噪声干扰器作用下反潜鱼雷主动自导性能数值分析

张方方, 李文哲, 董晓明, 宋佳平

噪声干扰器作用下反潜鱼雷主动自导性能数值分析

张方方, 李文哲, 董晓明, 宋佳平

(海军大连舰艇学院 水武与防化系, 辽宁 大连, 116018)

为研究潜用高频噪声干扰器对反潜鱼雷主动自导性能的影响, 在考虑潜艇声特性基础上建立了反潜鱼雷主动自导计算模型和高频干扰器干扰模型, 采用分离变量法分别对不同相对方位和初始距离下的干扰器作用效果以及潜艇高速转向规避下的反潜鱼雷自导性能进行数值分析。结果表明, 高频干扰器的干扰效果随其相对方位绝对值和初始距离的减小而增强, 进而使反潜鱼雷的自导距离减小;潜艇释放干扰器后采用高速背雷机动规避将使鱼雷的自导作用距离进一步减小, 但不改变干扰器的干扰扇面。文中建立的数学模型及数值分析结果可为反潜鱼雷作战效能分析提供基础模型及数据支撑。

反潜鱼雷; 噪声干扰器; 干扰扇面; 自导性能

0 引言

反潜鱼雷具有航速高、能深潜等特点, 其一旦捕获核实并跟踪潜艇目标, 潜艇将难以依靠纯机动规避得以生存。此时潜艇常采用的方案是, 首先发射高频噪声干扰器中断反潜鱼雷的跟踪, 而后发射自航式声诱饵将鱼雷诱骗至远离潜艇方向, 同时高速转向规避机动[1]。

易红等[2]建立了噪声干扰器的干扰机理模型, 探讨了反潜鱼雷对抗噪声干扰器的方法; 胡言峰等[3]在建立鱼雷主动声自导模型的基础上探讨了干扰器干扰距离随海况、鱼雷航深和潜艇舷角的变化规律; 高学强等[4]以空投鱼雷反潜过程为研究对象, 在完成鱼雷自导和噪声干扰器建模的基础上, 建立了潜艇对抗噪声干扰器的时间过程模型, 得到了潜艇连续释放噪声干扰器实施对抗的时间节点。上述研究中的数学模型仅考虑了干扰器对鱼雷自导距离的影响, 忽略了干扰扇面的求解。周明等[5]对高频干扰器干扰主动声自导鱼雷进行了仿真计算, 得到了干扰器的干扰区域, 为潜艇规避鱼雷提供了理论依据; 徐海珠等[6]建立了高频干扰器对抗主被动联合声自导鱼雷的干扰模型, 并计算了干扰器作用下的干扰扇面和鱼雷自导距离缩减率。上述文献均致力于建立完整的鱼雷自导模型和高频噪声干扰器模型, 却忽略了潜艇目标声特性模型的建立, 致使无法求解噪声干扰器释放后潜艇规避机动对鱼雷自导的影响。

为此, 文中在考虑潜艇声特性基础上建立了较为完善的潜艇、反潜鱼雷及噪声干扰器对抗模型, 并采用分离变量法分别对不同方位和初始距离下的干扰器作用效果以及潜艇高速转向规避下的反潜鱼雷自导性能进行数值分析。由于干扰器的干扰作用主要集中于对鱼雷主动自导声波主瓣的压制作用[7-8], 因此文中考虑干扰器的干扰扇面主要针对鱼雷自导声波主瓣。

1 鱼雷主动自导计算模型

鱼雷主动自导系统基本工作模型如图1所示。

由图可知, 主动自导系统工作时, 发射机通过基阵周期性地向海水中发射某种形式的声波, 声波在信道中传播时若遇到目标, 则部分能量被反射回来, 形成目标反射信号; 接收机通过基阵接收目标反射信号和叠加在该信号上的干扰信号, 干扰信号包括鱼雷自噪声、环境噪声、目标辐射噪声、混响以及噪声干扰器等人工干扰, 而鱼雷自噪声和人工干扰通常对鱼雷自导性能的影响较大; 自导系统通过对接收信息的数字信号处理来进行目标识别和参量估计。图中各参数的物理意义将在数学模型建立过程中逐一讨论。

1.1 鱼雷主动自导方程

噪声掩蔽下的鱼雷主动自导方程为

反潜鱼雷自导系统平面声基阵的指向性指数可表示为

1.2 潜艇声特性计算模型

至此, 鱼雷主动自导计算模型建立完毕。

2 高频噪声干扰器模型

噪声干扰器的工作机理如图2所示。

图2 噪声干扰器工作原理

潜用噪声干扰器的工作机理就是利用其大功率噪声对声自导鱼雷实施压制, 使鱼雷自导系统接收的信噪比减弱, 自导作用距离减小, 鱼雷本已捕获的潜艇目标可能再次丢失。这样, 噪声干扰器就达到了掩护潜艇目标躲避反潜鱼雷跟踪的目的。

至此, 高频噪声干扰器数学模型建立完毕, 据此可数值计算噪声干扰器作用下反潜鱼雷的自导性能。

3 案例仿真与分析

3.1 潜艇声特性计算

由建立的潜艇声特性数学模型编写计算程序, 对国外某核潜艇不同航速下辐射噪声进行仿真计算, 并进行归一化处理后结果如图3所示。

图3 不同航速下潜艇相对辐射噪声

由图3可知, 该级核潜艇在其战术航速20 kn以下航行时, 随着航速的增加其辐射噪声增速较为缓慢: 潜艇航速由5 kn增至20 kn, 相对辐射噪声由0.50增至0.62; 当潜艇航速增至20 kn以上时, 其辐射噪声急剧增大, 并在其水下最高航速34 kn时[10]辐射噪声最大。可见, 战术航速是潜艇的重要性能指标之一, 各国海军努力提高潜艇战术航速的目的就是实现潜艇静音性和机动性的有效结合。

图4给出了不同方位下国外某核潜艇相对辐射噪声。由图可知, 潜艇艇艏和艇艉的相对辐射噪声只有0.3, 这是由于艏艉部艇壳和尾流的屏蔽作用造成强度减弱; 而在艇体正横附近较大范围内辐射噪声呈等强度分布。

图4 不同方位潜艇相对辐射噪声

图5给出了不同方位下国外某核潜艇的相对目标强度。由图可知, 相比较常见的“蝴蝶”图形, 该级核潜艇在正横附近60°范围内相对目标强度由0.51增至1, 变化较为剧烈, 这是由该级核潜艇的艇体尺寸决定的。该级核潜艇的长高比为11.05、长宽比为12.35, 比常规潜艇苍龙级分别增大19.7%和25%。

图5 不同方位潜艇相对目标强度

3.2 噪声干扰器性能计算

图6 方向特性函数图

图7 不同方位和距离下干扰器相对作用距离

3.3 鱼雷自导性能计算

图8 干扰器作用下鱼雷相对自导距离

图9 潜艇转向时鱼雷相对自导距离

图10 潜艇加速时鱼雷相对自导距离

4 结论

2) 潜艇释放干扰器后采用高速背雷机动规避将使鱼雷的自导作用距离减小, 但不改变干扰器的干扰扇面。

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[2] 易红, 郝保安, 肖霖．声自导鱼雷对抗宽带噪声干扰器技术研究[J]．鱼雷技术, 2004, 12(1): 23-25．Yi Hong, Hao Bao-an, Xiao Lin. The Development of Acoustic Homing Torpedo Technology to Counter the Broadband Noise Interference Unit[J]. Torpedo Technology, 2004, 12(1): 23-25.

[3] 胡言峰, 郑援, 单广超. 潜艇噪声干扰器对抗主动声自导鱼雷效能仿真分析[J]．鱼雷技术, 2007, 15(5): 55-57．Hu Yan-feng, Zheng Yuan, Shan Guang-chao. Simulation Analysis of Countermeasure Effect of Noise Jammer in Submarine on Active Acoustic Homing Torpedo[J]. Torpedo Technology, 2007, 15(5): 55-57.

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[8] 夏志军, 肖继刚, 王肖, 等．噪声干扰器对抗主动声纳有效干扰压制区计算方法[J]．系统工程与电子技术, 2012, 34(9): 1813-1816．Xia Zhi-jun, Xiao Ji-gang, Wang Xiao, et al. Calculation of Effective Jamming Suppression Zone of Noise-jammer Against Active Sonar[J]. System Engineering and Electronics, 2012, 34(9): 1813-1816.

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[10] 诺曼·弗里德曼, 克里斯·查恩特．现代潜艇和反潜作战[M]．北京: 中国市场出版社, 2015.

Numerical Analysis on Active Acoustic Homing Performance of Anti-Submarine Torpedo under the Action of Noise Jammer

ZHANG Fang-fang, LI Wen-zhe, DONG Xiao-ming, SONG Jia-ping

(Department of Underwater Weaponry & Chemical Defense, Dalian Naval Academy, Dalian 116018, China)

To reveal the effect of high-frequency noise jammer on active acoustic homing performance of anti-submarine torpedo, models of active acoustic homing and high-frequency noise jammer are established considering acoustic performance of submarine. The effect of the jammer at different relative azimuths and initial distances, as well as the homing performance of anti-submarine torpedo under high-speed steering evasion, is numerically analyzed by using the separate variable method. Results show that: 1) the interference effect of the high-frequency jammer is enhanced with the decrease of the absolute value of its relative azimuth and the initial distance, and the homing distance of the anti-submarine torpedo is hence reduced; 2) submarine adopting high-speed reverse-direction maneuvering evasion after release jammer will further reduce the homing distance of the torpedo, but will not change the interference sector of the jammer. This research may provide a basic model and data support for operational effectiveness analysis of anti-submarine torpedo.

anti-submarine torpedo; noise jammer; interference sector; homing performance

TJ67; TN972

A

2096-3920(2020)01-0033-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2020.01.005

张方方, 李文哲, 董晓明, 等. 噪声干扰器作用下反潜鱼雷主动自导性能数值分析[J]. 水下无人系统学报, 2020, 28(1): 33-38.

2019-05-21;

2019-06-30.

张方方(1987-), 男, 博士, 讲师, 主要研究方向为反潜武器及战斗使用.

(责任编辑: 许 妍)