主動聲自導應用于魚雷反艦的可用性分析

何心怡，陳　菁，高　賀，盧　軍

（海軍裝備研究院，北京，100161）

主動聲自導應用于魚雷反艦的可用性分析

何心怡，陳菁，高賀，盧軍

（海軍裝備研究院，北京，100161）

針對主動聲自導應用于魚雷反艦的可用性問題，文中在深入分析魚雷反艦作戰面臨的作戰環境與作戰對象的基礎上，提出了主動聲自導不宜作為主要魚雷反艦自導技術的結論，主要原因有: 1） 躍變層可能導致魚雷發射的聲脈沖信號無法建立起與水面艦船的聲接觸，造成魚雷反艦攻擊失效；2） 水面艦船接收到魚雷報警后的加速規避機動產生的漫反射效應與高輻射噪聲特性，可能導致主動聲自導反艦失的；3） 海面的鏡面反射效應將顯著增大主動聲自導反艦的虛警率。同時根據魚雷反艦作戰需求以及相關技術發展，展望了魚雷反艦自導技術的發展方向。

魚雷；主動聲自導；反艦；可用性

0　引言

西方國家魚雷反艦自導方式多采用被動聲自導，該自導方式優點是隱蔽性強、實現簡便，缺點是自導作用距離依賴于水面艦船輻射噪聲能級，且其抗人工干擾能力較弱［1-4］。俄羅斯魚雷反艦自導方式多采用尾流自導[5], 由于尾流自導探測、追蹤的艦船尾流難以復制, 該自導方式優點是抗人工干擾能力強(一般水聲對抗裝備無法誘騙或干擾尾流自導魚雷)、實現簡便、受水文條件影響小,缺點是因航行深度較淺、采用尾流自導方式的熱動力魚雷容易暴露其航行尾跡, 同時其搜索、追蹤彈道圍繞水面艦船尾流展開, 水面艦船魚雷報警判別來襲魚雷為尾流自導魚雷后容易采取相應的反魚雷措施, 如在尾流中預設硬殺傷反魚雷武器對來襲魚雷實施攔截、水面艦船機動使得尾流交叉等［6-9］。

主動聲自導多用于反潛, 理論上將主動聲自導的預成波束束控于水面方向、將主動聲自導反潛的雙平面聲自導簡化為單平面聲自導, 即可用于檢測水面艦船目標; 同時, 主動聲自導反潛具有不依賴于目標輻射噪聲、易于實現水聲對抗能力, 似乎也為魚雷反艦自導方式指出了另一條發展道路。文中從戰場環境、作戰對象以及自導機理等方面深入分析了主動聲自導應用于魚雷反艦的可用性, 同時,結合魚雷反艦作戰需求, 提出了魚雷反艦自導技術的后續發展建議。

1 主動聲自導應用于魚雷反艦機理

主動聲自導應用于魚雷反艦后，仍可采用主動聲自導方程進行表征［10-11］。

1） 當干擾場以混響為主時

式中: SL為魚雷主動聲自導系統的發射聲源級；TL為傳播損失；RL為混響級；TS為目標強度；DT為魚雷主動聲自導系統的檢測閾。

2） 當干擾場以噪聲為主時

式中: NL為魚雷主動聲自導系統的自噪聲級；DI為接收指向性指數。

當主動聲自導應用于魚雷反艦時, 其自導信號處理機理仍遵循式(1)和式(2)的主動聲自導方程, 僅是將魚雷聲自導的預成波束束控于海面方向, 此時,從聲學探測角度, 可將水面艦船看作沿艦船吃水深度等深航行的體目標, 魚雷聲自導可由反潛時的雙平面聲自導簡化為反艦時的單平面聲自導。也就是說: 僅需采取將魚雷主動聲自導系統的預成波束予以簡化等適應性調整措施, 無需對原魚雷主動聲自導系統進行較大改變, 就可在魚雷主動聲自導的反潛功能基礎上簡化、簡單衍生出魚雷主動聲自導系統的反艦功能。換言之, 考察主動聲自導對于魚雷反艦作戰適用與否, 重點應關注原先主要應用于反潛的主動聲自導是否適應魚雷反艦作戰時面臨的戰場環境與作戰對象。

2 戰場環境與作戰對象對主動聲自導應用于魚雷反艦的影響

2.1戰場環境對主動聲自導應用于魚雷反艦的影響

戰場環境對魚雷聲自導影響主要反映在以聲速梯度為核心的水文條件對魚雷聲自導的影響。戰場環境通過決定聲波傳播進而影響魚雷聲自導,可采用斯奈爾(Snell)定律來分析聲波傳播情況［12］。

可將海洋縱剖面看作由一系列具有一定厚度但相鄰層聲速又互不相同的海水薄層來考慮，如圖 1所示。在層與層之間的交界處，運用斯奈爾定律，即可探究聲線被不斷折射后由直線變為曲線的演變過程［13］

式中: ci為各海水薄層中的聲速，θi為聲波在海水薄層間的掠射角，且i=1，2，3，…。

圖1　聲線折射示意圖Fig.1　Schematic of sound ray refraction

如果聲速隨著深度的增大而持續增大，則聲線最終將在某層界面上被折射至水平狀態，此時cosθ=1，對應的聲速 cv稱為頂點聲速，且有

因此，通過對海洋縱剖面按聲速分層，并且結合式（3）和式（4）可得任何一根聲線的傳播軌跡。

圖 2是等溫層時（此時戰場環境為良好水文條件）聲波傳播情況。可以看出，等溫層時聲波在空間中為直線傳播，并在魚雷波束寬度內均勻分布，此時，航深40 m魚雷發射的聲脈沖信號將抵達位于海面的水面艦船，主動聲自導應用于魚雷反艦將有效探測到水面艦船。

圖2　等溫層時魚雷發射的聲脈沖信號傳播示意圖Fig.2　Schematic of acoustic pulse signal transmitted by torpedo propagating in isothermal layer

然而，等溫層在實際戰場環境中所占比例較小，戰場環境大都為非等溫層（即此時戰場環境為非良好水文條件）。由于陽光至多可抵達海洋100 m水深，而陽光照射情況與海水水層溫度情況緊密相關，同時，海水水層的聲速與水溫呈正相關: 當陽光足夠強時（如夏季或低緯度海區），海洋近海面水層水溫較高且變化較大、聲速也較高；而深度超過100 m水層，水溫恒定在0～4℃ ，聲速較低，因此，導致近海面水層將出現較強的躍變層，超過100 m水深將出現等溫層或弱負梯度層。根據聲波向低聲速區域彎曲的聲傳播效應，海洋存在躍變層時，聲波將向海底彎曲，如圖3所示。

圖3　躍變層時魚雷發射的聲脈沖信號傳播示意圖Fig.3　Schematic of acoustic pulse signal transmitted by torpedo propagating in thermocline

從圖3可看出，30 m以淺海洋表層存在躍變層。右側的聲線軌跡清晰地反映出受聲波向低聲速區域彎曲的物理特性決定，航深40 m魚雷發射的聲脈沖信號最淺只能抵達 18 m水深而無法抵達海面，無法建立起與水面艦船（絕大部分水面艦船的吃水深度不超過10 m，如美國滿載排水量近萬噸的阿利伯克級驅逐艦的吃水深度為 6.3 m左右，滿載排水量在10萬噸左右的尼米茲級航空母艦的吃水深度為 11.3 m左右）的聲接觸，此時主動聲自導應用于魚雷反艦將因無法探測到水面艦船而失效。

魚雷反艦作戰時，魚雷總是處于水面艦船的下方，若海洋表層存在躍變層時，魚雷與水面艦船處于躍變層異側，魚雷主動聲自導發射的聲脈沖無法抵達海面，無法建立起與水面艦船的聲接觸，導致主動聲自導反艦失效。而夏季時各海區均存在較強的躍變層，低緯度海區（如南海的中部與南部）更是常年存在強躍變層，因此，魚雷在此類海區作戰，主動聲自導應用于魚雷反艦面臨著大概率的失效風險。

同樣在圖2和圖3戰場環境中，考察水面艦船輻射噪聲傳播情況，分別如圖4和圖5所示。

圖4　等溫層時水面艦船輻射噪聲傳播示意圖Fig.4　Schematic of surface ship radiated noise propagating in isothermal layer

圖5　躍變層時水面艦船輻射噪聲傳播示意圖Fig.5　Schematic of surface ship radiated noise propagating in thermocline

從圖中可以看出，在躍變層條件下，水面艦船輻射噪聲也彎向海底，但由于魚雷被動聲自導是單向接收水面艦船輻射噪聲，與等溫層時相比，雖然在躍變層條件下被動聲自導作用距離縮短，但魚雷被動聲自導仍能接收到水面艦船輻射噪聲、仍能探測到水面艦船，不會失效。

綜上分析，與被動聲自導相比，若魚雷主動聲自導應用于魚雷反艦，其戰場環境適應性較差，在躍變層條件下容易失效。同樣，尾流自導工作頻率高、作用距離短，受水文條件等戰場環境影響很小。

2.2作戰對象對主動聲自導應用于魚雷反艦的影響

魚雷反艦時攻擊對象大都為巡航速度 15～20 kn、最大航速高于25 kn的水面艦船，且水面艦船可認為是處于魚雷上方、單一深度航行的單平面目標，此時魚雷聲自導可由反潛時的雙平面聲自導簡化為反艦時的單平面聲自導。

一方面，作為魚雷反潛攻擊對象的潛艇，大都為低速潛航狀態（航速通常為 2～8 kn），由于其航速低、航行于水下、海水靜壓大，其艇體周圍一般不存在氣泡，此時，魚雷發射的主動聲脈沖信號撞擊于潛艇上呈現的是剛體反射效應，目標強度較大、回波信號較強。處于錨泊狀態的水面艦船也與低速潛航狀態的潛艇相同，魚雷發射的主動聲脈沖信號撞擊于錨泊狀態的水面艦船上呈現的是剛體反射效應，目標強度較大、回波信號較強。然而，當水面艦船航行時，其與水體接觸區域（包括船底、水線以下船舷部位等）將出現氣泡，并且航速越高，氣泡數量越多、氣泡層越厚，從目標特性角度看，航行狀態水面艦船可看作處于氣泡層包裹中的體目標，此時，魚雷發射的主動聲脈沖信號撞擊于航行狀態水面艦船上呈現的是漫反射效應，目標強度較小、回波信號較弱，并且隨著水面艦船航速的增大，其目標強度不斷減小、回波信號不斷變弱。

另一方面，由于水面艦船航速高、輻射噪聲大，其輻射噪聲對于魚雷主動聲自導而言實質上屬于干擾信號。當魚雷主動聲自導系統的干擾場以噪聲背景為主時，此時，水面艦船航速越高、其輻射噪聲越大，將導致魚雷主動聲自導系統的背景噪聲強度越大，使得魚雷主動聲自導作用距離越小。

由此可見，航行狀態水面艦船的漫反射效應與高輻射噪聲特性，將導致水面艦船航速越高，其目標強度越小、魚雷主動聲自導處的背景噪聲強度越大，魚雷主動聲自導反艦時的自導作用距離越小。

縱觀國外水面艦船魚雷防御戰術［14-16］: 當水面艦船發現來襲魚雷后，大都采用背轉向加速規避機動戰術，即加速機動盡可能遠離來襲魚雷的自導搜索區域，而加速航行的水面艦船造成來襲魚雷的主動聲自導的自導作用距離縮短，很容易導致來襲魚雷主動聲自導因自導作用距離突然縮短而失的。

而水面艦船防御來襲魚雷時的加速機動規避戰術，導致水面艦船輻射噪聲顯著增大、有效尾流長度增長，恰恰為被動聲自導反艦、尾流自導反艦提供了更為有利的目標特性，反而能顯著提高采用被動聲自導或尾流自導魚雷的發現概率與作戰效能；同時，海面的鏡面反射效應是造成魚雷主動聲自導反艦虛警的重要原因，特別是海況等級較低時，海面的鏡面反射效應對聲波的強反射所產生的假回波，容易使得魚雷主動聲自導將海面回波鎖定為目標，虛警率將顯著增大。

綜上分析，與魚雷被動聲自導反艦、尾流自導反艦相比，當水面艦船發現來襲魚雷后采用加速機動規避戰術時，魚雷主動聲自導反艦容易因自導作用距離突然縮短而失的，而且目標航速越高，主動聲自導失的的概率越高；同時，海面的鏡面反射效應將顯著增大主動聲自導反艦的虛警率。

2.3主動聲自導應用于魚雷反艦的可用性分析

由于聲波向低聲速區域彎曲的聲傳播效應屬不可克服的物理效應、加速規避機動是水面艦船最常用的魚雷防御戰術，由此造成的結果是: 若主動聲自導應用于反艦，在躍變層條件下容易失效，在追蹤目標時容易因目標加速機動規避使得目標強度減小、輻射噪聲加大導致主動聲自導反艦失的，同時，海面的鏡面反射效應將顯著增大主動聲自導反艦的虛警率，因此，主動聲自導不宜作為主要的魚雷反艦自導技術。

3 魚雷反艦自導技術發展展望

根據魚雷反艦作戰需求并結合戰場環境與作戰對象分析，魚雷反艦自導技術重點發展方向如下。

1） 為提一步提高被動聲自導反艦的作戰效能，一方面要求被動聲自導工作頻段向低頻、甚低頻延伸，這樣既可提高被動聲自導作用距離，又可利用水面艦船輻射噪聲在低頻、甚低頻內豐富的線譜與調制譜分量，開展相應的魚雷真假目標識別技術研究，提高被動聲自導反艦時的水聲對抗能力［17］；另一方面，鑒于被動聲自導反艦魚雷大多為潛用線導魚雷，應積極探索利用線導回傳的魚雷自導信號、依托發射艇上強大的信號處理能力采用人在回路方式輔助魚雷實施真假目標識別，進一步提高被動聲自導反艦的水聲對抗能力、命中概率與作戰效能。

2） 由于尾流自導魚雷圍繞水面艦船尾流實現追蹤、攻擊水面艦船，其追蹤、攻擊彈道相對固定，使得水面艦船在收到魚雷報警后，易于根據尾流自導魚雷的彈道特性采取有針對性的魚雷防御措施，包括在尾流中預設硬殺傷反魚雷武器對來襲魚雷實施攔截、水面艦船機動使得尾流交叉等。因此，應積極開展尾流自導道魚雷的彈優化工作，降低尾流自導魚雷的被攔截概率。

3） 水面艦船魚雷報警聲吶具有不可克服的探測盲區與低可探測區，因此，應深入開展被動聲自導魚雷、尾流自導魚雷的射擊導引方法研究，使得被動聲自導魚雷、尾流自導魚雷盡早、盡可能遠地進入水面艦船魚雷報警聲吶的探測盲區與低可探測區，提高魚雷的攻擊隱蔽性與作戰效能。

4　結束語

文中針對主動聲自導應用于魚雷反艦的可用性問題，深入分析了魚雷反艦面臨的作戰環境與作戰對象，得出主動聲自導應用于反艦的可用性較差、不宜作為主要的魚雷反艦自導技術的結論，根據魚雷反艦作戰需求并結合相關技術發展，展望了魚雷反艦自導技術的發展方向，可為提高實戰條件下的魚雷作戰能力提供依據。

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（責任編輯: 楊力軍）

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.

國家自然科學基金項目資助（60902071）.

何心怡（1976-），男，高級工程師，博士，主要從事魚雷自導技術、水聲信號處理技術及聲吶與反潛戰仿真技術研究.