何心怡，陈　菁，高　贺，卢　军

（海军装备研究院，北京，100161）

主动声自导应用于鱼雷反舰的可用性分析

何心怡，陈菁，高贺，卢军

（海军装备研究院，北京，100161）

针对主动声自导应用于鱼雷反舰的可用性问题，文中在深入分析鱼雷反舰作战面临的作战环境与作战对象的基础上，提出了主动声自导不宜作为主要鱼雷反舰自导技术的结论，主要原因有: 1） 跃变层可能导致鱼雷发射的声脉冲信号无法建立起与水面舰船的声接触，造成鱼雷反舰攻击失效；2） 水面舰船接收到鱼雷报警后的加速规避机动产生的漫反射效应与高辐射噪声特性，可能导致主动声自导反舰失的；3） 海面的镜面反射效应将显著增大主动声自导反舰的虚警率。同时根据鱼雷反舰作战需求以及相关技术发展，展望了鱼雷反舰自导技术的发展方向。

鱼雷；主动声自导；反舰；可用性

0　引言

西方国家鱼雷反舰自导方式多采用被动声自导，该自导方式优点是隐蔽性强、实现简便，缺点是自导作用距离依赖于水面舰船辐射噪声能级，且其抗人工干扰能力较弱［1-4］。俄罗斯鱼雷反舰自导方式多采用尾流自导[5], 由于尾流自导探测、追踪的舰船尾流难以复制, 该自导方式优点是抗人工干扰能力强(一般水声对抗装备无法诱骗或干扰尾流自导鱼雷)、实现简便、受水文条件影响小,缺点是因航行深度较浅、采用尾流自导方式的热动力鱼雷容易暴露其航行尾迹, 同时其搜索、追踪弹道围绕水面舰船尾流展开, 水面舰船鱼雷报警判别来袭鱼雷为尾流自导鱼雷后容易采取相应的反鱼雷措施, 如在尾流中预设硬杀伤反鱼雷武器对来袭鱼雷实施拦截、水面舰船机动使得尾流交叉等［6-9］。

主动声自导多用于反潜, 理论上将主动声自导的预成波束束控于水面方向、将主动声自导反潜的双平面声自导简化为单平面声自导, 即可用于检测水面舰船目标; 同时, 主动声自导反潜具有不依赖于目标辐射噪声、易于实现水声对抗能力, 似乎也为鱼雷反舰自导方式指出了另一条发展道路。文中从战场环境、作战对象以及自导机理等方面深入分析了主动声自导应用于鱼雷反舰的可用性, 同时,结合鱼雷反舰作战需求, 提出了鱼雷反舰自导技术的后续发展建议。

1 主动声自导应用于鱼雷反舰机理

主动声自导应用于鱼雷反舰后，仍可采用主动声自导方程进行表征［10-11］。

1） 当干扰场以混响为主时

式中: SL为鱼雷主动声自导系统的发射声源级；TL为传播损失；RL为混响级；TS为目标强度；DT为鱼雷主动声自导系统的检测阈。

2） 当干扰场以噪声为主时

式中: NL为鱼雷主动声自导系统的自噪声级；DI为接收指向性指数。

当主动声自导应用于鱼雷反舰时, 其自导信号处理机理仍遵循式(1)和式(2)的主动声自导方程, 仅是将鱼雷声自导的预成波束束控于海面方向, 此时,从声学探测角度, 可将水面舰船看作沿舰船吃水深度等深航行的体目标, 鱼雷声自导可由反潜时的双平面声自导简化为反舰时的单平面声自导。也就是说: 仅需采取将鱼雷主动声自导系统的预成波束予以简化等适应性调整措施, 无需对原鱼雷主动声自导系统进行较大改变, 就可在鱼雷主动声自导的反潜功能基础上简化、简单衍生出鱼雷主动声自导系统的反舰功能。换言之, 考察主动声自导对于鱼雷反舰作战适用与否, 重点应关注原先主要应用于反潜的主动声自导是否适应鱼雷反舰作战时面临的战场环境与作战对象。

2 战场环境与作战对象对主动声自导应用于鱼雷反舰的影响

2.1战场环境对主动声自导应用于鱼雷反舰的影响

战场环境对鱼雷声自导影响主要反映在以声速梯度为核心的水文条件对鱼雷声自导的影响。战场环境通过决定声波传播进而影响鱼雷声自导,可采用斯奈尔(Snell)定律来分析声波传播情况［12］。

可将海洋纵剖面看作由一系列具有一定厚度但相邻层声速又互不相同的海水薄层来考虑，如图 1所示。在层与层之间的交界处，运用斯奈尔定律，即可探究声线被不断折射后由直线变为曲线的演变过程［13］

式中: ci为各海水薄层中的声速，θi为声波在海水薄层间的掠射角，且i=1，2，3，…。

图1　声线折射示意图Fig.1　Schematic of sound ray refraction

如果声速随着深度的增大而持续增大，则声线最终将在某层界面上被折射至水平状态，此时cosθ=1，对应的声速 cv称为顶点声速，且有

因此，通过对海洋纵剖面按声速分层，并且结合式（3）和式（4）可得任何一根声线的传播轨迹。

图 2是等温层时（此时战场环境为良好水文条件）声波传播情况。可以看出，等温层时声波在空间中为直线传播，并在鱼雷波束宽度内均匀分布，此时，航深40 m鱼雷发射的声脉冲信号将抵达位于海面的水面舰船，主动声自导应用于鱼雷反舰将有效探测到水面舰船。

图2　等温层时鱼雷发射的声脉冲信号传播示意图Fig.2　Schematic of acoustic pulse signal transmitted by torpedo propagating in isothermal layer

然而，等温层在实际战场环境中所占比例较小，战场环境大都为非等温层（即此时战场环境为非良好水文条件）。由于阳光至多可抵达海洋100 m水深，而阳光照射情况与海水水层温度情况紧密相关，同时，海水水层的声速与水温呈正相关: 当阳光足够强时（如夏季或低纬度海区），海洋近海面水层水温较高且变化较大、声速也较高；而深度超过100 m水层，水温恒定在0～4℃ ，声速较低，因此，导致近海面水层将出现较强的跃变层，超过100 m水深将出现等温层或弱负梯度层。根据声波向低声速区域弯曲的声传播效应，海洋存在跃变层时，声波将向海底弯曲，如图3所示。

图3　跃变层时鱼雷发射的声脉冲信号传播示意图Fig.3　Schematic of acoustic pulse signal transmitted by torpedo propagating in thermocline

从图3可看出，30 m以浅海洋表层存在跃变层。右侧的声线轨迹清晰地反映出受声波向低声速区域弯曲的物理特性决定，航深40 m鱼雷发射的声脉冲信号最浅只能抵达 18 m水深而无法抵达海面，无法建立起与水面舰船（绝大部分水面舰船的吃水深度不超过10 m，如美国满载排水量近万吨的阿利伯克级驱逐舰的吃水深度为 6.3 m左右，满载排水量在10万吨左右的尼米兹级航空母舰的吃水深度为 11.3 m左右）的声接触，此时主动声自导应用于鱼雷反舰将因无法探测到水面舰船而失效。

鱼雷反舰作战时，鱼雷总是处于水面舰船的下方，若海洋表层存在跃变层时，鱼雷与水面舰船处于跃变层异侧，鱼雷主动声自导发射的声脉冲无法抵达海面，无法建立起与水面舰船的声接触，导致主动声自导反舰失效。而夏季时各海区均存在较强的跃变层，低纬度海区（如南海的中部与南部）更是常年存在强跃变层，因此，鱼雷在此类海区作战，主动声自导应用于鱼雷反舰面临着大概率的失效风险。

同样在图2和图3战场环境中，考察水面舰船辐射噪声传播情况，分别如图4和图5所示。

图4　等温层时水面舰船辐射噪声传播示意图Fig.4　Schematic of surface ship radiated noise propagating in isothermal layer

图5　跃变层时水面舰船辐射噪声传播示意图Fig.5　Schematic of surface ship radiated noise propagating in thermocline

从图中可以看出，在跃变层条件下，水面舰船辐射噪声也弯向海底，但由于鱼雷被动声自导是单向接收水面舰船辐射噪声，与等温层时相比，虽然在跃变层条件下被动声自导作用距离缩短，但鱼雷被动声自导仍能接收到水面舰船辐射噪声、仍能探测到水面舰船，不会失效。

综上分析，与被动声自导相比，若鱼雷主动声自导应用于鱼雷反舰，其战场环境适应性较差，在跃变层条件下容易失效。同样，尾流自导工作频率高、作用距离短，受水文条件等战场环境影响很小。

2.2作战对象对主动声自导应用于鱼雷反舰的影响

鱼雷反舰时攻击对象大都为巡航速度 15～20 kn、最大航速高于25 kn的水面舰船，且水面舰船可认为是处于鱼雷上方、单一深度航行的单平面目标，此时鱼雷声自导可由反潜时的双平面声自导简化为反舰时的单平面声自导。

一方面，作为鱼雷反潜攻击对象的潜艇，大都为低速潜航状态（航速通常为 2～8 kn），由于其航速低、航行于水下、海水静压大，其艇体周围一般不存在气泡，此时，鱼雷发射的主动声脉冲信号撞击于潜艇上呈现的是刚体反射效应，目标强度较大、回波信号较强。处于锚泊状态的水面舰船也与低速潜航状态的潜艇相同，鱼雷发射的主动声脉冲信号撞击于锚泊状态的水面舰船上呈现的是刚体反射效应，目标强度较大、回波信号较强。然而，当水面舰船航行时，其与水体接触区域（包括船底、水线以下船舷部位等）将出现气泡，并且航速越高，气泡数量越多、气泡层越厚，从目标特性角度看，航行状态水面舰船可看作处于气泡层包裹中的体目标，此时，鱼雷发射的主动声脉冲信号撞击于航行状态水面舰船上呈现的是漫反射效应，目标强度较小、回波信号较弱，并且随着水面舰船航速的增大，其目标强度不断减小、回波信号不断变弱。

另一方面，由于水面舰船航速高、辐射噪声大，其辐射噪声对于鱼雷主动声自导而言实质上属于干扰信号。当鱼雷主动声自导系统的干扰场以噪声背景为主时，此时，水面舰船航速越高、其辐射噪声越大，将导致鱼雷主动声自导系统的背景噪声强度越大，使得鱼雷主动声自导作用距离越小。

由此可见，航行状态水面舰船的漫反射效应与高辐射噪声特性，将导致水面舰船航速越高，其目标强度越小、鱼雷主动声自导处的背景噪声强度越大，鱼雷主动声自导反舰时的自导作用距离越小。

纵观国外水面舰船鱼雷防御战术［14-16］: 当水面舰船发现来袭鱼雷后，大都采用背转向加速规避机动战术，即加速机动尽可能远离来袭鱼雷的自导搜索区域，而加速航行的水面舰船造成来袭鱼雷的主动声自导的自导作用距离缩短，很容易导致来袭鱼雷主动声自导因自导作用距离突然缩短而失的。

而水面舰船防御来袭鱼雷时的加速机动规避战术，导致水面舰船辐射噪声显著增大、有效尾流长度增长，恰恰为被动声自导反舰、尾流自导反舰提供了更为有利的目标特性，反而能显著提高采用被动声自导或尾流自导鱼雷的发现概率与作战效能；同时，海面的镜面反射效应是造成鱼雷主动声自导反舰虚警的重要原因，特别是海况等级较低时，海面的镜面反射效应对声波的强反射所产生的假回波，容易使得鱼雷主动声自导将海面回波锁定为目标，虚警率将显著增大。

综上分析，与鱼雷被动声自导反舰、尾流自导反舰相比，当水面舰船发现来袭鱼雷后采用加速机动规避战术时，鱼雷主动声自导反舰容易因自导作用距离突然缩短而失的，而且目标航速越高，主动声自导失的的概率越高；同时，海面的镜面反射效应将显著增大主动声自导反舰的虚警率。

2.3主动声自导应用于鱼雷反舰的可用性分析

由于声波向低声速区域弯曲的声传播效应属不可克服的物理效应、加速规避机动是水面舰船最常用的鱼雷防御战术，由此造成的结果是: 若主动声自导应用于反舰，在跃变层条件下容易失效，在追踪目标时容易因目标加速机动规避使得目标强度减小、辐射噪声加大导致主动声自导反舰失的，同时，海面的镜面反射效应将显著增大主动声自导反舰的虚警率，因此，主动声自导不宜作为主要的鱼雷反舰自导技术。

3 鱼雷反舰自导技术发展展望

根据鱼雷反舰作战需求并结合战场环境与作战对象分析，鱼雷反舰自导技术重点发展方向如下。

1） 为提一步提高被动声自导反舰的作战效能，一方面要求被动声自导工作频段向低频、甚低频延伸，这样既可提高被动声自导作用距离，又可利用水面舰船辐射噪声在低频、甚低频内丰富的线谱与调制谱分量，开展相应的鱼雷真假目标识别技术研究，提高被动声自导反舰时的水声对抗能力［17］；另一方面，鉴于被动声自导反舰鱼雷大多为潜用线导鱼雷，应积极探索利用线导回传的鱼雷自导信号、依托发射艇上强大的信号处理能力采用人在回路方式辅助鱼雷实施真假目标识别，进一步提高被动声自导反舰的水声对抗能力、命中概率与作战效能。

2） 由于尾流自导鱼雷围绕水面舰船尾流实现追踪、攻击水面舰船，其追踪、攻击弹道相对固定，使得水面舰船在收到鱼雷报警后，易于根据尾流自导鱼雷的弹道特性采取有针对性的鱼雷防御措施，包括在尾流中预设硬杀伤反鱼雷武器对来袭鱼雷实施拦截、水面舰船机动使得尾流交叉等。因此，应积极开展尾流自导道鱼雷的弹优化工作，降低尾流自导鱼雷的被拦截概率。

3） 水面舰船鱼雷报警声呐具有不可克服的探测盲区与低可探测区，因此，应深入开展被动声自导鱼雷、尾流自导鱼雷的射击导引方法研究，使得被动声自导鱼雷、尾流自导鱼雷尽早、尽可能远地进入水面舰船鱼雷报警声呐的探测盲区与低可探测区，提高鱼雷的攻击隐蔽性与作战效能。

4　结束语

文中针对主动声自导应用于鱼雷反舰的可用性问题，深入分析了鱼雷反舰面临的作战环境与作战对象，得出主动声自导应用于反舰的可用性较差、不宜作为主要的鱼雷反舰自导技术的结论，根据鱼雷反舰作战需求并结合相关技术发展，展望了鱼雷反舰自导技术的发展方向，可为提高实战条件下的鱼雷作战能力提供依据。

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（责任编辑: 杨力军）

Availability Analysis on Application of Active Acoustic Homing to Anti-ship Torpedo

HE Xin-yi，CHEN Jing，GAO He，LU Jun
（Naval Academy of Armament，Beijing 100161，China）

To understand the availability of applying active acoustic homing to an anti-ship torpedo，the operational environment and object of the torpedo are analyzed，and conclusion is drawn that active acoustic homing should not be taken as a main technology for anti-ship torpedo homing.Main reasons are as follows: 1） the thermocline may lead to the problem that torpedo′s acoustic pulse signal cannot establish acoustic contact with a surface ship，thus resulting in the failure of anti-ship attack；2） the diffuse reflection effect and high radiation noise which come from surface ship's evasive maneuvering after receiving torpedo alarm may result in loss of active acoustic homing against ship；3） mirror effect of the sea surface will significantly increase the false alarm rate of active acoustic homing against ship.In addition，according to the operational requirements for an anti-ship torpedo and the development of related technology，the development trend of anti-ship torpedo homing technology is prospected.

torpedo；active acoustic homing；anti-ship；availability

TJ630.34；TN973.3

A

1673-1948（2016）03-0184-05

10.11993/j.issn.1673-1948.2016.03.005

2016-04-30；

2016-05-10.

国家自然科学基金项目资助（60902071）.

何心怡（1976-），男，高级工程师，博士，主要从事鱼雷自导技术、水声信号处理技术及声呐与反潜战仿真技术研究.