水下爆炸对被动声自导鱼雷的干扰机理及仿真

曾星星, 顾晓辉, 成凤生, 年 岗



水下爆炸对被动声自导鱼雷的干扰机理及仿真

曾星星, 顾晓辉, 成凤生, 年 岗

(南京理工大学 机械工程学院, 江苏 南京, 210094)

为了验证水声干扰子弹水下爆炸声信号对抗声自导鱼雷的效果, 基于水下爆炸的声信号具有声源级高、覆盖频率宽的特点, 建立了水声对抗数学模型, 并应用数学优化方法, 将对抗问题转化为非线性有约束的目标优化函数, 得到了舰艇最佳规避角和干扰弹最佳落点位置, 且发现最佳发射角度变化较小。仿真结果表明, 水声干扰子弹在最佳发射条件下, 能有效干扰声自导鱼雷。

声自导鱼雷; 水声干扰子弹; 水下爆炸; 目标优化

0 引言

鱼雷自问世以来, 在历次海战中立下赫赫战功, 并逐步发展成为现代海军的主战武器。二战后, 舰船防御鱼雷的重要性越来越被各国所重视。随之, 水声对抗器材不断发展起来。

针对目前大部分鱼雷自导方式为声自导, 软杀伤水声对抗器材成为首选, 如噪声干扰器。噪声干扰器主要通过电-声转换装置发出强烈的噪音来掩盖舰船真实信号, 以降低鱼雷声纳系统对真实信号的识别能力, 为舰船规避争取时机。不过, 噪声干扰器最显著的缺陷是电声转化效率低和“空化现象”[1]。鉴于此, 国内外开展了连续爆炸式水声干扰子弹的研究[2]。研究表明, 弹药水下爆炸具有很强的声压级, 且电-声转化效率很高。

目前, 针对噪声干扰器和声诱饵对鱼雷干扰效果的研究成果较多[3-4], 而针对水声干扰子弹干扰效果的探讨在国内几乎是空白。本文在子弹水下爆炸干扰机理的基础上建立仿真模型, 并结合优化原理来研究水声干扰子弹对鱼雷的干扰效果。

1 水声干扰子弹水下爆炸干扰原理

炸药在无限水域中爆炸时, 会产生很强的冲击波。与炸药空中爆炸相比, 水中爆炸冲击波初始压力要大得多, 高达15 GPa[5], 且冲击波压力衰减要比空气中爆炸迅速的多。弹药水下爆炸时, 产生的水中强冲击波在水中迅速衰减成强声波, 形成很强的背景噪音, 该强噪音能掩盖舰船的真实噪声信号, 甚至能造成鱼雷声纳系统饱和, 从而达到干扰鱼雷的效果。这就是水声干扰子弹干扰声自导鱼雷的基本原理。

1.1 炸药水下爆炸冲击波

水中冲击波在其传播过程中, 冲击波压力按指数衰减形式衰减, 其表达式为

式中:p为压力峰值;为衰减系数。

水下爆炸符合爆炸相似率, 主要与爆炸药量和距离有关。Cole[6]在做了大量TNT水下爆炸试验后, 得出压力峰值p和衰减系数的经验公式

式中:0为球形装药的装药半径。

水声干扰子弹试验装药为TNT炸药, 药量18.5 g。某次湖中水下爆炸试验中, 单发子弹在水下40 m深度爆炸, 距爆心1 m处所采集的压力信号如图1所示。

图1 装药量为18.5 g TNT水下爆炸距爆心1 m处冲击波压力时程

从图1看出, 水声干扰子弹水下爆炸时冲击波持续时间很短, 大约只有0.1 ms左右。这个时间作为干扰声源的持续时间是不够长的。但是在海水中, 由于海水的不均匀性(且不均匀介质大量存在), 会产生各种混响。部分爆炸声信号在水中遇到这些不均匀介质时会被散射, 形成散射声场, 使得爆炸干扰声在水中的持续时间大大增长, 远大于冲击波的持续时间。

混响强度与信号本身的特性有关, 其强度随信号的功率增大、带宽的增加而增大, 爆炸声作为一种高功率、宽频带的声源, 混响的存在对于爆炸声干扰鱼雷来说是有利的。

1.2 子弹爆炸水下声能谱

由于水下爆炸声信号在远距离传播时存在多途径传播, 会存在引起信号波形的变形。为了避免由此引起的困难, 有必要研究爆炸声源的能流密度和功率谱。

对于无限大的海面来讲, 爆炸点可看成一个质点, 这里把爆炸声波简化成平面波来研究。对于平面声波而言, 其能流密度计算式如下

式中:为水下爆炸冲击波时域信号;为海水密度(1 000 kg/m3);为海水声速, 取为1 500 m/s。将式(1)中压力代入上式中, 积分得

水下声波传播与声信号本身特性有关系, 吸收衰减和混响都与声波频率关系密切, 而且对于鱼雷而言, 只有在特定频段的噪声才能对其产生干扰效果。

由于爆炸声是一个覆盖频率很广的声源, 因此研究爆炸声的功率谱非常必要。对于峰值压力和衰减系数都已知的指数脉冲来说, 其能流谱密度可由傅里叶变换如下

式中: pm, θ分别由式(2)和式(3)得出。装药18.5 gTNT的子弹水下爆炸, 距爆炸点1 m处冲击波能流密度谱如图2所示。

从图2看出, 子弹在水下爆炸具有很高的声功率, 而且在各个频段都有很强的声功率。从图中可知, 水下爆炸在低频段的声功率明显高于高频段, 在165 dB以上, 高频段的声功率也比较高, 因此在150 dB水下爆炸声信号足以干扰工作在从高频到低频各个频段的鱼雷声纳系统。

连续爆炸式声干扰弹母弹中携带480枚子弹, 只要控制好子弹爆炸时序, 设定好合理的时间间隔, 就能在比较长的时间里持续干扰鱼雷声纳系统, 为舰艇规避争取时间。

2 鱼雷对抗仿真

2.1 问题描述

在建立模型之前, 先作2个假定:

1) 假定舰艇在未发现鱼雷之前, 以较低的速度保持匀速直航, 在发现鱼雷之后, 以最大航速0转向规避。

2) 假定鱼雷在搜索范围内, 经声纳系统探测到一个目标时, 则鱼雷跟踪该目标; 如果在该搜索范围内搜索出2个或多个目标时, 则鱼雷跟踪捕捉噪声最大的目标并进行跟踪。

建立以点为原点的直角坐标系,轴正方向为真北方向, 如图3所示。为发现来袭鱼雷时舰艇所在位置,为舰艇初始航向,为舰艇初始航向角。舰艇在点探测到鱼雷之后, 掌握了鱼雷的一些航行参数: 鱼雷所在位置为, 且与舰艇相距0, 以匀速T航行, 鱼雷位于舰艇的舷角为, 其航向为, 航向角为, 提前角。航向角和都是以轴正向为参考方向, 顺时针与航向线之间的夹角为正, 反之为负。

图3 舰艇和鱼雷初始位置示意图

由图3可得鱼雷所在位置的坐标为

随之, 要建立模型以研究舰艇在发现目标之后应该往什么方向规避以及往何处发射连续爆炸式干扰弹, 使得舰艇获得最大的生存概率。

2.2 数学模型的建立

舰艇在点发现来袭鱼雷之后, 势必要对鱼雷进行规避。忽略舰艇发现鱼雷到做出决策这段时间, 即舰艇在点探测到鱼雷之后立刻规避, 并在规避一段时间后投放连续爆炸式水声干扰弹进行干扰。舰艇根据已经掌握的鱼雷参数, 确定鱼雷将在处历经时间到达0处, 并在0点开启声自导装置进行目标搜索。舰艇要达到最佳的规避效果, 则应当鱼雷自导系统开启时, 鱼雷与舰艇距离最远[7]。

显然, 最佳规避航向应为0的连线并且远离鱼雷的方向, 即1方向, 其航向角为, 如图4所示。

图4 舰艇与鱼雷对抗态势图

由图4可得到鱼雷在时间内的航程

则鱼雷所在位置0的坐标

在点处, 舰艇根据掌握的鱼雷参数, 立即转向规避, 回转角度为, 由最佳规避距离最远的原则可知T，，1这3点在同一直线上, 则回转角度取值如下

式中,值为“+”代表顺时针转, 反之逆时针转。

历经时刻后鱼雷达到0点, 舰艇经过转向规避后以最大速度max航行, 在经过时间后达到1点,1点坐标为

鱼雷在探测到干扰弹爆炸信号之后, 将追踪干扰弹, 历经1时刻后鱼雷到达点时, 舰艇此时从1运动到2点。则

由此可计算出2点的坐标

鱼雷在到达干扰弹所在位置之后, 会发现自己跟踪了一个假目标, 随后进行重新搜索、跟踪目标, 因此, 要使鱼雷到达干扰弹时, 舰艇与鱼雷的距离最远, 即

式(15)即是要优化的目标函数。同时, 干扰子弹欲起到干扰效果, 其落点必须位于半径为R和0两圆的公共区域内, 即应该满足2个约束方程

2.3 参数的确定及仿真

由前面的分析所知, 干扰弹须落在以0为圆心0为半径的圆域内, 而0的大小必须满足声纳方程。从声纳方程可知, 干扰弹欲对鱼雷进行有效干扰, 必须满足的条件如下

式中:弹为干扰弹水下爆炸产生的声压级;鱼雷为鱼雷航行自噪声;目为舰艇辐射噪声或反射目标强度;为海水介质吸收系数, 根据鱼雷工作频率取为6 dB/km;0为扫描损耗, 一般为3~5 dB, 这里取为4 dB;为加权系数, 取值范围为0~1。为鱼雷与干扰弹之间的距离, 即

为鱼雷与舰艇之间的距离, 且

由上述公式, 选取合适的参数, 就可得到的最大取值0。

在对所建模型进行仿真之前, 必须取得鱼雷、目标舰船和干扰弹的一些参数, 参数选取如下。

1) 鱼雷参数: 航速V=60 kn, 自噪声级鱼雷= 65 dB, 指向性系数=20 dB, 检测阀=0 dB。

2) 干扰弹参数: 最大发射距离R=4 000 m, 干扰噪声级根据1.2 kn, 可取为弹=165 dB。

3) 舰艇参数: 初始航向角=0°, 最大航速max=40 kn, 舰艇辐射噪声级目=130 dB。

4) 其他参数: 舰船对来袭鱼雷报警距离0= 4 000 m, 鱼雷开启自导时鱼雷与目标的预定距离1=3 000 m。

根据所建模型, 取舷角分别为120°, 90°, 75°, 60°, 45°和30°, 鱼雷提前角分别为10°, 15°, 20°, 25°, 30°和35°, 利用MATLAB优化工具箱[8]进行仿真计算, 仿真结果见表1。

表1 模型仿真结果

3 结论

由以上分析, 可得如下结论: 1) 水声干扰子弹水下爆炸有很强的声源级, 基本在200 dB以上, 且覆盖的频段很宽, 从几十Hz到几十kHz都有很高的声功率级, 在150 dB以上, 能够很好地干扰工作在各个频段的鱼雷。2) 从仿真结果看出, 干扰弹的最佳发射位置一般存在2个, 这在实际操作中非常有实用价值, 具体的最佳发射点应根据其他条件确定。3) 从发射舷角可看出, 最优发射舷角随鱼雷的报警舷角和提前角的改变变化不大, 集中在±118°左右, 在实战中完全可以按固定角±118°紧急发射, 也能达到近乎最优的干扰效果。

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[8] 王正林, 龚纯, 何倩. 精通MATLAB科学计算[M]. 北京:电子工业出版社, 2009.

Interference Mechanism and Simulation on Underwater Explosion Against Passive Acoustic Homing Torpedo

ZENG Xing-xing, GU Xiao-hui, CHENG Feng-sheng, NIAN Gang

(School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

Acoustic interference ammunition is a kind of new concept munitions. To verify its effect of underwater explosion signal on acoustic homing torpedo, we establish an acoustic countermeasure model by making use of the features of high source-level and wide bandwidth of the signal for a ship to evade acoustic homing torpedo, and translate countermeasure problem into a nonlinear and constrained target optimization function by mathematical optimization methods. As a result, the optimal evasion angle and the perfect location of acoustic interference ammunition are obtained, and smaller variation of optimal launch angle is achieved. Simulation results show that acoustic interference ammunition can interfere acoustic homing torpedo effectively under optimal launching condition.

acoustic homing torpedo; acoustic interference ammunition; underwater explosion; target optimization

TJ630.34；TB561；O382.1

A

1673-1948(2012)02-0090-05

2011-06-04;

2011-06-26.

曾星星(1987-), 男, 在读硕士, 研究方向为火炮、自动武器与弹药工程.

(责任编辑: 杨力军)