水面艦艇噪聲干擾器對抗?jié)撏晠刃Ч治?/h1>
2017-11-27 08:34:36袁延藝徐海珠
艦船科學技術(shù) 2017年11期
袁延藝，徐海珠，余 赟
(海軍裝備研究院，北京 100161)
水面艦艇噪聲干擾器對抗?jié)撏晠刃Ч治?/p>
袁延藝，徐海珠，余 赟
(海軍裝備研究院，北京 100161)
為擺脫潛艇聲吶的跟蹤，水面艦艇一般在噪聲干擾器的掩護下機動規(guī)避。本文在聲吶工作原理分析的基礎(chǔ)上，探討了水面艦艇噪聲干擾器對潛艇聲吶干擾效果的分析方法。通過仿真分析，獲得了典型態(tài)勢下的聲吶被干擾扇面、聲吶探測距離縮減率以及干擾效果隨態(tài)勢的變化。本文的研究成果為水面艦艇使用干擾器時的機動規(guī)避方案提供依據(jù)。
潛艇聲吶；噪聲干擾器；干擾扇面；探測距離縮減率；干擾區(qū)域
0 引 言
現(xiàn)代海戰(zhàn)中，潛艇普遍利用被動聲吶對水面艦艇進行跟蹤和運動要素解算，并遙控線導(dǎo)魚雷進行遠距離攻擊，對水面艦艇造成巨大威脅[1]。為對抗?jié)撏晠鹊母櫤投ㄎ?，水面艦艇通常發(fā)射噪聲干擾器，通過寬帶噪聲降低潛艇聲吶的接收信噪比[2]，對潛艇形成一定的干擾區(qū)域，水面艦艇趁機在該區(qū)域內(nèi)進行機動規(guī)避，從而擺脫潛艇跟蹤[3-4]。
由于噪聲干擾器對潛艇聲吶的干擾區(qū)域受敵我裝備性能、海洋環(huán)境和戰(zhàn)場態(tài)勢等因素影響[5]，僅根據(jù)干擾器的頻帶范圍和噪聲譜級，指揮員很難估算干擾區(qū)域，因而難以制定科學的機動方案。
本文采用干擾扇面和探測距離縮減率評價干擾器對潛艇聲吶的干擾效果[6-7]。分別表示潛艇聲吶被干擾后，無法探測到水面艦艇的角度范圍，以及探測距離的縮減值與未被干擾時探測距離的比值。在潛艇聲吶對水面艦艇探測原理分析的基礎(chǔ)上，探討了噪聲干擾器對潛艇聲吶干擾效果的分析方法，仿真典型態(tài)勢下噪聲干擾器對潛艇聲吶的干擾區(qū)域，并分析了對聲吶干擾扇面和探測距離縮減率隨態(tài)勢的變化。
1 聲吶探測原理
潛艇聲吶主要通過被動接收水面艦艇的輻射噪聲實現(xiàn)目標的探測、識別及跟蹤，此時聲吶的背景噪聲主要為自噪聲，對應(yīng)被動聲吶方程為：
其中：SLd為水面艦艇輻射噪聲；TL（r）為傳播損失；r為潛艇與水面艦艇的距離；NLs，DI和DT分別為潛艇聲吶自噪聲、指向性指數(shù)和檢測閾。
良好水文條件下，傳播損失一般按照球面擴展加吸收損失估算[8]：其中：f為工作頻率，kHz；α為海水吸收系數(shù)，dB/km；r為傳播距離，km。
2 對聲吶干擾原理
一般情況下，水面艦艇發(fā)射噪聲干擾器對抗?jié)撏晠葧r，干擾器處于潛艇聲吶探測水面艦艇的波束主瓣內(nèi)，態(tài)勢如圖1所示。
圖 1 聲干擾器干擾潛艇聲納態(tài)勢圖Fig. 1 Situation chart of jammer against submarine sonar
對于潛艇聲吶，干擾器噪聲為各向異性，干擾器對潛艇聲吶形成的背景噪聲為：
其中：SLj為干擾器噪聲級；R2為干擾器與潛艇的距離；TL（R2）為干擾噪聲的傳播損失；b（θ）為歸一化指向性函數(shù)，可得DI+20lgb（θ）為潛艇聲吶不同波束上的指向性增益。
潛艇聲吶自噪聲為NLs，干擾器在潛艇聲吶處形成的噪聲為NLj，潛艇聲吶被干擾時，其背景噪聲為二者能量之和NL，即可得此時潛艇聲吶探測水面艦艇的被動聲吶方程為：
則干擾下潛艇聲吶的探測距離r由下式確定：
干擾下潛艇聲吶探測距離縮減率為：
其中Rsd為潛艇聲吶未被干擾時對水面艦艇的探測距離。
分析可知，干擾扇面和探測距離縮減率受潛艇聲吶的指向性和自噪聲級、干擾噪聲級、水面艦艇輻射噪聲級、干擾器與潛艇的相對位置等參數(shù)影響。
3 仿真結(jié)果分析
假設(shè)干擾器噪聲級超過水面艦艇輻射噪聲6 dB。干擾器入水時，位于潛艇聲吶波束主瓣內(nèi)，潛艇和水面艦艇航速分別為8kn和14kn[9,10]，相對位置如圖1所示。
圖2為潛艇聲吶歸一化波束指向性圖，圖3為干擾器對潛艇聲吶的干擾區(qū)域，其中圓弧AEB為未被干擾時聲吶可探測區(qū)域，虛線處為干擾后潛艇聲吶在各方向上的最大探測距離，虛線至圓弧AEB之間的區(qū)域為聲吶被干擾的區(qū)域，該區(qū)域潛艇無法探測到水面艦艇。由圖可知，水面艦艇距潛艇10 km時，干擾器對潛艇聲吶干擾扇面∠COD為27°，對水面艦艇的掩護弧長為4.7 km。
若干擾器噪聲級比水面艦艇大10 dB時，對潛艇聲吶干擾扇面達60°，對水面艦艇的掩護弧長為10.5 km，如圖3所示。
隨態(tài)勢推移，潛艇與干擾器距離減小，與水面艦艇距離增大，相對位置變化如圖5所示。干擾器噪聲級比水面艦艇大6 dB時，對潛艇的干擾扇面變化如圖6所示，可知水面艦艇與潛艇距離大于10 km時，干擾扇面大于27°，二者距離大于12.5 km時，干擾扇面達到 180°。
隨態(tài)勢推移，干擾器對聲吶探測距離的影響如圖7和圖8所示，若未被干擾，潛艇可全程探測到水面艦艇，被干擾后，潛艇對水面艦艇探測距離小于1.6 km，聲吶探測距離縮減率大于84%。
圖 2 聲吶歸一化指向性波束圖Fig. 2 Normalized beam diagram of sonar
圖 3 干擾器對聲吶的干擾區(qū)域（6 dB）Fig. 3 Jamming area of jammer against sonar (6dB)
圖 4 干擾器對聲吶的干擾區(qū)域（10 dB）Fig. 4 Jamming area of jammer against sonar (10dB)
圖 5 相對位置隨時間的變化Fig. 5 The relative position changes with time
圖 6 干擾扇面隨潛艦距離的變化Fig. 6 Jamming area changes with the distance of submarine and surface ship
圖 7 干擾前后聲吶探測距離對比Fig. 7 Sonar detection range changes before and after jamed
圖 8 聲吶探測距離縮減率隨隨潛艦距離的變化Fig. 8 Detection range reduction ratio changes with the distance of submarine and surface ship
仿真結(jié)果表明，使用噪聲干擾器可大幅降低潛艇聲吶對水面艦艇的探測距離，并對潛艇聲吶產(chǎn)生較大的干擾扇面，為水面艦艇機動規(guī)避擺脫潛艇跟蹤提供了較好條件。
4 結(jié) 語
本文分析了潛艇聲吶對水面艦艇探測原理，探討了噪聲干擾器干擾潛艇聲吶的效果分析方法。仿真了典型態(tài)勢下的干擾區(qū)域，計算了干擾扇面和探測距離縮減率，并分析了干擾扇面和探測距離縮減率隨態(tài)勢的變化，仿真結(jié)果表明噪聲干擾器可大幅降低潛艇聲吶對水面艦艇的探測能力，為水面艦艇規(guī)避潛艇聲吶探測的機動決策提供了有力支持。
[1]陳春玉. 反魚雷技術(shù)[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2006.
[2]唐建生, 皇甫立. 噪聲干擾對被動聲吶系統(tǒng)的影響及仿真分析[J]. 聲學技術(shù), 2015, 34(5): 395-398.TANG Jian-sheng, HUANG Fu-li. Effect of noise interference on passive sonar system and simulation analysis [J]. Technical Acoustics, 2015, 34(5): 395-398.
[3]夏志軍, 章新華, 林洪文. 低頻噪聲干擾器對抗線導(dǎo)魚雷攻擊的有關(guān)問題探討[J]. 哈爾濱工程大學學報, 2004, 25(1):46-49.XIA Zhi-jun, ZHANG Xin-hua, LIN Hong-wen. Discussion about the use of a low frequency noise jammer against a lineguided torpedo[J]. Journal of Harbin Engineering University,2004, 25(1): 46-49.
[4]鄭衛(wèi)東, 李永春, 趙國安. 噪聲干擾器對抗聲納使用效果分析與使用方法探討[J]. 聲學技術(shù), 2002, 21(3): 105-108.ZHENG Wei-dong, LI Yong-chun, ZHAO Guo-an. The discussion about the using of noise-jammer in anti-sonar [J].Technical Acoustics, 2002, 21(3): 105-108.
[5]夏志軍, 康春玉, 朱凌靜. 水下爆炸聲源對抗低頻聲納干擾效果研究[J]. 艦船科學技術(shù). 2016, 38(3): 92-95.XIA Zhi-jun, KANG Chun-yu, ZHU Ling-jing. Research on interference effectiveness of underwater explosive acoustic source against low-frequency sonar[J]. Ship Science and Tchnology, 2016, 38(3): 92-95.
[6]程一超, 蔡志明, 王平波. 噪聲干擾器壓制聲納效果分析[J].聲學技術(shù), 2011, 30(1): 74-77.CHENG Yi-chao, CAI Zhi-ming, WANG Ping-bo. Effect of noise-jammer on suppressing sonar detection [J]. Technical Acoustics, 2011, 30(1): 74-77.
[7]周剛, 陳奇. 水聲干擾設(shè)備作戰(zhàn)使用效能評估[J]. 船舶科學技術(shù), 2008, 30(1): 106-109.ZHOU Gang, CHEN Qi. Warfare using efficiency evaluation of acoutic jamming equipment [J]. Ship Science and Tchnology, 2008, 30(1): 106-109.
[8]WAITE A D. 實用聲納工程[M]. 王德石譯. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2004.
[9]胡言峰, 鄭援, 單廣超. 潛艇噪聲干擾器對抗主動聲自導(dǎo)魚雷效能仿真分析[J]. 魚雷技術(shù), 2007, 15(5): 55-57.
[10]單廣超, 鄭援, 胡言峰. 潛用噪聲干擾器對抗艦艇主動聲納的仿真分析[J]. 艦船電子對抗, 2008, 31(4): 58-60.
Effect of ship-based noise jammer against submarine sonar
YUAN Yan-yi, XU Hai-zhu, YU Yun
(Naval Academy of Armament, Beijing 100161, China)
Surface ship use maneuver to shake off submarine sonar’s tracking, and success rate will be increased under cover of noise jammer. For the above reason, sonar working principle are introduced, and effect analytical method of shipbased noise jammer against submarine sonar are analyzed. Typical situation simulation are givenr which show jamming sector on sonar, percentage reduction of sonar detection range,and jamming effect grow with situation. It’s can provide information for plan design of surface ship maneuver and noise jammer deploy.
submarine sonar；noise jammer；jamming sector；detection range reduction ratio；interference area
U674.7
A
1672-7649(2017)11-0175-03
10.3404/j.issn.1672-7649.2017.11.033
2017-07-07
國家自然科學基金資助項目(11404406)
袁延藝(1971-)，男，高級工程師，研究方向為水聲信號處理。
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水面艦艇噪聲干擾器對抗?jié)撏晠刃Ч治?/p>
袁延藝，徐海珠，余 赟
(海軍裝備研究院，北京 100161)
為擺脫潛艇聲吶的跟蹤，水面艦艇一般在噪聲干擾器的掩護下機動規(guī)避。本文在聲吶工作原理分析的基礎(chǔ)上，探討了水面艦艇噪聲干擾器對潛艇聲吶干擾效果的分析方法。通過仿真分析，獲得了典型態(tài)勢下的聲吶被干擾扇面、聲吶探測距離縮減率以及干擾效果隨態(tài)勢的變化。本文的研究成果為水面艦艇使用干擾器時的機動規(guī)避方案提供依據(jù)。
潛艇聲吶；噪聲干擾器；干擾扇面；探測距離縮減率；干擾區(qū)域
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由于噪聲干擾器對潛艇聲吶的干擾區(qū)域受敵我裝備性能、海洋環(huán)境和戰(zhàn)場態(tài)勢等因素影響[5]，僅根據(jù)干擾器的頻帶范圍和噪聲譜級，指揮員很難估算干擾區(qū)域，因而難以制定科學的機動方案。
本文采用干擾扇面和探測距離縮減率評價干擾器對潛艇聲吶的干擾效果[6-7]。分別表示潛艇聲吶被干擾后，無法探測到水面艦艇的角度范圍，以及探測距離的縮減值與未被干擾時探測距離的比值。在潛艇聲吶對水面艦艇探測原理分析的基礎(chǔ)上，探討了噪聲干擾器對潛艇聲吶干擾效果的分析方法，仿真典型態(tài)勢下噪聲干擾器對潛艇聲吶的干擾區(qū)域，并分析了對聲吶干擾扇面和探測距離縮減率隨態(tài)勢的變化。
1 聲吶探測原理
潛艇聲吶主要通過被動接收水面艦艇的輻射噪聲實現(xiàn)目標的探測、識別及跟蹤，此時聲吶的背景噪聲主要為自噪聲，對應(yīng)被動聲吶方程為：
其中：SLd為水面艦艇輻射噪聲；TL（r）為傳播損失；r為潛艇與水面艦艇的距離；NLs，DI和DT分別為潛艇聲吶自噪聲、指向性指數(shù)和檢測閾。
良好水文條件下，傳播損失一般按照球面擴展加吸收損失估算[8]：其中：f為工作頻率，kHz；α為海水吸收系數(shù)，dB/km；r為傳播距離，km。
2 對聲吶干擾原理
一般情況下，水面艦艇發(fā)射噪聲干擾器對抗?jié)撏晠葧r，干擾器處于潛艇聲吶探測水面艦艇的波束主瓣內(nèi)，態(tài)勢如圖1所示。
圖 1 聲干擾器干擾潛艇聲納態(tài)勢圖Fig. 1 Situation chart of jammer against submarine sonar
對于潛艇聲吶，干擾器噪聲為各向異性，干擾器對潛艇聲吶形成的背景噪聲為：
其中：SLj為干擾器噪聲級；R2為干擾器與潛艇的距離；TL（R2）為干擾噪聲的傳播損失；b（θ）為歸一化指向性函數(shù)，可得DI+20lgb（θ）為潛艇聲吶不同波束上的指向性增益。
潛艇聲吶自噪聲為NLs，干擾器在潛艇聲吶處形成的噪聲為NLj，潛艇聲吶被干擾時，其背景噪聲為二者能量之和NL，即可得此時潛艇聲吶探測水面艦艇的被動聲吶方程為：
則干擾下潛艇聲吶的探測距離r由下式確定：
干擾下潛艇聲吶探測距離縮減率為：
其中Rsd為潛艇聲吶未被干擾時對水面艦艇的探測距離。
分析可知，干擾扇面和探測距離縮減率受潛艇聲吶的指向性和自噪聲級、干擾噪聲級、水面艦艇輻射噪聲級、干擾器與潛艇的相對位置等參數(shù)影響。
3 仿真結(jié)果分析
假設(shè)干擾器噪聲級超過水面艦艇輻射噪聲6 dB。干擾器入水時，位于潛艇聲吶波束主瓣內(nèi)，潛艇和水面艦艇航速分別為8kn和14kn[9,10]，相對位置如圖1所示。
圖2為潛艇聲吶歸一化波束指向性圖，圖3為干擾器對潛艇聲吶的干擾區(qū)域，其中圓弧AEB為未被干擾時聲吶可探測區(qū)域，虛線處為干擾后潛艇聲吶在各方向上的最大探測距離，虛線至圓弧AEB之間的區(qū)域為聲吶被干擾的區(qū)域，該區(qū)域潛艇無法探測到水面艦艇。由圖可知，水面艦艇距潛艇10 km時，干擾器對潛艇聲吶干擾扇面∠COD為27°，對水面艦艇的掩護弧長為4.7 km。
若干擾器噪聲級比水面艦艇大10 dB時，對潛艇聲吶干擾扇面達60°，對水面艦艇的掩護弧長為10.5 km，如圖3所示。
隨態(tài)勢推移，潛艇與干擾器距離減小，與水面艦艇距離增大，相對位置變化如圖5所示。干擾器噪聲級比水面艦艇大6 dB時，對潛艇的干擾扇面變化如圖6所示，可知水面艦艇與潛艇距離大于10 km時，干擾扇面大于27°，二者距離大于12.5 km時，干擾扇面達到 180°。
隨態(tài)勢推移，干擾器對聲吶探測距離的影響如圖7和圖8所示，若未被干擾，潛艇可全程探測到水面艦艇，被干擾后，潛艇對水面艦艇探測距離小于1.6 km，聲吶探測距離縮減率大于84%。
圖 2 聲吶歸一化指向性波束圖Fig. 2 Normalized beam diagram of sonar
圖 3 干擾器對聲吶的干擾區(qū)域（6 dB）Fig. 3 Jamming area of jammer against sonar (6dB)
圖 4 干擾器對聲吶的干擾區(qū)域（10 dB）Fig. 4 Jamming area of jammer against sonar (10dB)
圖 5 相對位置隨時間的變化Fig. 5 The relative position changes with time
圖 6 干擾扇面隨潛艦距離的變化Fig. 6 Jamming area changes with the distance of submarine and surface ship
圖 7 干擾前后聲吶探測距離對比Fig. 7 Sonar detection range changes before and after jamed
圖 8 聲吶探測距離縮減率隨隨潛艦距離的變化Fig. 8 Detection range reduction ratio changes with the distance of submarine and surface ship
仿真結(jié)果表明，使用噪聲干擾器可大幅降低潛艇聲吶對水面艦艇的探測距離，并對潛艇聲吶產(chǎn)生較大的干擾扇面，為水面艦艇機動規(guī)避擺脫潛艇跟蹤提供了較好條件。
4 結(jié) 語
本文分析了潛艇聲吶對水面艦艇探測原理，探討了噪聲干擾器干擾潛艇聲吶的效果分析方法。仿真了典型態(tài)勢下的干擾區(qū)域，計算了干擾扇面和探測距離縮減率，并分析了干擾扇面和探測距離縮減率隨態(tài)勢的變化，仿真結(jié)果表明噪聲干擾器可大幅降低潛艇聲吶對水面艦艇的探測能力，為水面艦艇規(guī)避潛艇聲吶探測的機動決策提供了有力支持。
[1]陳春玉. 反魚雷技術(shù)[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2006.
[2]唐建生, 皇甫立. 噪聲干擾對被動聲吶系統(tǒng)的影響及仿真分析[J]. 聲學技術(shù), 2015, 34(5): 395-398.TANG Jian-sheng, HUANG Fu-li. Effect of noise interference on passive sonar system and simulation analysis [J]. Technical Acoustics, 2015, 34(5): 395-398.
[3]夏志軍, 章新華, 林洪文. 低頻噪聲干擾器對抗線導(dǎo)魚雷攻擊的有關(guān)問題探討[J]. 哈爾濱工程大學學報, 2004, 25(1):46-49.XIA Zhi-jun, ZHANG Xin-hua, LIN Hong-wen. Discussion about the use of a low frequency noise jammer against a lineguided torpedo[J]. Journal of Harbin Engineering University,2004, 25(1): 46-49.
[4]鄭衛(wèi)東, 李永春, 趙國安. 噪聲干擾器對抗聲納使用效果分析與使用方法探討[J]. 聲學技術(shù), 2002, 21(3): 105-108.ZHENG Wei-dong, LI Yong-chun, ZHAO Guo-an. The discussion about the using of noise-jammer in anti-sonar [J].Technical Acoustics, 2002, 21(3): 105-108.
[5]夏志軍, 康春玉, 朱凌靜. 水下爆炸聲源對抗低頻聲納干擾效果研究[J]. 艦船科學技術(shù). 2016, 38(3): 92-95.XIA Zhi-jun, KANG Chun-yu, ZHU Ling-jing. Research on interference effectiveness of underwater explosive acoustic source against low-frequency sonar[J]. Ship Science and Tchnology, 2016, 38(3): 92-95.
[6]程一超, 蔡志明, 王平波. 噪聲干擾器壓制聲納效果分析[J].聲學技術(shù), 2011, 30(1): 74-77.CHENG Yi-chao, CAI Zhi-ming, WANG Ping-bo. Effect of noise-jammer on suppressing sonar detection [J]. Technical Acoustics, 2011, 30(1): 74-77.
[7]周剛, 陳奇. 水聲干擾設(shè)備作戰(zhàn)使用效能評估[J]. 船舶科學技術(shù), 2008, 30(1): 106-109.ZHOU Gang, CHEN Qi. Warfare using efficiency evaluation of acoutic jamming equipment [J]. Ship Science and Tchnology, 2008, 30(1): 106-109.
[8]WAITE A D. 實用聲納工程[M]. 王德石譯. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2004.
[9]胡言峰, 鄭援, 單廣超. 潛艇噪聲干擾器對抗主動聲自導(dǎo)魚雷效能仿真分析[J]. 魚雷技術(shù), 2007, 15(5): 55-57.
[10]單廣超, 鄭援, 胡言峰. 潛用噪聲干擾器對抗艦艇主動聲納的仿真分析[J]. 艦船電子對抗, 2008, 31(4): 58-60.
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submarine sonar；noise jammer；jamming sector；detection range reduction ratio；interference area
U674.7
A
1672-7649(2017)11-0175-03
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