海岸声呐对AUV隐蔽突防影响研究.pdf

第45卷第17 期2023年9月舰船科学技术SHIP SCIENCE AND TECHNOLOGYVol.45,No.17Sep.,2023海岸声呐对AUV隐蔽突防影响研究王郁茗，李博，张大伟(海军大连舰艇学院，辽宁大连116 0 18)摘要：针对AUV抵近目标前沿海区执行任务而可能被海岸声呐探测，从而影响AUV隐蔽突防的问题。通过构建海岸声呐对AUV探测距离预估模型、海岸声呐对目标探测概率模型，从探测距离、概率2 个方面，分析海岸声呐对AUV隐蔽突防的影响，给出了声呐探测距离与航速、海况对应变化关系及海岸声呐对AUV探测概率拟合曲线。在获取AUV航速、海况等级、海岸声呐布设位置等关键信息后，可预报声呐对AUV的探测距离及不同区域的探测概率。最后基于典型AUV任务态势设定了AUV隐蔽突防威胁等级表，提出AUV在不同情况下的隐蔽突防策略。关键词：自主水下航行器；海岸声呐；探测距离；探测概率；隐蔽突防中图分类号：U666.7文章编号：16 7 2-7 6 49(2 0 2 3)17-0 135-0 4Research on influence of coastal sonar on AUV concealed penetration(Department of Underwater Weapon and Chemical Defense,Dalian Naval Academy,Dalian 116018,China)Abstract:Aiming at the problem that different ocean current environments will produce different degrees of errors inthe position of AUV navigation ships,by constructing an AUV movement model in an ocean current environment,based onthe AUV navigation ship position distance error and the ship position error evaluation index in the ocean current area,the im-pact of the ocean current environment on the AUV navigation error is analyzed.The results show that when the ocean cur-rent flow direction or velocity reaches a certain value,the influence on the distance and azimuth error of the AUV navigatingships position increases abruptly.Compared with ocean current flow direction,ocean current velocity has a more direct in-fluence on AUV ship position error.Under certain circumstances,ocean currents of different directions and sizes will have aconsistent effect on the position error of AUV navigation.By setting the AUV position error threshold,the direction and sizeof the current that can cause the AUV to reach the error threshold are reversed,which can provide auxiliary decision-makingfor AUV route planning.Avoid the sea area with corresponding ocean currents,and improve the AUVs ability to accuratelydeliver weapons,equipment and materials over long distances.Key words:autonomous underwater vehicle;coastal sonar;detection range;detection probability;covert penetra-tion0引言自主水下航行器（Autonomous UnderwaterVehicle,AUV）已广泛应用于军事作战领域，可作为武器投送、物资运输、战场环境侦察的有效实施平台!。AUV执行上述任务的海域往往位于敌前沿阵地附近的沿岸海区（目标前沿海区），是敌方海岸警戒探测声收稿日期：2 0 2 2-0 8-12基金项目：海军大连舰艇学院科研发展基金资助项目（DJYKYKT2021-051）作者简介：王郁茗（1990），男，讲师，研究方向为无人水下作战。文献标识码：AWANG Yu-ming,LI Bo,ZHANG Da-weidoi:10.3404/j.issn.1672-7649.2023.17.026呐（以下简称海岸声呐）常见布置之处。海岸声呐是将基阵固定布设在近岸海底的声呐，常采用被动探测方式，主要用于海峡、基地、港口航道和近岸海域对水下移动平台的警戒和监视 2-3。虽然AUV较潜艇而言，体积小、噪声低，但是当我方AUV抵近敌前沿阵地附近海区执行战场环境侦察等任务时，仍将存在被海岸声呐发现的风险，从而无法做到隐蔽突防，致使136 任务无法完成 4。为成功遂行赴敌岸附近海区完成武器投送、物资运输、战场环境侦察等作战任务，必须考虑敌前沿阵地海岸声呐对AUV隐蔽突防的影响。本文基于海岸声呐对AUV的探测模型，分析设定条件下海岸声呐对AUV隐蔽突防的影响，并根据影响程度，制定了AUV隐蔽突防的策略。研究海岸声呐对AUV隐蔽突防的影响，可为AUV执行任务前航路规划的制定，执行任务地点、时机的选择提供辅助决策。1海岸声呐对AUV探测距离分析1.1海岸声呐对AUV探测距离预估模型海岸声呐探测模型的目的是预估声呐对AUV的探测距离。海岸声呐一般以被动方式工作，声呐基阵坐沉在海底，通过探测AUV噪声以发现目标，因此海岸声呐对AUV被动探测模型可在被动声呐方程基础上进行改进 5。探测模型可表示为：S LAUV-TLAUV-(NL-DI)=DTAUV。式中，各参数均以dB表示。SLAUv定义为声呐工作带宽内AUV辐射噪声的声源级，通常以式AIgVAUV+B表示，VAUv为AUV的航行速度，AUV的声源级通常以实际测量为准，推进器的结构、AUV内部机械的摩擦都是相关影响因素。TLAUV为AUV的声传播损失，声传播损失由扩展损失和吸收损失两部分组成，其中扩展损失可简化为球面波扩展损失，以TLAUV=20lgRAUV+RAUv表示，单位为dB/km，RA U v 为声传播距离。吸收损失以RAUV，表示为吸收系数，一般等于0.0 36 f1-5。由于吸收系数表达式中的AUV噪声频率fAUv通常取值3 5kHz，因此换算下来吸收系数值较小，在声呐探测AUV时，其值相较于扩展损失值较小，故传播损失可直接简化为TLAUV=201gRAUv6。NL为海洋环境噪声级，一般以式10 1gfnL-1.7+6S+55表示。其中，fnL为水听器主要探测频率，通常取值1kHz，因此10 1gfnL-1.7数值相对较小，则NL可直接简化表示为6 S+55，S为海况等级。DI为接受指向性指数，为简化模型，水下探测声呐可采用无指向性水听器组成的等间距直线阵，即DI=101gn，n 为水下探测声呐所含水听器个数。DTAUv为声呐接收机的检测阈，即在预定置信级下使声呐信号处理机刚好能判断目标“有”或“无”时在输人端所需的信噪比。由于AUV尺寸小、噪声低，一般在距海岸声呐较近的水域才可被探测到，而这类水域通常水深较浅，因此在估计声呐作用距离时，可认为AUV与声呐水平舰船科学技术高度差较小，在估计声呐对AUV的作用距离时主要需要预先给出AUV的航行速度和AUV航行时声源级参数。1.2典型设定下AUV被动探测距离分析海岸声呐对AUV隐蔽突防的主要影响体现在探测距离上，如能提前预报海岸声呐对AUV的探测距离即可在航路规划阶段设计AUV航行时避开海岸声呐的有效探测区域。参考国内外常见鱼雷外形、普通螺旋桨推进型AUV典型性能，设定AUV航行速度范围在1 7 kn，其中1kn航速对应的声源级不大于115dB，3k n 航速对应的声源级不大于130 dB，5k n 航速对应的声源级不大于140 dB，7 k n 航速对应的声源级不大于150 dB，回归拟制AUV声源级为SLAUV=53.591gVAUv+103.9dB；设海岸声呐水听器个数n=100，则接受指向性指数DI-20dB；检测阈取值6 dB。综上，将设定值代人式（1）得设定条件下海岸声呐对AUV被动探测模型为：(1)53.591g VAUV-6S+62.9=201g RAUV。以航速VAUv和海况等级S为自变量，得海岸声呐对AUV探测距离与二者之间的变化关系如图1所示。可以看出：随着AUV航速的增加，AUV螺旋桨噪声加大，SLAUv随之逐渐增加，海岸声呐对AUV的探测距离也随之非线性增大；而随着海况等级的提高，环境噪声逐步加大，导致岸基水下探测声呐对AUV的探测距离随之非线性减小。104654海况等级32112234.567航速/kn图1声呐探测距离与航速、海况对应变化关系Fig.1 Corresponding relationship between sonar detection dis-tance,speed and sea stateAUV在执行不同任务时，航行速度及对海况的要求各有不同。如AUV抵近执行战场环境侦察任务时，通常要求航速较低，海况较好，当航速在3kn低速航行，海况为13级，AUV能够被海岸声呐发现的距离在3 17 km之间；当AUV需要抵近执行攻击任务时，为保证时效性通常要求航速较高，设航速在57 k n 航行，海况3级，此时AUV能够被海岸声呐发现的距离在17 35km之间。第45卷(2)第45卷2海岸声呐对AUV探测概率分析海岸声呐能否探测到AUV，除了与探测距离有关外，还与探测概率有很大关系。当AUV获取航速、声源级、海况等级等参数后，即可预估能够被海岸声呐探测到的最大探测距离RAUV。设AUV距离海岸声呐的横距为XAUV，A U V能够被探测到的概率为PAUv(XAUv),显然当XAUVRAUv时，PAUV(XAUV)O，即AUV有可能被海岸声呐探测到。一般情况下当XAUV=O时，PAUv(XAUV)=1，而随着XAUv由O变大，AUV被探测到的概率逐渐减小。当XAUV=RAUv时，PAUv(XAUV）O，即AUV几乎不会被海岸声呐探测到。而XAUVRAUv时，AUV的运动轨迹不会穿越海岸声呐对其的有效探测距离，将不会被探测到。参考单元海岸声呐对目标探测概率模型为 7 ：PAUv(XAUV)1-e VAUvXAuv,式中，k为比例系数，取决于探测环境情况。以AUV航速3kn，海况3级为例，k取值10 4，绘制声呐探测概率曲线图，如图2 所示。横坐标为AUV距岸横距与此时声呐对AUV最大探测距离的比值，实线为理想情况下探测概率曲线，而实际探测时当受到海洋环境等外界干扰时，声呐探测曲线将符合图2 中虚线特点，在这种情况下，探测概率在最大探测距离RAUv内某个中间值处达到最大值。1.00.90.80.730.60.5蒸0.40.30.20.100图2 声呐探测概率曲线Fig.2 Sonar detection probability curve为方便研究，可将图中虚线模型简化为高值为PAuv(XAuv)，顶边与底边之比为的等腰梯形，值一般为1/3 1/2。考虑到在实际情况下，AUV自噪声较小，且受环境等因素影响较多，AUV被敌岸基水下探测声呐发现概率较低，可将PAUv(XAUv)暂设定为0.6，值取1/3，即将模型简化为高0.6，底边为RAUV，顶边长1/3RAUv的等腰梯形。而RAUv在AUV航速3kn，海况3级时计算结果为17 km，则得到这种情况下模型如图3所示。王郁茗，等：海岸声呐对AUV隐蔽突防影响研究k(3)一理想概率曲线.外界干扰下概率曲线0.20.4XAUv/RAUV 1371.00.90.80.7盘0.60.5蒸0.40.30.20.1020 15 10,-50声呐探测距离/km图3单声呐基阵探测概率简化曲线Fig.3 Simplified curve of detection probabilityof single sonar array为探测水下目标，声呐常以阵列形式分布在沿岸水下，当有多个探测基阵叠加使用时，探测的概率也将发生变化。设海岸声呐相邻声呐基阵间隔10 km，阵列包含5个探测基阵，则海岸声呐探测探测概率曲线如图4所示。5个声呐基阵的中心分别为横坐标-20，-10，0，10，2 0 k m。由于多个声呐基阵间探测区域互有重叠，将导致不同距离上的探测概率发生变化，叠加后不同距离上的组合探测概率曲线如图5所示。1.00.90.80.70.60.50.40.30.20.10-4030-10-10声呐基阵位置/km图4多声呐基阵探测概率曲线Fig.4 Detection probability curve of multiple sonar arrays1.00.80.60.60.85101520中间基阵探测概率一右1基阵探测概率右2 基阵探测概率左1基阵探测概率左2 基阵探测概率102030401.00.40.2040301010010203040声呐基阵位置/km图5多声呐基阵组合探测概率曲线Fig.5 The detection probability curve of the combination ofmultiple sonar arrays图中实线为实际得到的组合概率，虚线为拟合曲线。由拟合曲线可知，海岸声呐对AUV的探测概率近似为半椭圆形，当AUV进入最大探测距离内时，AUV在海岸的投影点位越靠近海岸声呐的中心位置越有可能被发现，而远离海岸声呐中心，即便进入最大探测距离之内，仍然有较大概率能够隐蔽突防，因此一实际概率线一-拟合概率曲线138在航路规划时应尽可能给予考虑。3AUV隐蔽突防策略以AUV抵近执行战场环境侦察任务时，航速3kn、海况3级，海岸声呐相邻声呐基阵间隔10 km，阵列包含5个探测基阵的任务态势为例，结合海岸声呐对AUV探测距离及探测概率的分析结果，得到声呐阵列探测区域概率图如图6 所示。横坐标为声呐基阵位置，纵坐标为探测概率，图中实线为各单声呐基阵在该种情况下对AUV的最大探测区域，半径为17 km；虚线为海岸声呐的探测概率曲线。设AUV在海岸上的投影点位为XAUV，由图6 显示的位置关系可建立这种情况下AUV隐蔽突防风险等级表，如表1所示。1.00.80.60.40.20403010-1001020声呐基阵位置/km图6 海岸声呐探测区域概率图Fig.6 Probability map of coastal sonar detection area表1典型条件下AUV隐蔽突防风险等级表Tab.1 AUV covert penetration threat level table undertypical conditions风险等级1级XAUv/km17XAuv/km(-0,80)探测概率0可以突防策略穿越如表1所示，共设置4个AUV隐蔽突防风险等级，由1级到4级风险逐渐增大，取敌海岸声呐对我方AUV探测概率为0 时为1级，小于0.2 时为2 级，0.20.4为3级，大于0.4为4级，根据AUV在海岸上的投影点位XAUv在声呐基阵中的位置选择对应的突防策略，当AUV横距XAUv17km时，无需考虑AUV投影点是否处于海岸声呐基阵之中，可任意穿越目标区域。当XAUv37km，则AUV被探测到的概率小于0.2，暴露风险较低，在执行秘密等级不高的任务时可适当选择穿越；若30 km区Auvk37km，AUV暴露的最大概率提高到0.4，此时突防风险等级较上一级增长1倍，应注意隐蔽，在航路规划时非必舰船科学技术要不要设定AUV穿越目标区域，如果是任务必达区，可考虑降低航速，然后再进行穿越；若区Auv30km，AUV被探测到的概率显著提高，应设定AUV禁止穿越目标区域。当等级处于2 级和3级时，应同时考虑时间、航程、任务类型等诸多因素综合判断。此外，表中风险等级的划分可根据实际情况重新设定。4结语本文建立海岸声呐对AUV探测距离预估模型、海岸声呐对目标探测概率模型，从探测距离及探测概率的角度，研究了海岸声呐对AUV隐蔽突防的影响，给出了声呐探测距离与航速、海况对应变化关系及海岸声呐对AUV探测概率拟合曲线，根据AUV航速、海况、海岸声呐布置位置等重要参数即可预报AUV能被探测到的距离及在不同区域被探测到的概率。由此，34.0-拟合概率曲线25.5一声纳探测区域17.08.530402级3级1717(0,-37(-37,30)&37,&30,370.4ZHANG Dong-jun,LI Xiao,MI Yang.Behavior mechanism禁止穿越equation of submarine acoustic perception based on engage-ment process J.Journal of Military Industry,2020,41(5):958966.5朱理，董博文，王雪仁，等.基于被动声呐方程的水下航行器声学安全态势研究 J.舰船科学技术,2 0 2 1,43(11):90-94.ZHU Li,DONG Bo-wen,WANG Xue-ren,et al.Study onacoustic safety situation of underwater vehicle based on passivesonar equation JJ.Ship Science and Technology,2021,43(11):90-94.6】蕉江浩，王玲，许可，万建伟.用于被动声纳宽带目标检测的多水听器互相关方法 .信号处理,2 0 2 1,37(9)：16 91-17 0 0.LI Jiang-hao,WANG Ling,XU Ke,WAN Jian-wei.Multi hy-drophone cross-correlation method for passive sonar widebandtarget detection JJ.Signal Processing,2021,37(9):1691-1700.7】李登峰,许腾.海军作战运筹分析及应用 M.北京：国防工业出版社,2 0 0 7:16-18.