吊放声呐扩展螺旋阵搜潜效能评估改进方法

鞠建波, 郁红波, 范赵鹏, 杨少伟

吊放声呐扩展螺旋阵搜潜效能评估改进方法

鞠建波1, 郁红波1, 范赵鹏2, 杨少伟1

( 1. 海军航空大学 航空作战勤务学院, 山东 烟台, 264000; 2. 中国人民解放军91001部队, 北京, 100089)

针对反潜直升机吊放声呐搜潜效能评估过程中把探测范围等效成半径为定值圆的问题, 为了提高效能评估的逼真度, 文中以吊放声呐扩展螺旋阵数学模型为基础, 建立了吊放声呐探测距离模型。依靠射线声学理论模型, 以深海负梯度声速为例, 通过BELLHOP仿真得出了吊放声呐探测距离随温深曲线变化的关系, 发现吊放声呐的探测距离在真实情况下是随着声速梯度的变化而改变的。同时, 针对潜艇在逃逸过程中沿直线航行的问题, 建立了潜艇规避模型, 得出了潜艇规避仿真图。将探测范围等效成半径为定值圆的模型称为第1模型; 在第1模型的基础上引入吊放声呐探测距离随温深曲线变化模型, 称为第2模型; 在第2模型的基础上加入潜艇规避模型, 称为第3模型。使用蒙特卡洛方法对3种模型分别仿真5 000次, 结果表明, 加入射线声学理论探测距离模型和潜艇规避模型后, 搜潜效率大大降低。文中方法对提高吊放声呐阵型搜索效能评估逼真度具有一定的军事意义和参考价值。

吊放声呐; 扩展螺旋阵; 射线声学; BELLHOP; 潜艇规避; 探测距离

0 引言

在现代反潜方式中, 航空反潜因其速度快, 搜索面积广, 机动灵活性强而备受各国海军的重视。吊放声呐作为航空反潜的核心装备, 无论在实战还是平常训练中都得到了广泛的应用[1-4]。关于吊放声呐不同阵型搜潜效能评估, 国内外已经有了很多研究, 但这些研究为了方便计算, 均简化了搜潜模型。文献[5]~[8]对不同搜潜阵型进行了效能评估, 得出了各阵型的搜潜概率, 但在效能评估中没有考虑吊放声呐探测距离随温深曲线的变化模型和潜艇的规避模型; 文献[9]~[11]虽考虑了潜艇规避, 但没有考虑吊放声呐探测距离的变化。

文中在原有文献的基础上将吊放声呐探测距离随温深曲线变化模型和潜艇规避模型结合起来, 完整考虑了整个搜潜过程, 更加贴近实战情况, 提高了对吊放声呐阵型搜潜效能评估的逼真度。

1 扩展螺旋阵搜潜模型

直升机飞往第1个吊放点需要的时间为

直升机到达第1个吊放点时由潜艇运动得到的扩展圆半径

第1个吊放点的位置坐标

直升机在搜索过程中的平均飞行速度为

直升机整个飞行过程是一个螺旋线方程, 具体表达式为

相邻吊放点之间的反潜直升机转移时间为

在上述模型(称为第1模型)中, 吊放声呐的作用区域等效为一个半径为定值的圆, 半径的估算公式为[12]

2 基于射线声学理论的吊放声呐探测距离模型

基于射线声学理论的吊放声呐探测距离模型在文中称为第2模型, 在该模型下, 吊放声呐的探测距离不再是恒定的值, 而是在性能确定的情况下随着海洋环境的改变而改变, 吊放声呐的作用距离会直接影响到其搜潜效率, 因此不同的海洋环境中搜潜概率也不相同。

假设海洋中某声线的声压为

柱面坐标系下, 控制方程为

射线声学理论具有高频近似性, 为了解决声线传播过程中声影区和焦散区问题, Porter[13]引入了高斯声束射线方法, 该方法的基本思想是, 假设在统计上声线按照高斯分布变化, 该声线是高斯声束的中心声线, 在中心声线邻域构造如式(12)所示的解, 该解决定了波束对声场的作用

因为太阳照射的原因, 海水表层温度较高, 随着深度的增加温度降低, 出现随深度增加而声速降低的现象[14]。图1为负声速梯度情况下的声速剖面, 图中为海洋深度, 图2为海洋中的传播损失图。

图1 负梯度型声速剖面

图2 负梯度对应的传播损失图

根据Snell定理, 在负梯度下, 所有声线均向下折射, 并且掠射角随深度增加而增加。与海平面相切的声线称为极限声线, 极限声线以外的区域称为声影区, 即图2中颜色较深的区域, 声影区并不是声强为0, 而是经过该区域的声线极少, 在探测潜艇时, 声影区内的目标一般不容易被探测到。

图3 负梯度下吊放声呐探测距离仿真图

通过上述计算得出了第2模型下吊放声呐的探测距离。在一般的反潜作战中, 潜艇的下潜深度未知, 假设该模型中潜艇的深度在0~400 m服从均匀分布, 如图4所示。

图4 吊放声呐搜潜时潜艇分布示意图

3 潜艇规避模型

图5 潜艇规避扩展螺旋阵仿真图

Fig. 5 Simulation diagram of extension spiral array for submarine elusion

4 仿真分析

在某作战海区, 反潜直升机使用扩展螺旋阵对丢失的潜艇进行搜索, 仿真分析了上述3种模型下的搜潜概率。

4.1 仿真条件设定

1) 潜艇航速服从瑞利分布, 初始概略位置服从正态分布, 航向在[0, 360°]服从均匀分布。

2) 潜艇规避时转向的时间忽略不计。

3) 假设本海域内只有1艘潜艇, 且潜艇与直升机的活动相互独立。

4.2 单机声呐扩展螺旋线搜潜仿真分析

1) 直升机初始距离对搜潜效能的影响

图6 初始距离对搜潜概率的影响

从图6可以看出, 随着初始距离的不断增加, 3种模型搜潜概率不断减少, 这是因为初始距离的增加导致反潜直升机到达第1个吊放点时潜艇位置散布不断增大。第2模型的搜潜概率一直小于第1模型, 说明了考虑温深曲线对探测距离的影响后, 直升机扩展螺旋线阵的搜潜效率将会降低。通过第3模型可以看出, 潜艇规避时, 搜潜效率将大打折扣。

2) 潜艇初始位置分布对搜潜效能的影响

图7 初始位置分布对搜潜概率的影响

由图7可以看出, 第1模型的搜潜概率高于第2模型搜潜概率, 且远远大于第3模型。在相同条件下, 搜潜概率随潜艇初始位置散布的增加而降低, 但变化范围较小, 搜潜效能比较稳定, 因此可以推断出, 把潜艇初始位置散布控制在一定的范围内, 扩展螺旋阵就可以得到较为稳定的搜潜概率。

3) 直升机搜索时间对搜潜效能的影响

图8 搜索时间对搜潜概率的影响

由图8可以看出, 在相同的条件下, 随着搜索时间的增加, 3种模型的搜潜概率也不断增加。第1种模型的搜潜概率高于其他2类模型, 并且随着时间的不断增加, 搜潜概率趋于平稳。

5 结束语

文中建立了反潜直升机吊放声呐扩展螺旋线阵数学模型, 为了更加贴近实战, 针对以往研究将吊放声呐探测距离视为定值和潜艇规避航迹简化的问题, 建立了加入探测距离随温深曲线变化的第2模型和加入潜艇规避的第3模型。使用蒙特卡洛算法对3种模型进行了仿真分析, 发现实际情况下吊放声呐搜潜效率并不是很高。通过对文中结论的分析, 可以提高吊放声呐阵型搜潜效能评估的逼真度, 具有一定的军事意义和参考价值。另外, 目标强度直接影响着声呐装备的作用距离, 因此在目标强度不均匀的情况下, 如何进行反潜直升机吊放声呐扩展螺旋阵型效能评估将是下一步的研究工作。

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An Improved Method for Evaluation the Submarine Searching Effectiveness with Extension Spiral Array of Dipping Sonar

JU Jian-bo1, YU Hong-bo1, FAN Zhao-peng2, YANG Shao-wei1

(1. College of Aeronautical Combat Service, Naval Aviation University, Yantai 264000, China; 2. 91001thUnit, The People’s Liberation Army of China, Beijing 100089, China)

Aiming at the problem that the detection range is equivalent to a circle with fixed radius in the evaluation process of submarine search effectiveness of anti-submarine helicopter dipping sonar, this paper establishes a detection range model of sonar based on the extension spiral array mathematical model of sonar in order to improve the fidelity of effectiveness evaluation. Based on the ray acoustics theory model, the negative-gradient acoustic velocity in deep sea is taken for example to obtain the relationship between the detection range of the dipping sonar and the temperature as well as the depth curve via BELLHOP simulation, and it is found that dipping sonar detection range in real case is subject to change with the velocity gradient. Furthermore, aiming at the problem of submarine navigation along a straight line in escape process, this paper establishes a submarine elusion model, and obtains the simulation diagram of the submarine elusion. The model of the detection range equivalent to a fixed circle with radius is named as the first model. The first model with the addition of the detection range model is called the second model, and the second model with the addition of the submarine elusion model is called the third model. The Monte Carlo method is used to simulate the three models for 5 000 times, respectively. The results show that the detection range model with ray acoustics theory and the submarine elusion model greatly reduce the efficiency of submarine searching. Through simulation analysis, the goal of improving the fidelity of the effectiveness evaluation of sonar array search is achieved.

dipping sonar; extension spiral array; ray acoustics; BELLHOP; submarine elusion; detection range

TJ67; TB115.2

A

2096-3920(2020)04-0434-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2020.04.012

2019-11-05;

2019-12-31.

鞠建波(1961-) 男, 教授, 研究方向为水下目标探测与识别.

鞠建波, 郁红波, 范赵鹏, 等. 吊放声呐扩展螺旋阵搜潜效能评估改进方法[J]. 水下无人系统学报, 2020, 28(4): 434-439.

(责任编辑: 许 妍)