反潛直升機(jī)搜潛效能分析

2013-09-15 05:13:30崔翰明

直升機(jī)技術(shù) 2013年3期

崔翰明

(海軍駐景德鎮(zhèn)地區(qū)航空軍事代表室，江西景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

反潛戰(zhàn)在各國(guó)海軍海上作戰(zhàn)中具有十分重要的作用，尤其是隨著潛艇朝高速、深潛和低噪聲方向發(fā)展，反潛作戰(zhàn)變得更加困難和復(fù)雜。在各種反潛手段中，直升機(jī)反潛因具有速度快、效率高，受潛艇威脅小的優(yōu)點(diǎn)，受到了世界各國(guó)海軍的重視。目前，世界上最具有代表性的反潛直升機(jī)有美國(guó)的SH-60B“海鷹”、俄羅斯海軍的卡-27/28“蝸牛”、歐洲的 NH90 等［1］。

針對(duì)反潛作戰(zhàn)而言，搜潛裝備的搜潛效能是表示反潛兵力在特定的戰(zhàn)術(shù)背景和作戰(zhàn)對(duì)象等約束條件下，完成搜索發(fā)現(xiàn)潛艇目標(biāo)任務(wù)程度的度量。搜潛效能評(píng)估是通過定量計(jì)算，分析預(yù)測(cè)反潛直升機(jī)運(yùn)用各種搜索手段完成巡邏搜索任務(wù)的程度，目的是提高搜索手段綜合運(yùn)用的效率，為指揮員提供戰(zhàn)術(shù)使用的決策依據(jù)。

本文結(jié)合反潛直升機(jī)所搭載的反潛搜索電子設(shè)備，在詳細(xì)分析雷達(dá)、紅外前視儀、聲納浮標(biāo)、磁探儀和電子支援系統(tǒng)等設(shè)備搜索效能的基礎(chǔ)上，以具體的作戰(zhàn)過程為基礎(chǔ)，針對(duì)應(yīng)召和巡邏兩種典型搜潛方式進(jìn)行了典型組合搜潛方案的效能分析，最后通過仿真分析驗(yàn)證了方法的合理性與可行性。

1 反潛直升機(jī)搜潛設(shè)備性能分析

反潛兵力對(duì)潛艇的搜索任務(wù)主要包括:在指定海域或航道上對(duì)潛艇的搜索，在艦艇編隊(duì)周圍實(shí)施反潛警戒，在其它兵力發(fā)現(xiàn)潛艇的初始位置搜索以及與其它兵力協(xié)同搜索等。無論是執(zhí)行應(yīng)召反潛還是巡邏反潛任務(wù)，航空反潛的基本過程是搜索、探測(cè)、識(shí)別、定位、跟蹤和攻擊。執(zhí)行反潛作戰(zhàn)任務(wù)時(shí)，反潛直升機(jī)在空中飛行，而目標(biāo)處于海水介質(zhì)中，潛艇具有很強(qiáng)的隱蔽性，反潛直升機(jī)在作戰(zhàn)海域上空飛行的大部分時(shí)間都是用于搜索和探測(cè)，因此搜索是航空反潛行動(dòng)的重要一環(huán)。

現(xiàn)代反潛直升機(jī)一般裝有雷達(dá)、紅外前視儀、聲納浮標(biāo)、磁探儀等搜索設(shè)備。由于潛艇的特點(diǎn)，聲納浮標(biāo)成為搜潛最主要的設(shè)備和手段。

潛艇的主要航行狀態(tài)包括水面航行狀態(tài)、半潛航行狀、潛望深度航行狀態(tài)以及工作深度航行狀態(tài)。反潛主要針對(duì)潛望深度航行狀態(tài)以及工作深度航行狀態(tài)。

1.1 反潛雷達(dá)搜索能力

使用雷達(dá)進(jìn)行反潛搜索時(shí)，針對(duì)潛望深度航行狀態(tài)，雷達(dá)用于潛望鏡和通氣管基本上呈圓柱狀的簡(jiǎn)單目標(biāo)，目標(biāo)的反射面積可以假定為常數(shù)，恒虛警下目標(biāo)的檢測(cè)概率和雷達(dá)回波信號(hào)的信噪比關(guān)系為［2］:

而雷達(dá)探測(cè)距離與信噪比之間的關(guān)系為:

其中:SNR—信噪比;C—雷達(dá)性能參數(shù)，對(duì)確定的某型雷達(dá)為常數(shù);σ—目標(biāo)反射面積;Pd—檢測(cè)概率;Pf—虛警概率，一般為常數(shù)。

對(duì)于運(yùn)動(dòng)潛艇的雷達(dá)發(fā)現(xiàn)概率為:

式中:PR為雷達(dá)發(fā)現(xiàn)敵潛艇的概率;S0為雷達(dá)進(jìn)行系統(tǒng)搜索的面積;S為可能存在敵方潛艇的海域面積:D0為雷達(dá)發(fā)現(xiàn)潛艇艇體、通氣管、潛望鏡的距離:Vf為雷達(dá)搜索時(shí)的飛行速度;T為雷達(dá)搜索時(shí)間。

上述方法同樣適用于電子支援系統(tǒng)的搜索概率分析，不同之處在于電子支援系統(tǒng)和雷達(dá)對(duì)于進(jìn)入作用距離之內(nèi)的目標(biāo)，其信噪比改善不同，從而導(dǎo)致目標(biāo)被發(fā)現(xiàn)的概率不同。

1.2 紅外前視儀(可見光)反潛搜索能力

紅外前視儀可以通過探測(cè)潛艇艇體、通氣管、潛望鏡等進(jìn)行反潛搜索。遠(yuǎn)距離時(shí)，這些潛艇的特征在紅外前視儀圖像中表現(xiàn)為一個(gè)點(diǎn)狀目標(biāo)信息。因此可以采用點(diǎn)目標(biāo)的相關(guān)方法進(jìn)行反潛搜索能力的研究。

通常用假設(shè)H1代表目標(biāo)存在的情況，用假設(shè)H0代表目標(biāo)不存在的情況，設(shè)z為單幀圖像的一個(gè)觀測(cè)值。假設(shè)圖像的背景噪聲為高斯白噪聲，則二元假設(shè)可描述為:

式中:m1為目標(biāo)信號(hào)幅值與背景噪聲均值之和，m0為背景噪聲的均值。η是均值為0、標(biāo)準(zhǔn)差為σ的高斯分布白噪聲。單幀觀測(cè)圖像中每個(gè)像素點(diǎn)的概率密度函數(shù)為:

根據(jù)信號(hào)檢測(cè)理論，平穩(wěn)正態(tài)噪聲條件下，單幀檢測(cè)門限為t時(shí)，單幀檢測(cè)概率Pd和單幀虛警概率Pf分別為:

其中:u和σ分別為噪聲的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，SNR為信噪比。Φ(·)為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)。而單幀檢測(cè)概率、單幀虛警概率和信噪比之間的關(guān)系為:

在典型環(huán)境條件下，紅外探測(cè)距離與圖像信噪比之間存在如下關(guān)系［3］:

其中:C(t)—目標(biāo)光譜輻射功率;a—大氣衰減系數(shù);β—系統(tǒng)增益。紅外光譜測(cè)距由于系統(tǒng)增益和大氣衰減系統(tǒng)在不同的天氣情況下為非常數(shù)，因此距離直接估算的精度較低，而激光輔助測(cè)距則是目前常用的手段。

當(dāng)紅外前視儀相對(duì)目標(biāo)距離比較近的時(shí)候，目標(biāo)呈現(xiàn)形狀信息，可以采用面目標(biāo)識(shí)別概率進(jìn)行潛艇目標(biāo)的反潛搜索能力描述。實(shí)際情況是，當(dāng)反潛直升機(jī)接近潛艇時(shí)，潛艇將潛入水下，面目標(biāo)識(shí)別的情況比較少。

1.3 磁探儀反潛搜索能力

我國(guó)領(lǐng)海大部分為淺海區(qū)，淺海不利的聲環(huán)境對(duì)探測(cè)安靜型潛艇的聲納浮標(biāo)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。但渾濁海水不影響氦光泵磁探儀的探測(cè)靈敏度，采用磁探儀探測(cè)安靜型潛艇是一種有效的方法。當(dāng)潛艇出現(xiàn)時(shí)，潛艇自身的磁異常將引起地磁場(chǎng)的擾動(dòng)，通過檢測(cè)這種微弱的磁異常擾動(dòng)可以對(duì)潛艇進(jìn)行檢測(cè)和監(jiān)視［4］。

反潛直升機(jī)在H(km)高度飛行，潛艇在h(km)深度航行時(shí)，磁探儀的搜索寬度為:

其中:dcty(km)—磁探儀發(fā)現(xiàn)潛艇的距離。磁探儀搜索效率為:

其中:psb為磁探儀識(shí)別潛艇概率;vm—潛艇速度;vfj—反潛直升機(jī)搜索速度。

則應(yīng)召搜索發(fā)現(xiàn)概率為:

其中:n—反潛機(jī)數(shù)量;tss—搜索時(shí)間;Syz—應(yīng)召搜索海區(qū)面積。

巡邏搜索發(fā)現(xiàn)概率為:

其中:L(km)為巡邏線長(zhǎng)度，且潛艇航向垂直于巡邏線方向。

1.4 聲納浮標(biāo)搜索能力

直升機(jī)使用聲納進(jìn)行離散搜索，放下聲納天線和起飛更換地方依次替換進(jìn)行。離散搜索一個(gè)循環(huán)包括放下天線、搜索、收起天線和飛向下一地點(diǎn)。

tz—離散搜索一個(gè)周期所用時(shí)間;tf—放下天線所用時(shí)間;ts—搜索時(shí)間;tn—收起天線所用時(shí)間;th—飛向下一地點(diǎn)所用時(shí)間。

直升機(jī)每次懸停的搜索面積為:其中:dB—直升機(jī)聲納的作用距離。

在這個(gè)區(qū)域內(nèi)保證發(fā)現(xiàn)潛艇的概率等于接觸概率。因此，一架直升機(jī)的搜索效率為:

其中:Pk—接觸概率。

而直升機(jī)群的搜索效率為:

1.5 無線電聲納浮標(biāo)搜索效率

當(dāng)浮標(biāo)運(yùn)行正常時(shí)，進(jìn)入浮標(biāo)作用區(qū)的潛艇被發(fā)現(xiàn)的概率等于接觸概率。而浮標(biāo)的覆蓋范圍則是增大發(fā)現(xiàn)的可能性，針對(duì)應(yīng)召搜索的海域Syz，則潛艇進(jìn)入浮標(biāo)作用區(qū)域的可能性為:其中:Nσ—浮標(biāo)數(shù)量;S0—單個(gè)浮標(biāo)的作用面積;vσ—浮標(biāo)的速度;tσ—值班時(shí)浮標(biāo)工作的持續(xù)時(shí)問(或監(jiān)視持續(xù)的時(shí)間)。

整體搜索效率為:

2 反潛直升機(jī)搜潛的效能分析模型

2.1 搜潛效能評(píng)估指標(biāo)的選取

裝備效能是在規(guī)定的條件下達(dá)到預(yù)期目標(biāo)的能力，是裝備達(dá)到其任務(wù)目標(biāo)程度的一種度量。所選擇的指標(biāo)應(yīng)該能夠反映武器系統(tǒng)實(shí)際性能可達(dá)到的程度，能夠通過比較指標(biāo)大小判定系統(tǒng)之間效能的高低。其次，所選擇的效能指標(biāo)應(yīng)該是系統(tǒng)效能的增函數(shù)，也就是說指標(biāo)越大，系統(tǒng)效能越高。同時(shí)還應(yīng)該遵循敏感性原則和可觀測(cè)性原則，即效能參數(shù)的變化能夠直接影響到系統(tǒng)效能數(shù)量的變化，并且這種變化是可以被觀測(cè)到的。

顯然，對(duì)于反潛作戰(zhàn)中潛艇位置和運(yùn)動(dòng)參數(shù)存在隨機(jī)性的搜潛任務(wù)，效能指標(biāo)應(yīng)選擇具有概率性質(zhì)的數(shù)字特征來表示，通常用發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的概率—搜索概率指標(biāo)來反映反潛直升機(jī)的搜潛效能。

另外，對(duì)于巡邏警戒反潛任務(wù)，由于沒有確切的搜索目標(biāo)或更多的目標(biāo)信息，效能指標(biāo)還可以選用單位時(shí)間內(nèi)搜索面積的大小和覆蓋指定搜索海域的平均搜索時(shí)間來衡量。

搜索概率取決于目標(biāo)散布的規(guī)律和大小、搜索的方式、有效作用距離、反潛直升機(jī)的巡邏飛行速度等因素，這些因素對(duì)于不同的搜索手段是有區(qū)別的，例如對(duì)于聲納浮標(biāo)還與投放浮標(biāo)的數(shù)量及監(jiān)視的持續(xù)時(shí)間(工作時(shí)間)等有關(guān)。搜索效率取決于搜索指定海域的大小，以及上述同樣的其它有關(guān)因素。

2.2 反潛直升機(jī)搜潛流程

反潛直升機(jī)在近海海域巡邏未發(fā)現(xiàn)潛艇跡象之前，首先采用雷達(dá)、紅外、電子支援系統(tǒng)對(duì)海面上處于潛望鏡狀態(tài)或通氣管狀態(tài)航行的潛艇進(jìn)行搜索。當(dāng)發(fā)現(xiàn)和確認(rèn)海面有潛艇航行的跡象時(shí)，或通過數(shù)據(jù)鏈通道獲得在某海域發(fā)現(xiàn)潛艇的信息時(shí)，反潛直升機(jī)應(yīng)立即飛往目標(biāo)上空，指揮員要求聲納浮標(biāo)系統(tǒng)操作員進(jìn)入搜索狀態(tài)，首先投放溫度深度和海洋噪聲浮標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，也可以調(diào)出數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)的作戰(zhàn)海域水文數(shù)據(jù)。根據(jù)測(cè)量或查詢結(jié)果選擇聲納浮標(biāo)工作深度，確定搜潛浮標(biāo)布陣間距，然后布設(shè)被動(dòng)全向聲納浮標(biāo)搜索陣。典型的浮標(biāo)陣包括5、7或9枚浮標(biāo)組成的圓形搜索陣、16枚浮標(biāo)組成的方形搜索陣，以及若干浮標(biāo)布成的直線(弧線)攔截陣等。浮標(biāo)陣布設(shè)完畢，直升機(jī)在浮標(biāo)陣區(qū)域上空巡邏飛行，監(jiān)視和等待目標(biāo)信號(hào)。聲納浮標(biāo)探測(cè)的噪聲信號(hào)經(jīng)過聲信號(hào)處理機(jī)處理后，獲得目標(biāo)噪音特征。聲納員通過監(jiān)聽潛艇噪聲也可以進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別。

經(jīng)識(shí)別確認(rèn)存在潛艇后，馬上進(jìn)行對(duì)潛艇的定位。定位方法包括利用4枚被動(dòng)全向聲納浮標(biāo)進(jìn)行低頻分析與定位，雙曲線定位或相關(guān)分析處理定位，被動(dòng)定向聲納浮標(biāo)的定向分析與記錄定位，主動(dòng)全向聲納浮標(biāo)的主動(dòng)定位等。在目標(biāo)己初步定位的條件下，可利用磁探儀進(jìn)一步對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別和精確定位。在目標(biāo)范圍比較明確時(shí)，也可直接使用磁探儀進(jìn)行搜索和定位。

圖1 反潛直升機(jī)搜潛流程

2.3 反潛直升機(jī)搜潛的組合方案

在實(shí)施反潛作戰(zhàn)任務(wù)的過程當(dāng)中，指揮員面臨的信息量很大，需要根據(jù)不斷變化的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)，頻繁地與任務(wù)機(jī)組人員溝通，及時(shí)做出正確的決定。

1)巡邏反潛

巡邏搜潛時(shí)在指定的海域內(nèi)是否存在潛艇是不確定的，其它兵力在某片海域內(nèi)發(fā)現(xiàn)過潛艇也不盡能提供概略位置點(diǎn)的信息(也就是說潛艇可能均勻地出現(xiàn)在指定海域內(nèi)每一個(gè)位置點(diǎn)上)，需要運(yùn)用搜索手段檢查排除或確認(rèn)。

研究航空搜潛模式是典型的搜索尋優(yōu)問題。從搜索的基本模式來看，搜索可以分為最優(yōu)搜索和隨機(jī)搜索。所謂最優(yōu)搜索就是根據(jù)目標(biāo)的分布規(guī)律，在一定的搜索力約束條件下，尋求一個(gè)搜索計(jì)劃或路線，使得發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的概率最大或時(shí)間最省;而隨機(jī)搜索是搜索率在搜索區(qū)域中是均勻分布的，搜索的路線是隨機(jī)的。

當(dāng)潛艇分布未知的情況下，一般采用扇形搜索路線，其基本組成單元為巡邏閉合線搜索。具體的搜潛組合為:遠(yuǎn)距離時(shí)采用雷達(dá)進(jìn)行目標(biāo)(含潛望鏡和通氣管)檢測(cè)，如果發(fā)現(xiàn)目標(biāo)則降低高度通過紅外和機(jī)載磁探儀進(jìn)行搜索確認(rèn)，確認(rèn)目標(biāo)后轉(zhuǎn)入聲納搜索狀態(tài)。因此其搜潛概率為:

2)應(yīng)召反潛

從執(zhí)行反潛任務(wù)前有或無潛艇位置和運(yùn)動(dòng)初始信息來看，應(yīng)召搜潛時(shí)在指定的海域內(nèi)某一時(shí)刻概略位置上存在過潛艇的活動(dòng)，但由于潛艇活動(dòng)的隨機(jī)性，潛艇的當(dāng)前位置呈一定的分布，使得反潛兵力到達(dá)搜索區(qū)域后，需要再次搜索定位:

反潛直升機(jī)機(jī)根據(jù)命令飛到指定海域，首先通過應(yīng)召預(yù)報(bào)點(diǎn)，以一定的搜索半徑作圓周搜索，其搜索圓半徑為潛艇速度與反潛直升機(jī)延遲時(shí)間的積。若未發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，則采用擴(kuò)大或者縮小搜索半徑的方法繼續(xù)搜索，即采用螺旋搜索。

具體搜潛組合為:根據(jù)數(shù)據(jù)鏈的指令到達(dá)應(yīng)召預(yù)報(bào)點(diǎn)上空，通過磁探儀對(duì)預(yù)報(bào)區(qū)域進(jìn)行探測(cè)，在此基礎(chǔ)上確定潛艇的可能性與可能位置，然后投放聲納浮標(biāo)進(jìn)行精確定位。因此應(yīng)召搜潛的概率為:

3 搜索概率仿真

3.1 仿真環(huán)境假設(shè)

1)總體假設(shè):反潛機(jī)航渡及搜索時(shí)飛行速度相同且保持不變;潛艇運(yùn)動(dòng)時(shí)，速度大小不變，且在［Vdl，Vdh］內(nèi)均勻分布。

2)巡邏搜索假設(shè):潛艇初始點(diǎn)位于距離巡邏線長(zhǎng)度為L(zhǎng)且與巡邏線平行的任意點(diǎn)上(L長(zhǎng)度能保證在探測(cè)期間，潛艇一定能夠穿越探索區(qū))，潛艇運(yùn)動(dòng)方向垂直于巡邏線。

3)應(yīng)召搜索假設(shè):當(dāng)其他兵力發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，命令反潛機(jī)前去搜索，潛艇開始逃跑時(shí)，開始計(jì)時(shí);潛艇逃跑的初始航向在360°內(nèi)服從均勻分布，且在逃跑過程中保持不變;定義潛艇初始位置與目標(biāo)散布中心的距離為矢量:該距離偏北時(shí)為正，否則為負(fù)，假設(shè)其服從正態(tài)分布;潛艇初始方位服從360°上的均勻分布。

3.2 結(jié)果與比較

1)巡邏搜索仿真與分析

模擬條件如下:巡邏線長(zhǎng)度50km，巡邏時(shí)間3h，飛行速度120km/h，飛行高度50m;磁探儀探測(cè)300m，可靠性0.9，深度100m，每次搜索時(shí)間 2min，接觸概率為0.05%，浮標(biāo)作用距離為700m，可以獲得搜索概率與潛艇速度的關(guān)系如圖2所示，直升機(jī)數(shù)量與搜索概率的關(guān)系如圖3所示。

當(dāng)4架巡邏直升機(jī)編隊(duì)，并假定潛艇潛望深度航行狀態(tài)，雷達(dá)和紅外的檢測(cè)概率為0.5，并假定3架飛機(jī)檢測(cè)到潛艇的潛望鏡，則總的巡邏搜索效能如圖4所示。

2)應(yīng)召搜索仿真與分析

假設(shè)搜索時(shí)間1h，飛行速度120km/h，飛行高度50m，磁探儀探測(cè) 300m，可靠性0.9，深度100m，應(yīng)召搜索海區(qū)面積:30*30km2。接觸概率為0.1%，浮標(biāo)正常運(yùn)行概率為 0.9，作用范圍為6 km2，可以獲得直升機(jī)數(shù)量與搜索概率的關(guān)系如圖5所示，搜索概率與浮標(biāo)數(shù)量的關(guān)系如圖6所示。