0 引　言

鱼雷的探测性能是指以该平台为载体的鱼雷自导系统在特定海洋环境下对作战目标的探测距离。鱼雷自导系统接收到的目标回波受目标声散射特性和海洋环境传播特性影响较大, 不同海洋环境下自导作用距离会出现较大起伏^{[1 − 3]}。由于海洋环境的复杂性和多变性，鱼雷装备的探测能力受到诸如季节、海区位置、海水深度、海底地质等诸多因素的影响，对探测造成了不确定性^[4]。尤其是在浅海环境下，鱼雷自导探测能力受水文环境、海底地形影响极大，作用距离随工作深度变化会产生较大差异^{[5 − 7]}。

当前，现役鱼雷自导系统只实现声信号发射、接收、目标检测、目标参数估计等基本的测距和定向功能，尚未与水声信道及海洋环境参数等建立联系，既不能实时测量与感知海洋信道及环境条件的变化，更谈不上有效利用海洋水声信道的特性、自动匹配海洋环境的变化等环境适应性应用。我国鱼雷对海洋环境的匹配性和自适应能力明显不足，战技性能受环境条件影响大，难以一直保持稳定的战技性能状态，已成为当前影响我国鱼雷复杂战场环境下实际作战性能的最大风险点^[8]。在水下作战中，准确、有效地预估鱼雷自导作用距离, 对于鱼雷探测能力评估、作战规划、作战参数优化具有重要意义。

为了提高鱼雷自导环境适应性和鱼雷实际作战性能，本文研究了影响鱼雷自导探测能力的主要因素，建立了鱼雷自导作用距离预估模型，提出了鱼雷工作深度选择方法，通过仿真分析和鱼雷装备实航试验结果分析验证了作用距离模型的准确性。

1 水声信道传播模型

在“水声传播问题”中，有2种不同的基本理论，即射线理论和波动理论。其中，波动理论通常用于低频、远场以及某些特定场区，例如声影区。由于波动理论在使用方面存在着一定的局限性，所以在“近场”与“高频”的条件下，射线理论更容易使用。在射线理论中，声波能量在空间中沿着特定路径向外传播^[9]。通常将声波能量的传播方向称为声线，声波在同一时刻所到达的几何面称为波阵面。

对于鱼雷自导系统来说，其作用距离可满足“近场”条件，其工作频率可满足“高频”条件，所以采用射线理论进行水声信道传播特性分析可行。波束追踪（Bellhop）中最常用的一种射线模型声场计算方法，它通过高斯束追踪方法来计算垂直方向声速非均匀分布环境下的声场强度分布^[10]。

圆柱坐标系下的标准射线方程为：

$ \frac{{\mathrm{d}}}{{{\mathrm{d}}s}}\left( {\frac{1}{{c\left( {r,z} \right)}}\frac{{{\mathrm{d}}r}}{{{\mathrm{d}}s}}} \right) = - \frac{1}{{{c^2}\left( {r,z} \right)}}\nabla c\left( {r,z} \right) 。$

(1)

式中：$ r = r(s) $为弧长的函数；$ c(r,z) $为声速。波束的宽度和曲率定义为：

$ \frac{{{\mathrm{d}}q}}{{{\mathrm{d}}s}} = c\left( s \right)p\left( s \right)，$

(2)

$ \frac{{{\mathrm{d}}p}}{{{\mathrm{d}}s}} = - \frac{{{c_{nn}}}}{{{c^2}\left( s \right)}}q\left( s \right)。$

(3)

波束定义为：

$ \begin{gathered} u\left( {s,n} \right) = A\sqrt {{{c\left( s \right)} \mathord{\left/ {\vphantom {{c\left( s \right)} {\left[ {rq\left( s \right)} \right]}}} \right. } {\left[ {rq\left( s \right)} \right]}}} \times \\ \exp \left( { - i\omega \left\{ {\tau \left( s \right) + 0.5\left[ {{{\left[ {p\left( s \right)} \right]} \mathord{\left/ {\vphantom {{\left[ {p\left( s \right)} \right]} {q\left( s \right)}}} \right. } {q\left( s \right)}}} \right]{n^2}} \right\}} \right) ，\end{gathered} $

(4)

加入初始条件后，可以求得波束场：

$ \begin{split} u\left( {{\alpha _0}} \right) =& \sum {\delta \alpha } \left( {\frac{1}{{{c_0}}}} \right)\exp \left( {\frac{{i{\text{π}}}}{4}} \right)\sqrt {{{q\left( 0 \right)\omega \cos \alpha } \mathord{\left/ {\vphantom {{q\left( 0 \right)\omega \cos \alpha } {2{\text{π}} }}} \right. } {2{\text{π}} }}} \times \\ & \sqrt {\frac{{c\left( s \right)}}{{rq\left( s \right)}}} \exp \left\{ { - i\omega \left[ {\tau + 0.5\left( {\frac{p}{q}} \right){n^2}} \right]} \right\} 。\end{split} $

(5)

利用Bellhop算法可得到声线图，以及每根声线所携带的时延、幅度衰减系数、相位变化量等信息^[11]。

2 作用距离预估模型

在水下作战中，鱼雷自导系统的探测能力受海洋环境的影响较大，具有较强的时变和空变特性。影响鱼雷自导作用距离的因素主要包括：1）鱼雷装备自身特性（发射源级、噪声级和波形参数等）；2）目标特性（目标声散射特性、目标声辐射特性和目标强度等）；3）水声信道传播特性（传播衰减、信号畸变、混响干扰等）。

根据这些影响因素建立鱼雷自导作用距离预估模型，系统模型如图1所示。装备自身特性主要包括发射功率、工作频率、发射波形、接收指向性、检测域等参数，这些参数一般为系统设计参数，其变化不大，可通过系统设计或实际测量获得；目标特性主要包括目标声散射特性、目标声辐射特性以及目标强度等，可根据几种典型的目标特性来近似；传播特性主要包括传播衰减、畸变、干扰因素，它与声速梯度、工作深度、海区位置、海底参数密切相关，可根据实测声速梯度和实际工作环境参数，并利用射线声学理论来计算传播特性。

根据背景干扰来源不同，主动自导方程可以分为2种情况：

噪声掩蔽时为

$ SL- 2TL + TS = NL - DI + DT ，$

(6)

混响掩蔽时为

$ SL- 2TL + TS = RL + DT。$

(7)

式中：SL为声源级，鱼雷自导系统的声源级可通过该系统的设计指标或水池测试结果获得。TL为传播损失，为准确预估自导作用距离，这里采用实测水文数据，通过声场计算的方法来获得不同距离的传播损失。TS为目标强度，对于鱼雷自导系统来说，目标类型、目标结构、攻击舷角的改变，都会导致目标强度发生较大变化^[10]。NL为噪声级，噪声级与鱼雷航行速度和鱼雷航行深度相关，不同鱼雷型号的噪声级可通过实航试验测试获得。RL为混响级，它与发射声源级和海底海面的散射强度相关，预估作用距离时，可利用实航试验中获得的混响测量结果来估计。DI为接收机指向性指数，表示了接收基阵对各项同性噪声的拟制能力，其结果可通过自导系统水池试验获得。根据目标速度不同，定义检测余量DE：

检测高速目标时为

$ DE = (SL- 2TL + TS) - (NL - DI + DT) ，$

(8)

检测低速目标时为

$ DE = (SL- 2TL + TS) - (RL + DT) 。$

(9)

当DE>0时，表明自导可以检测到目标。因此，可计算不同距离的DE，满足DE>0条件的最远距离可作为自导作用距离。

对于特定装备的鱼雷自导系统来说，SL、NL、RL、DI都可通过测量获得，目标的TS值可根据攻击舷角取经验值，TL值根据实测水文环境数据利用Bellhop模型来计算。获得以上参数，便可求解鱼雷自导方程得到不同距离上的DE值，从而预估自导作用距离。

3 鱼雷工作深度选择方法

传统的鱼雷工作深度选择方法只考虑典型目标深度和海区深度，未考虑水文环境的影响，显然不合理。当前，我国鱼雷武器在大量部队试验和海战演习中暴露出的一个突出问题就是，随着不同海域和海洋环境的变化，鱼雷自导性能存在较大差异，鱼雷发现、跟踪和命中目标的各项重要指标并不十分稳定。受海洋水文环境影响，鱼雷自导不同工作深度下作用距离存在较大差异^{[12 − 14]}。因此，合理选择鱼雷工作深度，可提高鱼雷自导环境适应性。

基于作用距离预估模型，遍历不同工作深度下的作用距离预估结果，可选取作用距离预估结果最大值对应的深度作为推荐工作深度。实际使用时，考虑到水文环境的时变特性，选取工作深度时须对不同深度的作用距离预估结果进行平滑处理后，再选取最大值。

4 分析验证 4.1 模型有效性分析 4.1.1 仿真分析

为了验证鱼雷自导作用距离预估模型的有效性，采用某鱼雷自导系统作为参试产品，构建鱼雷自导半实物仿真试验系统，完成小舷角、大舷角、迎击、追击、正横等不同攻击态势检测性能试验，以及良好水文、一般水文、恶劣水文等不同水文环境检测性能试验。根据仿真试验结果对作用距离预估模型的有效性进行评估。鱼雷仿真试验结果及作用距离预估结果如表1所示。为了便于比较，对作用距离进行归一化处理，将自导检测的最大作用距离定义为1000。

设自导系统实际检测的作用距离为d，预估作用距离为r，则预估准确度$ \sigma $定义为：

$ \sigma = 1 - \left| {d - r} \right|/d。$

(10)

根据不同攻击态势仿真试验结果和预估结果对比可知，自导作用距离预估模型的平均准确度为82.9%。

根据不同水文条件下仿真试验结果和预估结果对比可知，自导作用距离预估模型的平均准确度为88.3%。

4.1.2 试验验证

为了进一步验证自导作用距离预估模型的准确性，采用某型鱼雷自导系统产品在外场试验中的试验结果进行对比分析。试验区域为我国南海海域，分别在深海和浅海开展了4次实航试验。试验内容及试验结果如表3所示。

根据4条次实航试验结果和预估结果对比可知，自导作用距离预估模型的平均准确性为76.7%。

综上分析，仿真试验中自导作用距离预估模型的准确度大于82.9%，实航试验中自导作用距离预估模型的准确度约为76.7%，可满足实际使用需求。

4.2 作战效能评估

选择某典型水文数据进行鱼雷自导作用距离预估，水文结果如图2所示。假设目标深度和鱼雷搜索深度均为100 m，这里通过对比默认工作深度和推荐工作深度下的自导作用距离预估结果，进行效能评估。图3和图4分别为Bellhop射线模型计算得到的声线和声场分布结果。

基于声场分布结果，利用自导作用距离预估模型，可计算得到鱼雷自导系统的检测余量如图5所示。

根据作用距离预估结果可知，鱼雷和目标均在100 m深度时，作用距离预估结果为1 100 m，具体如图6所示。目标在100 m深度，鱼雷在不同深度时的作用距离预估结果如图7所示。根据不同深度预估结果可知，当鱼雷搜索深度为80 m时，自导作用距离最远，达到1 300 m。

根据上述对比结果可知，采用目标深度作为搜索深度时，作用距离预估结果为1 100 m，而软件推荐的鱼雷搜索深度下作用距离1 300 m，作用距离提高约为18%。

5 结　语

本文针对鱼雷自导作用距离受海洋环境影响较大问题，建立了基于水文环境和装备特性的鱼雷自导作用距离预估模型，可根据实测水文数据、目标类型以及鱼雷工作参数预估自导系统的作用距离，并给出建议的鱼雷搜索深度，为鱼雷探测能力评估、作战规划、作战参数选择等提供依据，通过选择最优的作战参数可有效提高鱼雷作战能力。通过仿真和试验结果对比分析，作用距离预估模型准确度可满足实际使用需求，根据水文环境调整鱼雷搜索深度可有效提高鱼雷自导作用距离。