潛射魚雷類型識別證據的作用機理

陳顏輝, 洪 浩

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潛射魚雷類型識別證據的作用機理

陳顏輝1, 2, 洪 浩1

(1. 江蘇自動化研究所, 江蘇 連云港, 222006; 2. 海軍潛艇學院 科研部, 山東 青島, 266071)

對來襲魚雷制導類型的識別是水面艦艇實施有針對性魚雷防御的前提條件, 證據的提取與分析則是構建魚雷類型識別系統的基本要素。立足于戰技特征層信息, 從來襲魚雷的自身特征著手提煉出4個證據, 從作戰海區環境著手提煉出3個證據, 從戰場態勢信息著手提煉出6個證據, 詳細分析了這些證據對潛射魚雷制導類型識別的影響原理, 并對證據融合方法進行了概述。分析結果能夠為客觀描述證據的基本概率賦值提供重要的理論支撐, 旨在有效推動潛射魚雷類型識別系統的實用化進程。

魚雷; 潛艇; 水面艦艇防御; 目標識別; 證據

0 引言

潛射魚雷按制導類型一般可分為直航、聲自導、尾流自導和線導魚雷4種, 為了對抗不同類型來襲魚雷, 水面艦艇設計有不同的對抗器材和規避策略。但是, 如何才能有效識別來襲魚雷制導類型并采取有針對性的防御措施, 這是制約水面艦艇防御魚雷效能提高的重要瓶頸。下面從目標、環境和態勢3類戰技特征層信息著手, 詳細分析不同證據對潛射魚雷類型識別的影響機理, 從而為客觀構造證據的基本概率賦值(或隸屬函數)奠定理論基礎, 推動潛射魚雷類型識別系統的實用化進程。

1 目標特征證據

現代水面艦艇主要通過聲納探測方式獲取水下目標的特征信息, 從聲納聽測和頻譜分析中有可能直接讀取的信息包括目標螺旋槳的頻率、周期、脈寬、轉速以及音色、主機類型等6種。以這些信息為基礎, 可以進一步提煉出以下4個特征信息用于魚雷類型識別。

1) 魚雷質量級別

現代潛射魚雷可分為重型、中型和輕型3種。傳統自導魚雷或直航魚雷射程較近, 燃料裝量較少、彈體小、質量輕; 線導魚雷則是在自導魚雷基礎上增加了導線收放裝置, 而且由于射程大幅增加, 燃料裝量多、動力裝置大, 故多為重型魚雷。盡管通過聲納聽測和頻譜分析無法準確獲取魚雷精確質量, 但按照大、中、小3個級別進行分類仍具備模糊識別的可能。

不考慮發射艇將線導魚雷作為自導魚雷或直航魚雷使用的情況, 若水面艦艇判斷來襲魚雷為重型魚雷, 則屬于線導魚雷的可能性大一些; 如判斷為中型或輕型魚雷, 則屬于非線導魚雷的可能性大一些。

2) 航速變化次數

為提高魚雷與目標的相遇概率, 潛射直航魚雷發射出管并進入穩定航行狀態后, 會始終沿著解算并設定好的航向保持勻速直航, 在命中目標或航程耗盡前, 直航魚雷航行狀態一般不會再發生變化。

潛射聲自導魚雷大多設計為雙速制。魚雷在自導搜索段一般采取低速接敵, 或者先取高速接敵, 抵達預計目標散布區之后再采取低速接敵, 這樣可以獲得較大的自導探測距離, 在確認自導捕獲目標時再轉為高速追擊。尾流自導魚雷在自導搜索段一般采取高速接敵, 捕獲目標尾流之前航速通常不會發生變化。

線導魚雷航行狀態由發射艇實時控制, 彈道初始段通常保持低速航行, 以避免干擾潛艇聲納對目標的跟蹤。進入正常導引狀態后, 潛艇會視情調整魚雷航速, 一些常用的導引方法, 如間斷控制雷速導引法, 會在低速和高速之間多次交替[1]。

魚雷航速變化形成的非連續噪聲有可能在噪聲頻譜上表現出來。水面艦艇可根據累積發生次數判斷魚雷屬于不同制導類型的隸屬度, 例如探測到一次航速變化的非連續噪聲, 則可確定該枚魚雷不應為直航魚雷, 如探測到數次航速變化的非連續噪聲, 則該枚魚雷很可能為線導魚雷。

3) 動力裝置類型

電動力魚雷有利于保持發射艇和魚雷的隱蔽性, 也有利于魚雷聲自導裝置探測目標, 最初多用于聲自導魚雷, 目前一些線導魚雷也采取電動力。熱動力魚雷分為老式熱動力(如蒸汽瓦斯動力)和新型熱動力(如奧拓燃料、過氧化氫), 早期直航魚雷大多采用蒸汽瓦斯動力, 航速快, 但噪聲大、航跡明顯, 這種魚雷在1982年英阿馬島戰爭中還曾使用, 目前在世界上個別國家中可能還有裝備[2]。新型熱動力魚雷兼具航速快、噪聲小、無航跡的特點, 目前采用新型熱動力的魚雷均為線導魚雷。魚雷的動力裝置類型可以從目標噪聲音色方面判斷出來。

不考慮發射艇將線導魚雷、自導魚雷用作直航魚雷使用的情況, 若水面艦艇聽測來襲魚雷采用新型熱動力, 則為線導魚雷的可能性大一些; 如聽測來襲魚雷采用老式熱動力, 則為直航魚雷可能性大一些。

4) 主動探測脈沖

現代具有聲自導探測裝置的潛射反艦魚雷多采用主被動聯合制導方式攻擊目標, 為保持攻擊的隱蔽性, 反艦魚雷通常首先采取被動探測方式攻擊目標, 當接近目標散布區域或者被動自導裝置發現目標后, 魚雷再發射主動探測脈沖進一步確認。水面艦艇的魚雷報警裝置探測到來襲魚雷的主動探測脈沖信號時, 則可判斷該魚雷應為聲自導魚雷或者線導+聲自導魚雷, 而非直航魚雷或尾流自導魚雷。

水面艦艇在收集和利用以上4個證據信息時, 往往處于非常緊迫的戰場態勢, 獲取難度較大, 或無法滿足某些證據(如航速變化次數)信息積累的時限性要求。但在實際對抗中, 這類信息通過水聲探測手段仍具備獲取可能性, 在不影響魚雷防御組織的情況下, 水面艦艇可有意識地加強觀察和收集, 并作為魚雷制導類型識別模型的輸入。

2 環境特征證據

海區環境信息對不同類型魚雷或魚雷不同制導方式的作戰使用也有明顯影響, 也可以成為證據的信息來源。綜合分析世界上典型潛射反艦魚雷自導機制、導引方式和戰術性能, 從海區戰場環境中提煉出可用于判斷來襲魚雷制導類型的證據有以下3個。

1) 水文條件

潛射魚雷的聲自導裝置主要是針對目標水聲場展開探測的, 作戰海域的水文條件會對目標水聲場構成較大影響, 進而影響到不同類型魚雷的作戰選擇與使用。就聲自導魚雷而言, 其自導裝置探測距離在很大程度上取決于作戰海區的水文條件, 如果海區負梯度較大, 魚雷自導裝置的作用距離會明顯縮短, 夏季嚴重的負梯度甚至會使聲自導魚雷失去作為自導魚雷射擊的意義[3]。

2) 海況等級

不同類型魚雷可能適用的海況等級也是不同的。對于聲自導魚雷, 當海況等級較高時, 環境本底噪聲會嚴重遮蓋目標噪聲, 使得聲自導裝置作用距離變得很小。對于尾流自導魚雷, 當風浪較大時, 目標艦船的尾流邊界在風浪的攪拌作用下會變得模糊不清, 可供探測的有效尾流長度也會變短, 甚至造成尾流自導裝置無法正常工作。在這種惡劣海況下實施魚雷攻擊時, 潛艇或者按照自導作用距離較小的條件設定魚雷彈道參數, 或者選擇直航方式或線導方式實施攻擊。

3) 海區深度

若魚雷出管后仍與潛艇處于同一深度航行, 必會影響潛艇的航行安全, 因此要求魚雷發射出管后往往都有個下沉尋深過程, 重型魚雷下沉幅度會大一些。另外, 線導魚雷發射出管后, 若潛艇采取的是發射管內固定線團放線裝置, 則導線的金屬護管將隨著魚雷向前航行而被拉伸并自然下垂, 垂幅數十米; 若采取的是發射管外拖曳線團放線裝置, 則拖曳式線團的下沉幅度會更大一些[4]。為了防止導線護管或拖曳線團觸及海底而導致斷線, 要求潛艇實施線導魚雷攻擊時艇體以下有更大的深度余量。若再考慮到不同類型潛艇航行時都有安全深度要求, 則在靠近大陸架的淺海海區, 水面艦艇受到敵潛艇——特別是核潛艇線導魚雷攻擊的可能會小的多。

以上3個證據均屬于蘊含了魚雷制導類型的海區環境信息, 是潛艇在選用不同類型魚雷攻擊時所要考慮的重要因素。這類信息的獲取不存在態勢緊迫性問題, 而且具有預測功能。但是, 這種取自于環境信息的證據置信度相對較弱, 而且在環境特征不具備時就會失去利用價值, 例如水面艦艇在水文梯度和海況條件良好時的大洋深海航行, 則無法利用這類信息進行判斷。

3 態勢特征證據

戰場態勢是潛艇確定魚雷攻擊方式時的重要考慮因素, 有時甚至起決定性作用。通常所說的戰場態勢涉及內容廣泛, 這里主要是指與來襲魚雷類型有關的平臺信息和武器信息。從戰場態勢信息中提煉出可用于判斷來襲魚雷制導類型的證據有以下6個。

1) 本艦航行速度

有試驗表明, 聲自導魚雷航速每增加4 kn, 探測距離就會減少1/2, 因此在自導搜索狀態下的航速不會設置過高, 這就使得聲自導魚雷難以在較大舷角攻擊高速行駛的水面艦艇。被動聲自導魚雷受背景噪聲和檢測門限的制約, 難以有效探測錨泊或系泊狀態的水面艦艇。水面艦艇采取8 kn以下低速航行時有效尾流較短[2], 不利于潛射尾流自導魚雷識別和攻擊。

潛艇導引線導魚雷的前提是其探測聲納能夠對目標噪聲保持連續跟蹤, 對低速航行或處于停車狀態的水面艦艇, 會因為目標噪聲過小或沒有噪聲而無法通過聲納以線導方式導引魚雷。

分析可知, 水面艦艇處于不同航行狀態時受不同制導魚雷攻擊的可能性也是不同的, 但這種影響效果在實際應用中還應結合艦艇噸位、吃水深度等因素綜合判斷。

2) 曲折機動頻度

潛艇發射自導魚雷或直航魚雷攻擊水面艦艇時, 需要提前解算出目標的運動要素, 再依據目標運動要素解算并裝定魚雷射擊參數。

目標的運動要素可通過潛望鏡、主動聲納或主動雷達等探測器材獲取, 但這些暴露性探測器材會嚴重破壞潛艇的隱蔽性。鑒于此, 現代潛艇越來越強調提高隱蔽攻擊的能力, 尤其是通過聲納被動探測方式求解目標運動要素能力, 其中純方位法是最常見的一種被動解算算法, 但是存在收斂時間長、難以適用于機動目標等問題。線導魚雷則可由發射艇實時控制導引, 具備攻擊機動航行目標的能力。

因此, 當水面艦艇在航行過程中頻繁采取變速或變向機動時, 受潛射線導魚雷攻擊的可能性會大一些, 受潛射自導魚雷攻擊的可能性會小一些, 受潛射直航魚雷攻擊的可能性會更小。

3) 潛艇攻擊征兆

攻擊征兆是指水面艦艇收集到來自敵潛艇魚雷攻擊前的主動性和暴露性探測信息, 例如潛艇的主動聲納信息、主動雷達信息以及潛望狀態觀察時的艇體特征信息等等。

當潛艇發射自導魚雷或直航魚雷攻擊目標時, 由于采取純方位法被動解算目標運動要素的收斂時間長、解算誤差大, 有時甚至無法滿足攻擊要求, 為能快速準確地實施魚雷攻擊, 發射艇也可能會采用這些主動性和暴露性的探測手段獲取目標運動要素。另外在攻擊處于錨泊狀態的水面艦艇時, 潛艇也只能通過主動性和暴露性探測手段進行目標定位。

潛射線導魚雷在估測目標大概距離的基礎上, 只需利用目標方位信息就能實施攻擊, 無需精確求解目標運動要素, 故潛艇發射線導魚雷時一般不會再冒險使用主動性和暴露性手段探測目標信息。

可以推知, 若水面艦艇在發現魚雷報警前, 曾經探測到敵潛艇的主動聲納信息、主動雷達信息或潛望鏡信息, 則來襲魚雷一般應為自導魚雷或者直航魚雷, 而非線導魚雷。

4) 魚雷射擊距離

直航魚雷命中概率較低, 往往要求潛艇射擊時不能距離目標過遠。魚雷出管后有個加速、尋深的非穩定航行段, 這段距離內使用直航魚雷攻擊一般會受到較大限制。

自導魚雷可覆蓋較大范圍的目標散布, 且發射艇為了確保隱蔽攻擊, 會盡可能選擇較遠陣位實施射擊。聲自導魚雷出管后同樣具有一段非穩定航行過程, 為避免魚雷聲自導裝置開機后誤導向本艇, 魚雷設定有幾百米到近千米的自導管制航程(航行幾十秒)。根據攻擊目標舷角可以推算魚雷在自導管制航程內的射擊距離, 在小于這一距離范圍內, 可以認為潛艇無法使用魚雷以聲自導方式攻擊目標。

對于線導魚雷而言, 只要滿足極限射距要求的條件下, 攻擊距離取決于發射艇的聲納探測距離, 因此能在更遠的距離上實施射擊。線導魚雷也同樣存在較大的射距近界, 一般不會攻擊近界以內的水面目標, 這不單是為了避免魚雷誤傷本艇, 更由于導引線導魚雷時發射艇機動受限嚴重, 戰術態勢往往不允許潛艇在較近距離實施導引攻擊。

根據發射距離的近界或遠界差異, 可以描述來襲魚雷屬于不同制導類型的隸屬度。但魚雷初始射距一般很難獲取, 這里主要考慮魚雷報警聲納有時可以探測到潛射魚雷出管瞬間的非連續噪聲信息, 利用這一信息可以大概估測魚雷發射時的初始距離范圍, 故仍將魚雷射擊距離作為判斷證據予以保留。

5) 魚雷齊射數量

從以往戰例分析, 潛艇在正常情況下射擊直航魚雷時, 通常會一次扇面齊射3枚以上魚雷, 即以數量優勢彌補直航魚雷單枚遮攔概率的不足。

自導魚雷能夠覆蓋較大的目標位置散布, 潛艇通常會組織單雷射擊, 也可能組織2枚魚雷實施扇面射擊或平行航向射擊。但從目前國際上主流觀點分析, 潛艇對同一目標組織3枚或3枚以上自導魚雷齊射攻擊的可能性很小。

線導魚雷的命中概率更高, 潛艇一般采取單雷射擊為主, 對同一目標實施多枚線導魚雷齊射攻擊的可能性很小, 但不排除潛艇同時導引多枚線導魚雷攻擊多艘艦艇的可能。

因此, 當水面艦艇發現來襲數量為1枚時, 并不能區分是線導魚雷還是自導魚雷, 但正常態勢下可排除是直航魚雷的可能。若確認來襲魚雷數量>2枚時, 則可以排除是線導魚雷的可能。這一證據也具有累積效應, 最初探測到1枚魚雷來襲, 隨著距離接近可能識別為多枚魚雷, 則對魚雷類型識別效果會形成較大甚至顛覆性的影響, 這與信息的積累效應以及專家思維過程是一致的, 并非自相矛盾。

6) 魚雷攻擊舷角

分析以往戰例以及潛射魚雷射擊理論, 可以發現不同制導類型魚雷具有不同的有利攻擊舷角范圍。直航魚雷一般選擇在50o~120o目標舷角陣位抵近射擊, 并盡量避開目標艏艉較大或較小舷角的射擊陣位。聲自導魚雷一般采用20o~120o之間目標舷角實施射擊。尾流自導魚雷射擊一般要確保魚雷以30o~150o夾角進入目標尾流。線導魚雷的命中概率理論上不受目標舷角的約束, 只要滿足基本的射擊要求即可實施攻擊[2]。可見, 對于從不同舷角入射的來襲魚雷, 屬于不同類型魚雷的隸屬度也是有所不同, 特別在艏艉方向入射的魚雷, 正常情況下為直航魚雷或尾流自導魚雷的可能很小。

以上6個證據均屬于戰場態勢信息。潛艇攻擊征兆、魚雷齊射數量等證據的置信度較強, 有時利用某個證據甚至可以唯一確定來襲魚雷的制導類型。本艦航行速度和機動頻度等證據雖然置信度相對較弱, 但有較強的預測性效果。

4 結束語

分析以上13個證據對魚雷類型識別的作用機理可知, 其中有些證據能夠得到確定性結論, 有些得到不確定性結論; 有些證據從肯定角度提供支持, 有些從否定角度提供支持; 每種證據的置信度權重不同, 可獲取性難易也各不相同。在實際運用這些證據判斷來襲魚雷制導類型時, 需要首先進行基本概率賦值(或構造隸屬函數), 再引入某種融合算法進行證據合成。證據合成過程中需要注意的是: 并非要求以上13個證據全部獲取后再進行合成, 而是獲取多少就合成多少, 獲取不到的證據無需參加合成; 同時還要注意, 證據的累積性可能導致后一時刻的合成結果推翻前一時刻結果, 這并非自相矛盾, 而是與人員思維過程相符的。

文獻[5]和文獻[6]以Dempster-Shafer證據理論為例探討了魚雷類型識別的證據融算法設計和仿真建模, 按照同樣推導過程也可以采用灰色系統理論、模糊集理論等其他不確定性方法進行嘗試, 篇幅所限, 這里對融合算法不做詳細探討。事實上, 無論采取哪種融合算法進行合成, 根據證據作用機理進行基本概率賦值(或構造隸屬函數)都是一項核心工作, 需要結合專家經驗和仿真反饋不斷加以修正, 而隨著魚雷性能的日益改進以及新概念魚雷的不斷問世, 證據的作用機理本身也需要不斷地更新和維護, 這樣才能使魚雷類型識別系統的輸出結果保持較高的可信度。

[1] 張宇文. 魚雷彈道與彈道設計[M]. 西安: 西北工業大學出版社, 1999.

[2] 傅英, 王建平, 李凡. 國外海軍魚雷裝備[M]. 北京: 海潮出版社, 2007.

[3] 趙正業. 潛艇火控原理[M]. 北京: 國防工業出版社, 2003.

[4] 李建辰, 王立文, 高卓, 等. 魚雷定位技術[M]. 北京: 國防工業出版社, 2009.

[5] 陳顏輝, 趙曉哲, 黃文斌. 潛射魚雷類型識別系統建模與數值仿真[J]. 彈道學報, 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] 黃文斌, 陳顏輝, 薛昌友. 來襲魚雷類型識別指標提取與算法設計. 南京理工大學學報, 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.

陳顏輝(1975-), 男, 博士, 高工, 研究方向為水面艦艇反潛和魚雷防御.

(責任編輯: 許 妍)