0 引　言

鱼雷为当前用于攻击水下潜艇的唯一兵器。水声对抗技术的核心即是潜艇和鱼雷之间的对抗。当鱼雷来袭被探测时，潜艇常用的反击手段包括硬杀伤手段和软杀伤手段。前者一般指使用反鱼雷击毁来袭鱼雷；而后者通常针对来袭鱼雷的自导系统，使得其不能正常工作，其工作原理是利用强脉冲阻塞鱼雷攻击自导系统中的声呐接收机，使其无法通过主动或被动模式探测我目标。水下等离子体声源^[1-3]，高能量密度、发射参数可变，多个声源可集束发射，可增强声信号强度，也称电火花声源。鉴于该特点，这类声源被引入用于水下声对抗中，通过对敌潜艇、鱼雷等的声呐系统实施强对抗干扰，形成干扰、压制、毁伤等打击效果 ^[4]，应介于上述2种杀伤手段之间。此类声源在国外已有系列化产品推出，如Geo_Resources B.V.公司的GEO-SPARKTM200电火花声源系统^[5]，法国SIG公司和英国Geopulse公司也有相关产品^[6]。国内有关单位也均在研制同类产品，并都已有初样。

当多个水下等离子体声源集束发射时，声源级可达260 dB，在短时间内对目标进行连续多次的打击下可导致目标的铁质材料变形，相较于一般的硬杀伤武器更为方便。除此之外，由于强干扰，鱼雷自导系统会丢失目标信号，其接收机进入阻塞状态，需数秒才能恢复。因此，当来袭鱼雷位置较远而难以对其进行毁伤时，可利用高能量的聚束声波对来袭鱼雷进行强声干扰，进而达到软杀伤的目的。

当水下等离子体声源没有对远距离目标进行干扰和毁伤时，可通过检测其脉冲声源的回波来进行主动目标定位。对于快速运动目标，主动目标定位常采用宽带短脉冲的形式^[8-9]，等离子体声源很好地满足了这一要求。本文针对等离子体声源展开研究，并以脉冲信号为水下回波定位信号，分别进行舷侧11元阵和三子阵^[10]的信号处理仿真，给出水下等离子体声源的主动目标定位性能（包括作用距离和定位精度等），从而验证该技术的可行性和有效性。

1 等离子体声源脉冲声波

作为一种高强度低频大带宽的水下脉冲声源，等离子体声源的频谱将会随着脉冲宽度的变化而不同，同时其低频谱级通常比高频谱级要高很多。图1为等离子体声源脉冲声波的仿真结果。图2为某次实测的等离子体声源脉冲声信号及其频谱。实测信号的脉冲宽度为70 μm，本文采用仿真信号的脉冲宽度为50 μm。

2 信混比、信噪比的估算

首先讨论混响对主动定位的干扰。通过对不同距离时的信噪比与信混比进行理论计算，从而直观了解系统输出信噪比。

计算混响级的公式如下：

$ RL = S L - 40\lg r + {S_b} + 10\lg \left( {r{\textit{Φ}} \frac{{c\tau }}{2}} \right)。$

(1)

式中：SL为主动发射源级，Φ为归一化指向性角度，c为声速，r为距离，τ为脉冲宽度。一般情况下，海底混响强度比海面混响高出一个量级，因此只考虑海底混响，令s_b=−25+10lgsin²θ为海底散射系数，θ为声线掠射角。

定义回波级如下：

$ EL = S L - 40\lg r + {T_s}。$

(2)

则信混比可表示为：

$ SRR = EL - RL = {T_s} - {S_b} + 10\lg \left( {r{\textit{Φ}} \frac{{c\tau }}{2}} \right)。$

(3)

实测等离子体声源脉冲声源级260 dB的功率谱如图2（b）所示，50 kHz以内功率谱是平坦的，50 kHz内功率谱线性减小。考虑基阵孔径以及传播损失，利用1～20 kHz带宽信号进行主动定位，计算得该带内源级为SL = 253 dB（谱级为210 dB）。

假设三级海况海洋环境，1 kHz处噪声谱级为65 dB，按照每倍频程6 dB衰减，可得频带内总噪声级为95 dB，如图3所示。再假设目标强度T_s=−15 dB，考虑声吸收损失为10⁻³ dB/m，发射和接收深度为20 m，单通道发射-单水听器接收模式下，分别计算信混比、混响级、信混噪比以及信噪比等随海深变化曲线，如图4所示。

通过仿真分析可得，对于0.75～3 km范围内的主动定位，限制定位性能的因素主要是信噪比。当输出信噪比大于15 dB时，脉冲回波检测可达较高检测率与较低虚警率。如图4所示，海深200 m以内的定位距离可达1.2 km以上。

3 目标定位信号处理模型

使用如图1所示的仿真信号进行目标定位仿真，舷侧三子阵接收。每子阵由11元等间距阵元组成，仿真海深为100 m。声源深度为20 m，声源和被测目标在同一水平面内。

若采用平面波，根据图5（a）计算声波到达I号、II号水听器的声程差为$ D\sin \theta /c $，$ D\approx0.5\text{ m} $。而采用球面波，计算$ r_1 - r_2 $的球面波声程差，如图5（b）所示，误差在10⁻¹⁰ s量级，可得采用平面波代替球面波仿真有效。

如图6所示，接收信号的频率发生变化时，其波束形成后的波束宽度也会不同，因而可抗0.3 kHz以上的混响。对图中曲线数值积分，可得利用指向性可提高信混比5.5 dB，并假设平台噪声比环境噪声高5 dB。

舷侧三子阵的波束形成^[10]按图7的处理流程进行。先进行3个子阵的常规波束形成，再将所得脉冲方位-时间按照式（4）叠加。以中间子阵$ {t_2} $、$ {\theta _2} $为空时基准，叠加第一子阵的$ {t_1} $、$ {\theta _1} $和第三子阵的$ {t_3} $、$ {\theta _3} $，叠加后得到全阵的波束形成输出结果。其中，L为三元阵的阵元间距。

θ₁和t₁与θ₂、t₂的关系为：

$\left\{ \begin{aligned} {\theta _1} = & {\rm{arcsin}}\frac{{2{L} + {t_2}c{\rm{sin}}{\theta _2}}}{{\sqrt {4{L^2} + {t_2}^2{c^2} + 4L{t_2}c{\rm{sin}}{\theta _2}} }}{\rm{,}}\\ {t_1} = & \frac{{\sqrt {{L^2} + \displaystyle\frac{{{t_2}^2{c^2}}}{4} + L{t_2}c{\rm{sin}}{\theta _2}} + \displaystyle\frac{{{t_2}c}}{2}}}{c} = \\ & \frac{{\sqrt {4{L^2} + {t_2}^2{c^2} + 4L{t_2}c{\rm{sin}}{\theta _2}} + {t_2}c}}{{2c}}。\end{aligned} \right.$

(4)

θ₃和t₃与θ₂、t₂的关系为：

$ \left\{ \begin{aligned} {\theta _3} = & - {\rm{arcsin}}\frac{{2{L} + {t_2}c{\rm{sin}}{\theta _2}}}{{\sqrt {4{L^2} + {t_2}^2{c^2} + 4L{t_2}c{\rm{sin}}{\theta _2}} }}{\rm{,}}\\ {t_3} = &\frac{{\sqrt {{L^2} + \displaystyle\frac{{{t_2}^2{c^2}}}{4} + L{t_2}c{\rm{sin}}{\theta _2}} + \displaystyle\frac{{{t_2}c}}{2}}}{c} = \\ & \frac{{\sqrt {4{L^2} + {t_2}^2{c^2} + 4L{t_2}c{\rm{sin}}{\theta _2}} + {t_2}c}}{{2c}}。\end{aligned} \right.$

(5)

分别仿真r=1000 m和r=2 000 m的情况，信号总长为300 μm，其余参数不变，得到方位历程图与方位谱图的仿真结果如图8所示。图9为全阵仿真输出，对比分析可得全阵比单子阵有更高的处理增益，并具备虚假峰、噪声等的抑制能力。r=2 000 m时，子阵和全阵仿真结果如图10和图11所示。

对比图8～图11可知，11元子阵在r=2 000 m时已不能进行有效定位，全阵在r=2 000 m仍可有效定位，仿真两者的定位精度与作用距离的关系。

4 目标定位精度仿真

信号总长为300 μs，因此当测距精度结果达到0.04 m认定为定位失败。如图12所示，当r=1 000 m时，11元阵的测向精度约为0.8°，测距精度约为1.4×10⁻³ m，三子阵的测向精度约为0.5，测距精度约为0.8×10⁻³ m。如图13和图14所示，11元阵的作用距离约为1400 m，而三子阵的作用距离为2000 m左右。

5 结　语

水下等离子体声源作为一种大功率冲击脉冲声源，工作时可利用目标回波的峰值检测来实现主动目标定位，本文建立了相应的定位模型并通过仿真研究了不同距离的定位精度。通过仿真验证了利用水下等离子体声源产生的脉冲声波，作为主动目标定位信号的可行性；为满足水下对抗需求，后续可通过提高单声源的源级、采用多源时控聚焦发射、增大接收基阵孔径等方式不断提高其定位的作用距离。