声自导鱼雷双雷齐射有关技术与战术问题分析

张静远, 王 鹏



声自导鱼雷双雷齐射有关技术与战术问题分析

张静远, 王 鹏

(海军工程大学 兵器工程系, 湖北, 武汉, 430033)

针对当前声自导鱼雷双雷齐射有关问题理解上存在的分歧, 从齐射涉及的战术与技术问题分析入手, 界定了齐射互导与相互干扰的内涵及属性; 从装备研制角度分析了齐射防护措施及其在抗齐射相互干扰和防互导方面的适用性; 从作战使用角度分析了声自导鱼雷双雷齐射所能采取的战术措施及其作用, 从而明确了从技术和战术不同角度解决声自导鱼雷齐射问题的思路和能力范围, 对齐射能力的检验内容和方法提出建议。

声自导鱼雷; 齐射防护; 作战使用

0 引言

齐射作为提高声自导鱼雷作战使用效果的重要手段之一, 是我海军鱼雷装备研制、试验和使用领域研究的重要问题。国内从战术层面研究鱼雷齐射使用方法的文献较多[1-10], 研究鱼雷齐射互导及其防护问题的文献则较少[11-12], 关于鱼雷齐射功能的考核方法也有一定的研究成果[13]。从这些文献中不难发现, 由于国内对声自导鱼雷齐射问题研究起步较晚, 对于声自导鱼雷齐射过程中可能产生的互导、相互干扰等问题, 业内缺乏一致的认知, 特别是哪些问题应该从技术上解决, 哪些问题应该从战术使用层面加以注意, 对于此类问题的理解还存在不同程度的异议, 这导致了在装备研制、试验考核乃至作战使用方面对于齐射及其防护问题还存在不同的理解和分歧。

本文站在技术和战术相结合的角度, 从齐射涉及的战术与技术问题分析入手, 对齐射互导与相互干扰的内涵及属性进行分析界定; 明确齐射防护的概念, 并从装备研制角度分析齐射防护措施及其在抗齐射相互干扰和防互导方面的适用性; 从作战使用角度分析声自导鱼雷双雷齐射所能采取的战术措施及其作用, 明确了从技术上和战术使用上解决声自导鱼雷齐射问题的思路和能力范围; 针对可能采取的战术和技术措施, 对齐射能力的检验内容和方法提出建议, 旨在为鱼雷及武器系统研制和部队作战使用提供参考。

1 声自导鱼雷双雷齐射需要考虑的技术与战术问题

齐射是使用2枚或2枚以上鱼雷同时对同一目标进行射击[13]。齐射通常是对水面舰艇或者潜艇管装发射而言, 也适用于直升机HATS发射。

声自导鱼雷齐射涉及到两雷之间的互导和相互干扰等战术和技术问题。“互导”最早由被动声自导鱼雷齐射引发, 随着主动声自导鱼雷的出现, 还引申出了主动互导和互为目标等概念, 下面对互导和相互干扰等概念进行说明, 对他们的战术与技术属性进行界定。为表述方便, 后续分析及示意图中将齐射的2条鱼雷分别称为雷和雷, 该称谓仅为区分2雷, 不特指齐射中的某条鱼雷。

1.1 互导

齐射要考虑的首要问题是如何避免互导。互导分为被动互导和主动互导。

1) 被动互导

“被动互导”是指声自导鱼雷齐射时, 两雷声自导装置开启并以被动方式工作后,雷航行噪声被雷自导装置接收, 导致雷对雷的追踪, 从而改变了雷的预定搜索航向, 失去了双雷齐射的意义。由于齐射时, 两雷通常是沿由单雷射击的有利提前角所决定的主航向(也称中线)两侧向前搜索, 一旦发生被动互导, 实质上变成了1条雷搜索目标, 其实际搜索效果比单雷射击时按主航向搜索要差, 即产生互导后的两雷齐射效果要远低于单雷射击的效果。

发生被动互导的条件是经过一段时间航行后,雷逐渐超前雷, 并进入到雷的自导搜索扇面之中, 同时两雷的距离小于雷的被动自导作用距离(反之亦然, 下同)。此时的阵位条件称为满足被动互导的阵位条件, 见图1。

2) 主动互导

“主动互导”是指声自导鱼雷齐射时, 相邻两雷自导装置开启并以主动方式工作后,雷的主动探测信号捕获到雷, 并判为目标, 导致雷对雷的追踪, 从而改变了雷的预定搜索航向, 失去了双雷齐射的意义。

发生这种主动互导的条件是经过一段时间航行后,雷逐渐超前雷, 并进入到雷的自导搜索扇面之中(同时两雷的距离小于雷对雷的主动自导作用距离)。此时的阵位条件称为满足主动互导的阵位条件, 参见图1。

图1 互导阵位态势

3)互为目标

极端情况下, 当两雷呈相向运动状态时, 1枚鱼雷的辐射噪声被相向运动的另一枚鱼雷接收, 并判为被动目标, 形成单向被动跟踪, 或者互为目标状态而形成双雷被动双互导跟踪。1枚鱼雷发射的自导探测信号被相向运动的另一枚鱼雷接收, 并判为目标信号, 形成单向跟踪, 或者互为目标而形成双雷主动双互导跟踪, 见图2。

图2 互导与互为目标阵位态势

1.2 相互干扰

除了上面的互导之外, 在声自导鱼雷双雷齐射时, 还存在齐射两雷相互干扰问题, 主要包括如下4个方面。

1)邻雷航行噪声的相互干扰

由于雷航行噪声的存在, 通过水声环境的传播和各种反射、散射, 传递到雷的自导声基阵, 导致自导系统的干扰噪声增强, 影响主动或被动自导对目标的检测。

2)邻雷探测目标回波的干扰

对于主动声自导鱼雷来说, 除了邻雷的航行噪声影响外, 任意1枚鱼雷所发射探测脉冲经目标反射所产生的回波会对另一枚鱼雷产生干扰, 即雷的探测脉冲经目标反射的回波被雷自导装置接收并正常处理, 或者反之,雷的探测脉冲回波被雷接收并正常处理, 导致2条鱼雷的探测逻辑混乱, 无法实现对真实目标的有效探测、参数估计和跟踪。由于主动自导通常采用距离门和随跟踪距离的变化改变主动探测周期等技术, 因此, 当对邻雷自导探测回波进行处理而不是对本雷探测回波进行处理时, 通常无法实现对目标的正常跟踪和攻击, 其危害是巨大的。

3)邻雷探测信号所产生混响的干扰

对于主动声自导鱼雷来说, 除了邻雷探测目标回波的干扰外, 邻雷发射的探测脉冲所产生的混响也将严重影响本雷对目标的探测。从信号处理的角度分析, 鱼雷自导系统自身发射信号产生混响的到达时间和规律基本已知, 因此可以采用自动增益控制(automatic gain control, AGC)、混响增益控制(reverberation gain control, RGC)等信号处理手段, 针对性地进行混响抑制。而对于邻雷发射信号产生的混响, 由于本雷无从得知其到达时间和衰减规律, 无法进行类似的混响抑制, 这使得邻雷产生的混响成为重要的外来干扰。无论齐射两雷处于何种阵位态势, 只要两雷自导波束指向同一方向(区域), 混响的相互干扰就不可避免地存在。这种情况当两雷同时跟踪目标到达一定距离, 使得两雷相距较近时尤其显著。

4)引信的相互干扰

由于齐射两雷目的是命中目标, 因此还有两雷引信方面的相互干扰问题, 即当相邻两雷(跟踪目标)航行距离较近时, 可能会由于电磁等非触发引信的相互干扰而造成引信的不动作或者误动作, 从而影响命中毁伤目标, 这也是必须要考虑的重要问题。

1.3 互导与相互干扰的战术与技术属性

互导与相互干扰都是由齐射引发的不利于鱼雷使用的问题。这些问题可能发生在初始搜索阶段, 也可能发生在跟踪攻击目标过程中的某一阶段。互导和相互干扰的出现并非单一的, 往往是多种情况同时存在, 但是这两种问题的性质并不相同。

首先, 产生互导的条件是两雷相对阵位满足互导阵位条件。而阵位条件的选择是战术使用问题, 因此, 应该从鱼雷战术使用的角度考虑避免形成互导阵位, 从技术角度考虑如何避免在已经形成互导阵位条件时,实际不产生互导。总之, 要避免互导, 需要在战术和技术两方面同时做工作。

其次, 齐射鱼雷之间的相互干扰是由鱼雷使用环境带来的, 不管齐射两雷相对阵位如何, 这些干扰始终存在, 只能通过产品设计技术手段解决。换句话说, 要降低或者消除相互干扰, 只能通过技术手段解决。

同时也应该看到, 各种相互干扰的危害性不尽相同。其中邻雷探测目标回波的干扰最为严重, 如果声自导鱼雷不具备抑制邻雷探测目标回波干扰的能力, 那么本质上说该型鱼雷就不具备双雷齐射功能。其次是抑制邻雷探测信号所产生混响的干扰问题, 该问题解决得如何, 将在很大程度上决定齐射使用效果。而引信相互干扰问题则是引信系统设计与实现的问题, 在此不做探讨。

现代自导鱼雷多为主动自导或者主被动联合自导工作方式, 因此应同时考虑如何避免各类互导和相互干扰问题。由上述分析可知, 互导与相互干扰属于不同属性的问题, 其解决途径也不同。其中自导、引信的相互干扰等问题必须通过采取对应的防干扰等技术措施, 在鱼雷设计时解决; 而主动或者被动互导则必须通过作战使用的组织实施并结合技术手段来解决。下面分别从技术与战术层面给予分析。

2 声自导鱼雷防止齐射干扰的有关技术手段

2.1 声自导鱼雷齐射防护技术措施

声自导鱼雷为了实现齐射而专门采取的防相互干扰的技术措施, 此前有称为齐射保护措施[10,12]。从保护一词的属性分析不是很贴切, 因此本文将其改称为齐射防护技术。目前, 齐射防护技术主要应用于主动声自导鱼雷齐射, 目的是解决邻雷探测目标回波的干扰和邻雷探测信号所产生混响的干扰。从应用情况看, 解决声自导鱼雷主动齐射防护问题的技术途径主要有下面几种[10,12]。

1)采用标记频率加保护通道。在鱼雷自导系统中设置标记频率和保护通道, 每1条鱼雷的标记频率可以在发射前设定。自导开机工作后, 在发射探测脉冲之前较短时间, 发射一窄的前置脉冲, 该脉冲通常为矩形包络的CW信号, 其载波频率为该雷的标记频率。接收机系统同时设置一保护通道, 对自导接收信号处理通道实施控制。当系统接收到回波脉冲后, 首先在保护通道进行对前置脉冲回波信号的处理, 仅当接收到属于本雷标记频率的脉冲信号时, 保护通道才开启自导接收通道, 进行对真实探测脉冲回波的接收处理; 如果保护通道处理的标记频率不属于本雷, 则保护通道关闭自导接收通道, 不对探测脉冲回波进行分析处理, 以此避免误处理其他鱼雷发射脉冲的回波。

2)采用不同的脉冲重复周期。2条雷的探测脉冲周期不同(发射前设定), 其中雷比雷的脉冲周期长一定比例(比如20%)。两雷自导开机工作后, 尽管雷有可能会在某个时刻接收并处理雷的回波脉冲信号, 但是由于鱼雷自导距离门的作用, 可以在下一个周期错开并正确接收处理自身发射的探测脉冲回波。而一个周期的错误判定不会影响总的探测效果。

3)采用不同的探测波形。这一点很好理解, 比如2条雷在同样频带范围内分别采用正、负不同的调频方式, 避免互相干扰。还可以专门设计不同形式的探测波形, 利用齐射两雷在波形上的差异对自身探测脉冲回波进行识别处理。

4)采用不同的工作频段。当换能器基阵频带范围允许时, 可以设定2条雷工作于不同的频段, 彻底排除相互干扰。

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5)采用抗干扰信号处理手段。通过信号处理手段, 对本雷探测脉冲回波信号之外的信息进行抑制, 排除邻雷探测脉冲所产生的回波、混响和噪声等干扰。

6)采用抗互导信号处理手段。通过目标识别等信号处理手段, 尽可能避免当两雷已形成互导阵位态势时, 一方将另一方作为主动或者被动目标进行跟踪攻击。显然一般的抗干扰信号处理手段解决不了抗互导问题, 需要专门针对性地研究信号处理方法。

上述方法在一型雷上可能应用其中一种或者同时应用几种。比如, 同时采用标记频率加保护通道和采用不同脉冲重复周期的组合等。

2.2 各种齐射防护技术措施的适用性分析

上述齐射防护措施方法各异, 使用效果也不尽相同。

1)无论采用哪种齐射防护措施, 邻雷噪声的干扰是无法彻底消除的, 只能通过抗干扰信号处理手段进行抑制。因此抗干扰信号处理手段是任何齐射防护措施都需要的。

2)采用标记频率加保护通道的方法可以有效避开对邻雷探测脉冲回波的处理, 但是无法消除由邻雷探测脉冲所产生的混响对本雷的影响。同时, 采用该方法会带来额外的好处: 当被攻击对象采用声诱饵进行水声对抗作战时, 其前置脉冲具有一定的水声反对抗功能, 即当诱饵识别出前置脉冲频率并进行应答时, 脉冲突然中止; 当诱饵正在应答前置脉冲时, 后续正式的探测脉冲来到, 诱饵来不及对探测脉冲进行频率识别和应答处理, 对抗效果将受到影响。因此, 鱼雷水声反对抗措施之一, 就是在探测脉冲之前发射诱骗诱饵应答的窄脉冲, 称为前置诱发脉冲。用于齐射时作为标记频率使用的前置脉冲, 本身就是前置诱发脉冲。

3)采用不同发射波形的方法整体看效果不会太理想。首先, 类似正负调频这样的波形在对抗邻雷回波干扰时会有一定效果, 但是会使检测门限有所抬高, 使检测距离有所下降; 其次, 由于不同的发射波形属于同一个频带范围, 无法对抗邻雷探测信号所产生混响的干扰。因此, 单纯利用该方法效果将十分有限。

4)采用不同的工作频带, 由于齐射两雷的自导探测信号频段不同, 所产生的混响不会对邻雷造成本质的影响, 因此无论是抑制邻雷探测目标回波的干扰, 还是抑制邻雷探测信号所产生混响的干扰都将是最为有效的方法。同时该方法最为直接, 在信号处理上也较为简单, 其最大不足是损失了宝贵的自导换能器有效带宽。另外, 当要求2枚以上鱼雷齐射时, 对换能器带宽的要求就更高了。

综合各种齐射防护技术措施分析可知, 通过技术设计, 可以在一定程度上解决鱼雷齐射所产生的相互干扰, 但是无法解决满足互导阵位态势时可能产生的主动或者被动互导。要避免互导, 必须采用抗互导信号处理手段, 而这样的技术要求在当前是非常难以实现的, 需要结合合理的战术使用来解决。

3 声自导鱼雷齐射作战使用可以采取的战术措施

广义上讲, 声自导鱼雷的搜索弹道分为两大类: 主航向类和图形类。所谓主航向类搜索弹道是指鱼雷发射后, 以某一运动方式(直航、蛇行、折线、梯形等)沿搜索主航向方向搜索。图形类搜索弹道是指鱼雷并不固定地向某一方向长时间、远距离地搜索, 而是以某一运动方式(圆形、螺线形、螺旋形、“8”字形等)围绕入水点附近搜索。声自导鱼雷根据其使用工作方式不同, 可能采取单一的主航向类弹道、图形类弹道进行初始搜索, 也可能采用主航向加图形类初始搜索弹道。通常鱼雷齐射主要指采用主航向类搜索弹道鱼雷的应用, 下面专门给予分析。

3.1 声自导鱼雷扇面齐射的组织实施

鱼雷齐射有2种组织实施方法: 扇面齐射和平行航向齐射。其中扇面齐射则是分析齐射战术使用问题的基础。

声自导鱼雷扇面齐射要解决的基本问题是雷数和散角。对自导鱼雷而言, 由于需要自导齐射防护等技术措施, 齐射雷数通常不多于2条。因此, 需要着重讨论的是双雷齐射下的散角问题。

所谓齐射散角是指齐射中线与鱼雷航向线之间的角度。显然, 齐射散角是针对齐射的每1枚鱼雷单独而言的, 不是同时针对齐射的2条雷。也就是说, 齐射的2枚鱼雷有各自的齐射散角, 不同鱼雷的齐射散角可以不同。

分析声自导鱼雷齐射散角的基本思路: 按保证齐射两雷不发生互导的阵位关系确定最小允许散角; 按齐射两雷自导扇面在齐射中线与目标航向线交点处相衔接的阵位关系, 确定最大允许理论散角。在此基础上, 优化求得在一定射击条件下, 保证两雷不发生互导时, 使齐射鱼雷发现目标总概率最高的散角, 即自导鱼雷扇面齐射的最优散角[12]。其形式为(参见图3)

式中: 系数为优化所得, 通常依据水声环境的不同取某一小于1的值; 为自导作用距离, 当系统的系数取定值时, 可以根据水声环境的不同, 通过调整自导作用距离的取值, 得到不同的齐射散角; 为自导扇面开角; 为齐射中线上鱼雷发射点到期望命中点的距离, 中线可由单雷射击的有利提前角确定。

3.2 声自导鱼雷平行航向齐射的组织实施

平行航向齐射是指齐射两雷先向齐射主航向两侧扇形展开, 然后转入与齐射主航向平行的方向上以一定间隔平行向前搜索目标。由于鱼雷技术水平的不断提高, 平行航向齐射因其有较好的使用效果, 已成为自导鱼雷齐射的主要组织实施方法。

图4 平行航向齐射时的阵位态势

平行航向齐射鱼雷射击参数求解依据下面原则建模。

1)两雷自导搜索扇面的等信号区的中心和目标应同时达到提前点(齐射中线与目标航向线的交点);

2)在自导系统开机开始搜索目标时刻, 齐射的所有鱼雷应同时到达与齐射中线相垂直的线上, 形成平行航向状态;

3)鱼雷自导开机和鱼雷转至与齐射中线相平行的航向后, 鱼雷航行线之间应保持一定距离, 以确保相邻两雷不会产生互导。

平行航向齐射时, 通常根据鱼雷特性首先设定展开距离值, 再依据下面公式计算出齐射散角

齐射中线可通过2种方法确定。

无论平行航向齐射还是扇面齐射, 所有可以采取的战术措施只能防止鱼雷初始搜索阶段形成互导的阵位态势, 无法避免鱼雷发现并跟踪目标过程中自然形成的可能造成互导的阵位形势, 这一点务必引起鱼雷设计人员的重视。

3.3 空投发射和助飞发射方式下的齐射使用问题

当鱼雷空投发射(HATS发射除外)或者火箭助飞发射时, 通常采用图形类初始搜索弹道。无论对于何种搜索图形, 在一定距离内有2枚鱼雷同时工作时, 必然会形成1枚鱼雷处于另一枚鱼雷自导搜索扇面之内的互导阵位形势, 甚至可能会形成2枚鱼雷同时存在于对方自导扇面之内而形成互为目标的阵位态势(参见图2)。

由于鱼雷航向俯仰姿态的不稳定性, 要想通过设定不同初始搜索深度的方式来避免图形类初始搜索弹道下互导阵位的形成也是不现实的。要真正实现在助飞发射方式下的齐射攻击, 必备的条件是鱼雷具有在已经形成互导阵位条件下, 主动和被动均不会产生互导的能力。这需要在技术层面做大量的工作, 特别是对同类鱼雷目标的识别能力要求非常之苛刻。纵观世界各国鱼雷技术发展, 目前阶段要求鱼雷实现这种能力似乎过于苛刻。但是对一次具体的作战行动来说, 并不等于不可以使用助飞鱼雷实施双雷齐射攻击, 对于威胁较大的水下目标或者紧急情况下, 使用助飞鱼雷进行齐射也是可以尝试的, 因此对其作战使用方法进行研究十分必要。同样, 还应进一步对助飞鱼雷连射使用方法进行研究。

4 结束语

本文从战术使用与技术措施2个方面, 详细分析了声自导鱼雷齐射中的互导与相互干扰的内涵及属性。研究表明, 声自导鱼雷齐射中, 互导和相互干扰都是影响齐射作战使用效果的不利因素, 然而两者属性不尽相同。相互干扰是技术层面的问题, 由鱼雷使用环境条件决定, 因此只能通过技术措施来降低其影响和危害。互导的出现既包括战术使用方法的问题, 又包括鱼雷本身的技术防护能力问题, 要避免互导则要从技术与战术2个层面进行考虑。

自导鱼雷齐射能力检验的问题同样是该领域的关键问题, 重点应放在以防止和抑制齐射相互干扰为主的齐射防护能力检验上。当前条件下对鱼雷自导抗互导技术能力的检验应该以定性考核为主, 即通过形成互导阵位后鱼雷对邻雷是否产生跟踪以及在什么条件下才能产生跟踪进行试验, 得到相关的数据, 为后续齐射防护能力的改进和提高奠定基础。

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Technical and Tactical Analysis of Two-Torpedo Salvo for Acoustic Homing Torpedo

ZHANG Jing-yuan, WANG Peng

(Department of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China )

For clarifying different understandings of two-torpedo salvo of an acoustic homing torpedo, the meanings and attributions of mutual-homing and mutual-interference are discriminated. Measures of salvo protection are analyzed, and the applicability of the measures to anti mutual-homing and anti mutual-interference is discussed. Considering operational application, the possible tactical ways of two-torpedo salvo is analyzed. Thus the solutions to solve the technical and tactical problems in the two-torpedo salvo and the corresponding limitation are described. In addition, test items and test methods of salvo capability of an acoustic homing torpedoes are suggested.

acoustic homing torpedo; salvo protection; operational application

TJ631.5

A

1673-1948(2013)04-0299-07

2013-05-07;

2013-05-18.

张静远(1964-), 男, 教授, 博士生导师, 研究方向为水声制导信号处理, 鱼雷作战使用与武器系统分析.

(责任编辑: 许 妍)