潜射鱼雷类型识别证据的作用机理

陈颜辉, 洪 浩



潜射鱼雷类型识别证据的作用机理

陈颜辉1, 2, 洪 浩1

(1. 江苏自动化研究所, 江苏 连云港, 222006; 2. 海军潜艇学院 科研部, 山东 青岛, 266071)

对来袭鱼雷制导类型的识别是水面舰艇实施有针对性鱼雷防御的前提条件, 证据的提取与分析则是构建鱼雷类型识别系统的基本要素。立足于战技特征层信息, 从来袭鱼雷的自身特征着手提炼出4个证据, 从作战海区环境着手提炼出3个证据, 从战场态势信息着手提炼出6个证据, 详细分析了这些证据对潜射鱼雷制导类型识别的影响原理, 并对证据融合方法进行了概述。分析结果能够为客观描述证据的基本概率赋值提供重要的理论支撑, 旨在有效推动潜射鱼雷类型识别系统的实用化进程。

鱼雷; 潜艇; 水面舰艇防御; 目标识别; 证据

0 引言

潜射鱼雷按制导类型一般可分为直航、声自导、尾流自导和线导鱼雷4种, 为了对抗不同类型来袭鱼雷, 水面舰艇设计有不同的对抗器材和规避策略。但是, 如何才能有效识别来袭鱼雷制导类型并采取有针对性的防御措施, 这是制约水面舰艇防御鱼雷效能提高的重要瓶颈。下面从目标、环境和态势3类战技特征层信息着手, 详细分析不同证据对潜射鱼雷类型识别的影响机理, 从而为客观构造证据的基本概率赋值(或隶属函数)奠定理论基础, 推动潜射鱼雷类型识别系统的实用化进程。

1 目标特征证据

现代水面舰艇主要通过声纳探测方式获取水下目标的特征信息, 从声纳听测和频谱分析中有可能直接读取的信息包括目标螺旋桨的频率、周期、脉宽、转速以及音色、主机类型等6种。以这些信息为基础, 可以进一步提炼出以下4个特征信息用于鱼雷类型识别。

1) 鱼雷质量级别

现代潜射鱼雷可分为重型、中型和轻型3种。传统自导鱼雷或直航鱼雷射程较近, 燃料装量较少、弹体小、质量轻; 线导鱼雷则是在自导鱼雷基础上增加了导线收放装置, 而且由于射程大幅增加, 燃料装量多、动力装置大, 故多为重型鱼雷。尽管通过声纳听测和频谱分析无法准确获取鱼雷精确质量, 但按照大、中、小3个级别进行分类仍具备模糊识别的可能。

不考虑发射艇将线导鱼雷作为自导鱼雷或直航鱼雷使用的情况, 若水面舰艇判断来袭鱼雷为重型鱼雷, 则属于线导鱼雷的可能性大一些; 如判断为中型或轻型鱼雷, 则属于非线导鱼雷的可能性大一些。

2) 航速变化次数

为提高鱼雷与目标的相遇概率, 潜射直航鱼雷发射出管并进入稳定航行状态后, 会始终沿着解算并设定好的航向保持匀速直航, 在命中目标或航程耗尽前, 直航鱼雷航行状态一般不会再发生变化。

潜射声自导鱼雷大多设计为双速制。鱼雷在自导搜索段一般采取低速接敌, 或者先取高速接敌, 抵达预计目标散布区之后再采取低速接敌, 这样可以获得较大的自导探测距离, 在确认自导捕获目标时再转为高速追击。尾流自导鱼雷在自导搜索段一般采取高速接敌, 捕获目标尾流之前航速通常不会发生变化。

线导鱼雷航行状态由发射艇实时控制, 弹道初始段通常保持低速航行, 以避免干扰潜艇声纳对目标的跟踪。进入正常导引状态后, 潜艇会视情调整鱼雷航速, 一些常用的导引方法, 如间断控制雷速导引法, 会在低速和高速之间多次交替[1]。

鱼雷航速变化形成的非连续噪声有可能在噪声频谱上表现出来。水面舰艇可根据累积发生次数判断鱼雷属于不同制导类型的隶属度, 例如探测到一次航速变化的非连续噪声, 则可确定该枚鱼雷不应为直航鱼雷, 如探测到数次航速变化的非连续噪声, 则该枚鱼雷很可能为线导鱼雷。

3) 动力装置类型

电动力鱼雷有利于保持发射艇和鱼雷的隐蔽性, 也有利于鱼雷声自导装置探测目标, 最初多用于声自导鱼雷, 目前一些线导鱼雷也采取电动力。热动力鱼雷分为老式热动力(如蒸汽瓦斯动力)和新型热动力(如奥拓燃料、过氧化氢), 早期直航鱼雷大多采用蒸汽瓦斯动力, 航速快, 但噪声大、航迹明显, 这种鱼雷在1982年英阿马岛战争中还曾使用, 目前在世界上个别国家中可能还有装备[2]。新型热动力鱼雷兼具航速快、噪声小、无航迹的特点, 目前采用新型热动力的鱼雷均为线导鱼雷。鱼雷的动力装置类型可以从目标噪声音色方面判断出来。

不考虑发射艇将线导鱼雷、自导鱼雷用作直航鱼雷使用的情况, 若水面舰艇听测来袭鱼雷采用新型热动力, 则为线导鱼雷的可能性大一些; 如听测来袭鱼雷采用老式热动力, 则为直航鱼雷可能性大一些。

4) 主动探测脉冲

现代具有声自导探测装置的潜射反舰鱼雷多采用主被动联合制导方式攻击目标, 为保持攻击的隐蔽性, 反舰鱼雷通常首先采取被动探测方式攻击目标, 当接近目标散布区域或者被动自导装置发现目标后, 鱼雷再发射主动探测脉冲进一步确认。水面舰艇的鱼雷报警装置探测到来袭鱼雷的主动探测脉冲信号时, 则可判断该鱼雷应为声自导鱼雷或者线导+声自导鱼雷, 而非直航鱼雷或尾流自导鱼雷。

水面舰艇在收集和利用以上4个证据信息时, 往往处于非常紧迫的战场态势, 获取难度较大, 或无法满足某些证据(如航速变化次数)信息积累的时限性要求。但在实际对抗中, 这类信息通过水声探测手段仍具备获取可能性, 在不影响鱼雷防御组织的情况下, 水面舰艇可有意识地加强观察和收集, 并作为鱼雷制导类型识别模型的输入。

2 环境特征证据

海区环境信息对不同类型鱼雷或鱼雷不同制导方式的作战使用也有明显影响, 也可以成为证据的信息来源。综合分析世界上典型潜射反舰鱼雷自导机制、导引方式和战术性能, 从海区战场环境中提炼出可用于判断来袭鱼雷制导类型的证据有以下3个。

1) 水文条件

潜射鱼雷的声自导装置主要是针对目标水声场展开探测的, 作战海域的水文条件会对目标水声场构成较大影响, 进而影响到不同类型鱼雷的作战选择与使用。就声自导鱼雷而言, 其自导装置探测距离在很大程度上取决于作战海区的水文条件, 如果海区负梯度较大, 鱼雷自导装置的作用距离会明显缩短, 夏季严重的负梯度甚至会使声自导鱼雷失去作为自导鱼雷射击的意义[3]。

2) 海况等级

不同类型鱼雷可能适用的海况等级也是不同的。对于声自导鱼雷, 当海况等级较高时, 环境本底噪声会严重遮盖目标噪声, 使得声自导装置作用距离变得很小。对于尾流自导鱼雷, 当风浪较大时, 目标舰船的尾流边界在风浪的搅拌作用下会变得模糊不清, 可供探测的有效尾流长度也会变短, 甚至造成尾流自导装置无法正常工作。在这种恶劣海况下实施鱼雷攻击时, 潜艇或者按照自导作用距离较小的条件设定鱼雷弹道参数, 或者选择直航方式或线导方式实施攻击。

3) 海区深度

若鱼雷出管后仍与潜艇处于同一深度航行, 必会影响潜艇的航行安全, 因此要求鱼雷发射出管后往往都有个下沉寻深过程, 重型鱼雷下沉幅度会大一些。另外, 线导鱼雷发射出管后, 若潜艇采取的是发射管内固定线团放线装置, 则导线的金属护管将随着鱼雷向前航行而被拉伸并自然下垂, 垂幅数十米; 若采取的是发射管外拖曳线团放线装置, 则拖曳式线团的下沉幅度会更大一些[4]。为了防止导线护管或拖曳线团触及海底而导致断线, 要求潜艇实施线导鱼雷攻击时艇体以下有更大的深度余量。若再考虑到不同类型潜艇航行时都有安全深度要求, 则在靠近大陆架的浅海海区, 水面舰艇受到敌潜艇——特别是核潜艇线导鱼雷攻击的可能会小的多。

以上3个证据均属于蕴含了鱼雷制导类型的海区环境信息, 是潜艇在选用不同类型鱼雷攻击时所要考虑的重要因素。这类信息的获取不存在态势紧迫性问题, 而且具有预测功能。但是, 这种取自于环境信息的证据置信度相对较弱, 而且在环境特征不具备时就会失去利用价值, 例如水面舰艇在水文梯度和海况条件良好时的大洋深海航行, 则无法利用这类信息进行判断。

3 态势特征证据

战场态势是潜艇确定鱼雷攻击方式时的重要考虑因素, 有时甚至起决定性作用。通常所说的战场态势涉及内容广泛, 这里主要是指与来袭鱼雷类型有关的平台信息和武器信息。从战场态势信息中提炼出可用于判断来袭鱼雷制导类型的证据有以下6个。

1) 本舰航行速度

有试验表明, 声自导鱼雷航速每增加4 kn, 探测距离就会减少1/2, 因此在自导搜索状态下的航速不会设置过高, 这就使得声自导鱼雷难以在较大舷角攻击高速行驶的水面舰艇。被动声自导鱼雷受背景噪声和检测门限的制约, 难以有效探测锚泊或系泊状态的水面舰艇。水面舰艇采取8 kn以下低速航行时有效尾流较短[2], 不利于潜射尾流自导鱼雷识别和攻击。

潜艇导引线导鱼雷的前提是其探测声纳能够对目标噪声保持连续跟踪, 对低速航行或处于停车状态的水面舰艇, 会因为目标噪声过小或没有噪声而无法通过声纳以线导方式导引鱼雷。

分析可知, 水面舰艇处于不同航行状态时受不同制导鱼雷攻击的可能性也是不同的, 但这种影响效果在实际应用中还应结合舰艇吨位、吃水深度等因素综合判断。

2) 曲折机动频度

潜艇发射自导鱼雷或直航鱼雷攻击水面舰艇时, 需要提前解算出目标的运动要素, 再依据目标运动要素解算并装定鱼雷射击参数。

目标的运动要素可通过潜望镜、主动声纳或主动雷达等探测器材获取, 但这些暴露性探测器材会严重破坏潜艇的隐蔽性。鉴于此, 现代潜艇越来越强调提高隐蔽攻击的能力, 尤其是通过声纳被动探测方式求解目标运动要素能力, 其中纯方位法是最常见的一种被动解算算法, 但是存在收敛时间长、难以适用于机动目标等问题。线导鱼雷则可由发射艇实时控制导引, 具备攻击机动航行目标的能力。

因此, 当水面舰艇在航行过程中频繁采取变速或变向机动时, 受潜射线导鱼雷攻击的可能性会大一些, 受潜射自导鱼雷攻击的可能性会小一些, 受潜射直航鱼雷攻击的可能性会更小。

3) 潜艇攻击征兆

攻击征兆是指水面舰艇收集到来自敌潜艇鱼雷攻击前的主动性和暴露性探测信息, 例如潜艇的主动声纳信息、主动雷达信息以及潜望状态观察时的艇体特征信息等等。

当潜艇发射自导鱼雷或直航鱼雷攻击目标时, 由于采取纯方位法被动解算目标运动要素的收敛时间长、解算误差大, 有时甚至无法满足攻击要求, 为能快速准确地实施鱼雷攻击, 发射艇也可能会采用这些主动性和暴露性的探测手段获取目标运动要素。另外在攻击处于锚泊状态的水面舰艇时, 潜艇也只能通过主动性和暴露性探测手段进行目标定位。

潜射线导鱼雷在估测目标大概距离的基础上, 只需利用目标方位信息就能实施攻击, 无需精确求解目标运动要素, 故潜艇发射线导鱼雷时一般不会再冒险使用主动性和暴露性手段探测目标信息。

可以推知, 若水面舰艇在发现鱼雷报警前, 曾经探测到敌潜艇的主动声纳信息、主动雷达信息或潜望镜信息, 则来袭鱼雷一般应为自导鱼雷或者直航鱼雷, 而非线导鱼雷。

4) 鱼雷射击距离

直航鱼雷命中概率较低, 往往要求潜艇射击时不能距离目标过远。鱼雷出管后有个加速、寻深的非稳定航行段, 这段距离内使用直航鱼雷攻击一般会受到较大限制。

自导鱼雷可覆盖较大范围的目标散布, 且发射艇为了确保隐蔽攻击, 会尽可能选择较远阵位实施射击。声自导鱼雷出管后同样具有一段非稳定航行过程, 为避免鱼雷声自导装置开机后误导向本艇, 鱼雷设定有几百米到近千米的自导管制航程(航行几十秒)。根据攻击目标舷角可以推算鱼雷在自导管制航程内的射击距离, 在小于这一距离范围内, 可以认为潜艇无法使用鱼雷以声自导方式攻击目标。

对于线导鱼雷而言, 只要满足极限射距要求的条件下, 攻击距离取决于发射艇的声纳探测距离, 因此能在更远的距离上实施射击。线导鱼雷也同样存在较大的射距近界, 一般不会攻击近界以内的水面目标, 这不单是为了避免鱼雷误伤本艇, 更由于导引线导鱼雷时发射艇机动受限严重, 战术态势往往不允许潜艇在较近距离实施导引攻击。

根据发射距离的近界或远界差异, 可以描述来袭鱼雷属于不同制导类型的隶属度。但鱼雷初始射距一般很难获取, 这里主要考虑鱼雷报警声纳有时可以探测到潜射鱼雷出管瞬间的非连续噪声信息, 利用这一信息可以大概估测鱼雷发射时的初始距离范围, 故仍将鱼雷射击距离作为判断证据予以保留。

5) 鱼雷齐射数量

从以往战例分析, 潜艇在正常情况下射击直航鱼雷时, 通常会一次扇面齐射3枚以上鱼雷, 即以数量优势弥补直航鱼雷单枚遮拦概率的不足。

自导鱼雷能够覆盖较大的目标位置散布, 潜艇通常会组织单雷射击, 也可能组织2枚鱼雷实施扇面射击或平行航向射击。但从目前国际上主流观点分析, 潜艇对同一目标组织3枚或3枚以上自导鱼雷齐射攻击的可能性很小。

线导鱼雷的命中概率更高, 潜艇一般采取单雷射击为主, 对同一目标实施多枚线导鱼雷齐射攻击的可能性很小, 但不排除潜艇同时导引多枚线导鱼雷攻击多艘舰艇的可能。

因此, 当水面舰艇发现来袭数量为1枚时, 并不能区分是线导鱼雷还是自导鱼雷, 但正常态势下可排除是直航鱼雷的可能。若确认来袭鱼雷数量>2枚时, 则可以排除是线导鱼雷的可能。这一证据也具有累积效应, 最初探测到1枚鱼雷来袭, 随着距离接近可能识别为多枚鱼雷, 则对鱼雷类型识别效果会形成较大甚至颠覆性的影响, 这与信息的积累效应以及专家思维过程是一致的, 并非自相矛盾。

6) 鱼雷攻击舷角

分析以往战例以及潜射鱼雷射击理论, 可以发现不同制导类型鱼雷具有不同的有利攻击舷角范围。直航鱼雷一般选择在50º~120º目标舷角阵位抵近射击, 并尽量避开目标艏艉较大或较小舷角的射击阵位。声自导鱼雷一般采用20º~120º之间目标舷角实施射击。尾流自导鱼雷射击一般要确保鱼雷以30º~150º夹角进入目标尾流。线导鱼雷的命中概率理论上不受目标舷角的约束, 只要满足基本的射击要求即可实施攻击[2]。可见, 对于从不同舷角入射的来袭鱼雷, 属于不同类型鱼雷的隶属度也是有所不同, 特别在艏艉方向入射的鱼雷, 正常情况下为直航鱼雷或尾流自导鱼雷的可能很小。

以上6个证据均属于战场态势信息。潜艇攻击征兆、鱼雷齐射数量等证据的置信度较强, 有时利用某个证据甚至可以唯一确定来袭鱼雷的制导类型。本舰航行速度和机动频度等证据虽然置信度相对较弱, 但有较强的预测性效果。

4 结束语

分析以上13个证据对鱼雷类型识别的作用机理可知, 其中有些证据能够得到确定性结论, 有些得到不确定性结论; 有些证据从肯定角度提供支持, 有些从否定角度提供支持; 每种证据的置信度权重不同, 可获取性难易也各不相同。在实际运用这些证据判断来袭鱼雷制导类型时, 需要首先进行基本概率赋值(或构造隶属函数), 再引入某种融合算法进行证据合成。证据合成过程中需要注意的是: 并非要求以上13个证据全部获取后再进行合成, 而是获取多少就合成多少, 获取不到的证据无需参加合成; 同时还要注意, 证据的累积性可能导致后一时刻的合成结果推翻前一时刻结果, 这并非自相矛盾, 而是与人员思维过程相符的。

文献[5]和文献[6]以Dempster-Shafer证据理论为例探讨了鱼雷类型识别的证据融算法设计和仿真建模, 按照同样推导过程也可以采用灰色系统理论、模糊集理论等其他不确定性方法进行尝试, 篇幅所限, 这里对融合算法不做详细探讨。事实上, 无论采取哪种融合算法进行合成, 根据证据作用机理进行基本概率赋值(或构造隶属函数)都是一项核心工作, 需要结合专家经验和仿真反馈不断加以修正, 而随着鱼雷性能的日益改进以及新概念鱼雷的不断问世, 证据的作用机理本身也需要不断地更新和维护, 这样才能使鱼雷类型识别系统的输出结果保持较高的可信度。

[1] 张宇文. 鱼雷弹道与弹道设计[M]. 西安: 西北工业大学出版社, 1999.

[2] 傅英, 王建平, 李凡. 国外海军鱼雷装备[M]. 北京: 海潮出版社, 2007.

[3] 赵正业. 潜艇火控原理[M]. 北京: 国防工业出版社, 2003.

[4] 李建辰, 王立文, 高卓, 等. 鱼雷定位技术[M]. 北京: 国防工业出版社, 2009.

[5] 陈颜辉, 赵晓哲, 黄文斌. 潜射鱼雷类型识别系统建模与数值仿真[J]. 弹道学报, 2007, 19(4): 82-85.

Chen Yan-hui, Zhao Xiao-zhe, Huang Wen-bin. Model and Simulation of Coming Torpedo Recognition System[J]. Journal of Ballistics, 2007, 19(4): 82-85.

[6] 黄文斌, 陈颜辉, 薛昌友. 来袭鱼雷类型识别指标提取与算法设计. 南京理工大学学报, 2011, 35(2): 199-203.

Huang Wen-bin, Chen Yan-hui, Xue Chang-you. Indices Extraction and Algorithm Design for Recognizing Type of Incoming Torpedo[J]. Journal of Nanjing University of Science and Technology, 2011, 35(2): 199-203.

Effects of Evidences on Type Identification of Sub-launched Torpedo

CHEN Yan-hui1, 2, HONG Hao1

(1.Jiangsu Automation Research Institute, Lianyungang 222006, China; 2. Office of Research and Development, Navy Submarine Academy, Qingdao 266071, China)

Guidance type identification of an incoming torpedo is a premise of defending surface ship against torpedo exactly. Extracting and analyzing evidences are essential for establishing the identification system of torpedo types. In this study, four evidences are extracted from incoming torpedo information on the basis of tactical and technological characteristic information; three evidences are extracted from battlefield surrounding, and six evidences are extracted from naval battle state. The affecting mechanism of these evidences on type identification of torpedo guidance is analyzed in detail, and a method of evidences fusion is discussed. This study may provide a theoretical support for objectively describing the basic probability assignment of evidences, and facilitate practical application of the type identification system of sub-launched torpedo.

torpedo; submarine; surface ship defense; target identification; evidence

TJ630

A

1673-1948(2013)01-0071-05

2012-03-12;

2012-06-25.

陈颜辉(1975-), 男, 博士, 高工, 研究方向为水面舰艇反潜和鱼雷防御.

(责任编辑: 许 妍)