷发射出管后航行到T点时其自导扇面的前沿与目标同时到达预定相遇点C而构成鱼雷的发现条件，即：

其中，VTl为鱼雷低速；VTh为鱼雷高速；RT为鱼雷旋回半径；ω1和ω2分别为鱼雷一次和二次转角。

可建立声自导鱼雷的射击方程［5］，即：

解算声自导鱼雷射击诸元时，通常将鱼雷自导作用距离r0取为定值，此时式（1）共有4个未知数（φ、θ、S1、S2）或（φ、ω2、S1、S2），显然式（1）有无穷多解。为了使式（1）的解具有唯一性，通常在鱼雷二次转角射击时预先给定鱼雷与目标的末段相遇运动态势，即预先指定θ和S2。

实际上目标的辐射噪声和目标对声波的反射强度均具有方向性，即鱼雷自导作用距离随鱼雷发现目标时所处目标舷角的变化而变化。

2 鱼雷声自导作用距离解算模型

影响鱼雷声自导作用距离的因素主要有水文条件、目标声源级、目标反射强度、鱼雷自噪声、声波传播损失和海洋混响等，此外还与鱼雷自导装置性能密切相关。在理想的水文条件下，鱼雷自导装置主要是受各向同性背景噪声的影响。本文仅分析背景噪声为各向同性噪声时的鱼雷声纳探测能力。

下面分别研究鱼雷主动声自导作用距离rzd和被动声自导作用距离rbd的解算方法。

2.1 鱼雷主动声自导作用距离

依据文献［6］可知主动声纳方程为：

其中：TL为声传播损失；SL为鱼雷发射声源级；TS为目标反射强度；NL为背景噪声干扰级，主要指鱼雷自噪声；GL为鱼雷自导装置处理增益；DT为检测阈。声传播损失TL的常用计算方法为：

其中，β为声波传播衰减系数。

鱼雷自噪声NL的解算模型为：

其中，VT为鱼雷航行速度；HT为鱼雷搜索深度；f为鱼雷自导装置中心工作频率。

目标反射强度TS与目标的大小、材料及入射波的角度有关，其解算模型为：

其中：

其中，K为声波反射系数；A，B，C分别对应目标的长度、宽度和吃水深度（对水下目标为其高度）；Qm为鱼雷发现目标时所处的目标舷角，当鱼雷搜索扇面前沿中点与目标相遇时目标舷角Qm即为鱼雷命中角θ。

联立式（2）～式（5），即可解算出不同目标舷角Qm所对应的鱼雷主动声自导作用距离rzd。

2.2 鱼雷被动声自导作用距离

依据文献［6-7］可知被动声纳方程为：

其中，SL为舰船辐射噪声，其解算模型为：

其中，T为排水量；f为频率；k（Qm）为与目标舷角Qm有关的系数，且

或用以下模型近似计算：

联立式（3～4，6～7），即可解算出不同目标舷角Qm所对应的鱼雷被动声自导作用距离rbd。

3 鱼雷二次转角射击时的参数解算模型优化

预定相遇态势下声自导鱼雷二次转角射击参数的解算步骤为：1）基于攻防态势解算声自导鱼雷一次转角射击时的命中角θ；2）在一定角度范围内将命中角θ优化为θ′，并确定出鱼雷二次转角结束时与目标的相遇运动态势；3）解算预定相遇态势下声自导鱼雷二次转角射击时的射击诸元。

其解算流程如图2所示。

由图2可知，在鱼雷射击诸元解算过程中始终认为鱼雷自导作用距离r0保持不变，而实际上r0随鱼雷与目标的相遇态势的变化而变化，使得鱼雷首次发现目标时，目标不一定正好位于鱼雷搜索扇面前沿中点附近，而可能偏离鱼雷搜索航向较大的角度，以致实际的鱼雷追踪目标弹道过程与期望的鱼雷末段弹道过程可能相差甚远。

可见，若能实时解算声自导鱼雷作用距离，优选声自导鱼雷二次转角射击时的命中角，提高预定相遇态势（即鱼雷和目标的相遇态势）的可行性和可信度，将能在很大程度上减小鱼雷末段搜捕目标弹道过程的不确定性，改善鱼雷作战效能。优化后的鱼雷射击诸元解算流程，如图3所示。

图2 声自导鱼雷二次转角射击时的参数解算流程

图3 声自导鱼雷二次转角射击时的参数优化解算流程

4 实例分析

假设潜艇发射鱼雷时刻的目标航向Cm为160°、航速 Vm为 20 kn、方位 Bs为 0°、射距 Ds为35 cab、长度A为130 m、宽度B为50 m、吃水C为10 m、排水量为3 000 t，潜艇航向Cw为330°、航速Vw为4 kn、航深Hw为50 m，鱼雷高速VTh为60 kn、低速VTl为30 kn、抛射段航程Szh为100 m、旋回半径RT为30 m、声自导作用距离R0为1 000 m、声自导装置的处理增益GL为20 db、检测阈DT为10 db、中心工作频率为40 kHz、搜索深度HT为15 m、主动声自导的声源级为140 db。此外，作战海区为等温层，水温t为5℃。

1）解算鱼雷一次转角射击时的射击参数，如表1所示。

表1 声自导鱼雷一次转角射击参数

表中，Skj为鱼雷自导开机距离；其他参数的定义与式（1）一致。

2）计算鱼雷主动声自导作用距离。当声自导鱼雷采用主动工作方式时，鱼雷发射声源级SL、自噪声NL不随目标舷角的变化而改变，此时影响鱼雷自导作用距离rzd的主要因素是目标反射强度TS。当鱼雷自导段速度VT为60 kn时，TS随目标舷角Qm的变化规律，如图4所示。

图4 TS随Qm的变化规律

图5 rzd随Qm的变化规律

由于目标反射强度TS的影响，鱼雷主动声自导作用距离rzd随目标舷角Qm的变化规律，如图5所示。

由图5可知，当VT为60 kn，Qm为22°和338°时，rzd达到最大值135.4 m。同理，当VT为30 kn，Qm为22°和338°时，rzd达到最大值424.0 m。

3）计算鱼雷被动声自导作用距离。当声自导鱼雷采用被动工作方式时，鱼雷自噪声NL不随目标舷角Qm的变化而改变，此时影响鱼雷自导作用距离rbd的主要因素是目标声源级SL。当鱼雷自导段速度VT为60 kn时，SL随目标舷角Qm的变化规律，如图6所示。

图6 SL随Qm的变化规律

受目标声源级SL变化的影响，鱼雷被动声自导作用距离rbd随目标舷角Qm的变化规律，如图7所示。

由图7可知，当 VT为 60 kn，Qm为 61°、119°、241°和299°时，rbd达到最大值40.82 m。同理，当VT为 30 kn，Qm为 61°、119°、241°和 299°时，rbd达到最大值497.91 m。

通过以上鱼雷主被动工作方式下的声自导作用距离统计分析和定量计算可以得出以下结论：

①当鱼雷采用主动工作方式时，目标舷角对鱼雷自导作用距离的影响主要源于目标舷角对目标反射强度的影响，且Qm为22°和338°时，rzd达到最大值。

②当鱼雷采用被动工作方式时，目标舷角对鱼雷自导作用距离的影响主要源于目标舷角对目标声源级的影响，且 Qm为 61°、119°、241°和299°时，rbd达到最大值。

4）解算模型优化后的声自导鱼雷二次转角射击参数

①当鱼雷采用主动声自导工作方式时，可将鱼雷命中角θ由27.5°优化为22°，此时以S2取值为1 000 m为例，不同鱼雷自导段速度VT对应的鱼雷射击诸元，如表2所示。

表2 主动声自导鱼雷二次转角射击参数

②当鱼雷采用被动声自导工作方式时，可将鱼雷命中角θ由27.5°优化为61°，此时以S2取值为1 000 m为例，不同鱼雷自导段速度VT对应的鱼雷射击诸元，如表3所示。

表3 被动声自导鱼雷二次转角射击参数

可见，通过对预定相遇态势下鱼雷二次转角射击时的射击参数解算模型进行优化，不但可以实现同时对鱼雷命中角、自导作用距离和自导段弹道过程进行优化，而且能够做到同时兼顾模型解算可行性和相遇态势对鱼雷声自导作用距离的影响。

5 结论

本文建立了预定相遇态势下潜射声自导鱼雷二次转角射击时，其射击参数的优化解算模型，并通过实例验证了其可行性。在使用该解算模型时，应根据鱼雷战技术性能参数和被攻击目标的类型提供必要的模型输入，从而使该模型能够同时适用于声自导鱼雷对潜和对舰二次转角射击时的参数解算。