鱼雷主动隐蔽探测技术可行性研究

吴亚军，卢丁丁

（海军装备部，陕西 西安，710075）

鱼雷主动隐蔽探测技术可行性研究

吴亚军，卢丁丁

（海军装备部，陕西 西安，710075）

为了探讨鱼雷主动隐蔽探测技术的可行性及实现途径，建立了由自导接收机模型、侦察接收机模型以及水声信道模型构成的低截获自导系统模型。在此基础上，对鱼雷主动隐蔽探测的性能进行了理论分析和仿真评估，给出了鱼雷主动隐蔽探测距离的预报。最后，从大时间带宽积信号的生成和处理两方面进行了鱼雷主动隐蔽探测的可行性分析，提出了采用主动连续波自导来实现鱼雷主动隐蔽探测的技术途径，为鱼雷主动隐蔽探测的工程实现提供依据。

鱼雷自导系统； 主动隐蔽探测； 低截获； 主动连续波

0　引言

随着潜艇隐身技术和水声对抗技术的发展，主动声呐越来越受到重视。为了提高主动声呐的隐蔽性，雷达使用的低截获（low probability of intercept，LPI）技术被引入到声呐界。1983年，J.R. Forest首次提出了LPI雷达方程［1］。目前，LPI技术在雷达领域已用于实际装备［2］。

上世纪90年代起，LPI技术被逐步引入主动声呐研究领域中，借助研究隐蔽的主动自导系统（concealed active homing system，CAHS）［3］实现鱼雷主动声自导方式下的隐蔽攻击。该研究主要将宽带、扩频和伪随机信号等主动隐蔽性信号的设计使用作为一种LPI的探测措施，探讨其作用范围和性能。2004年，P.Willett等人对LPI主动声呐性能进行了分析，并得出初步结论: 由于受水声信道影响，声呐大时间带宽积难以增大，在高斯噪声背景下，声呐低截获性难以实现［4］。国内学者近年来也在LPI主动声呐［5-7］及鱼雷主动隐蔽探测［8-9］方面进行了初步研究，但大都集中在对主动声呐LPI性的定性分析，及主动隐蔽探测信号设计方面。基于此，文中建立了完整的LPI自导系统模型，并通过计算机仿真对LPI自导系统性能进行定量分析与评估，结合自导系统实际情况，探讨鱼雷主动隐蔽探测技术的可行性。

1　LPI自导系统模型

鱼雷、潜艇及侦察声呐三者的相对位置如图1所示。以鱼雷作为参考，则潜艇位于鱼雷发射波束主瓣，侦察声呐通常位于鱼雷发射波束的旁瓣； 而对于鱼雷报警声呐来说，侦察声呐与潜艇在同一位置，也位于鱼雷发射波束主瓣。下面分别给出鱼雷LPI自导接收机模型、侦察接收机模型、水声信道模型以及截获概率因子模型。

图1　鱼雷隐蔽探测战场态势图Fig. 1　Battlefield situation of torpedo concealed detection

1.1LPI自导接收机模型

适用于鱼雷主动隐蔽探测的主要信号形式为大时间带宽积的伪随机编码信号［1-9］，此类信号的最佳检测器为匹配滤波器［10］，即

由式（1）可见，匹配滤波器与副本相关积分器是等效的，在实际应用中一般采用多个尺度副本（覆盖可能的最大多普勒范围）进行相关处理，然后选取最大值与门限比较，从而确定有无目标，其模型框图如图2所示。

匹配滤波器的处理增益

式中: T为信号时宽； B为信号带宽。

1.2侦察接收机模型

由于LPI自导发射的信号为宽带伪随机编码信号，侦察接收机没有相应的先验信息，其信号处理的最佳方式为滤波后的能量检测器，并且已证明，在高斯背景下，最佳的能量检测器为平方律检测器，其模型框图如图3所示。

图2　低截获（LPI）自导接收机模型（尺度副本相关器）Fig. 2　The receiver model of low probability of intercept（LPI） homing system（scaled copy correlator）

图3　侦察接收机模型（平方律检测器）Fig. 3 The receiver model of reconnaissance system（square law detector）

平方律检测器的处理增益

式中: T为积分时间； ˆτ是噪声的等效相关时间，且

其中，ρu（τ）为噪声的自相关系数。

1.3信道模型

浅水信道比深水信道更有利于鱼雷的主动隐蔽探测［4］。浅水信道情况下，由于上下界面的存在，声波以柱面向外扩展，即声强随距离的反一次方衰减； 而深水信道情况下，上下界面影响小，声波以球面向外扩展，即声强随距离的反平方衰减，更强的信号衰减不利于主动隐蔽探测。相对于加性高斯白噪声（additive white gauss noise，AWGN）来说，非高斯噪声（拖尾噪声）情况下更有利于主动隐蔽探测的实现。原因在于，非高斯噪声情况下平方律检测器的性能恶化远大于匹配滤波器。

综上所述，采用深水信道模型（即球面扩展模型）与AWGN噪声模型，对于鱼雷主动隐蔽探测来说是较为严格的信道条件。

1.4截获概率因子

鱼雷自导被截获的性能可用LPI概率因子来衡量，参照Schleher的雷达LPI因子方程定义［11］，鱼雷自导截获概率因子也可定义为

式中: RI为水下侦察接收机能够发现自导发射信号的最大距离； RT为鱼雷自导探测目标的最大距离。

通常，将α＜1的自导系统称为LPI概率自导系统，LPI概率自导的作用距离大于水下侦察接收机的作用距离，即RT＞RI，满足这个条件时，鱼雷可实现真正意义上的主动隐蔽探测。

根据声呐方程，侦察接收机的优质因素为

式中，TL（RI）为传播损失。其中: RI是水下侦察接收机的作用距离； SLI为声源级； NLI为环境噪声级； GSI为空间增益； GTI为时间增益；DTI为检测阈。

同理，可得自导接收机的优质因素为

式中: TST为目标强度； NLT为自导自噪声级； GST为自导接受机接受指向性指数； 其余参数与侦察接收机的优质因素表示式中参数的含义相同。

假设SLT=SLI，NLT=NLI，再由DTT=10lg（d），DTI=5lg（d），d为检测指数，且自导接收机与侦察接收机的检测指数相同，可将上式简化为

式中:ΔGS=（GST-2GSI）； ΔGT=（GTT-2GTI），GTI=5lg （T）。当积分时间T与噪声相关时间相等时，增益为零，对于侦察接收机来说是性能最差的情况； 当积分时间T与发射信号脉宽相同，噪声相关时间为发射信号带宽的倒数时，对于侦察接收机来说是性能最好的情况。实际情况下，侦察接收机无法获得发射信号的脉宽与带宽等参数，不能实现最佳匹配，因此性能介于两者之间，并且倾向于最差情况。

2　鱼雷主动隐蔽探测性能仿真与评估

由式（9）可得，鱼雷实现主动隐蔽探测时所需的声源级应满足

假设自导工作中心频率为30 kHz，目标强度TST= 12 dB，鱼雷自导自噪声级与环境噪声级相当，且NLI= 50 dB，自导接收机接收指向性指数GST=20 dB，ΔGS分别取20，30和40 dB。假设系统检测允许的虚警概率为0.1%，检测概率为90%，并根据AWGN噪声假设，可以计算出检测指数d = 19.27。分别对侦察接收机性能最差和最好2种情况进行讨论。

侦察接收机性能最差时，发射源级应满足

再由式（9）可得，TL（RT）≤TST+10lg（2BT ）-5lg（d）+（ΔGS+GST）/2，由此可以计算出鱼雷主动隐蔽探测的最远作用距离。图4给出了不同ΔGS取值下，允许的最大发射源级SLT、优质因素FOMT信号时间带宽积BT之间的关系曲线。其中，GST=20 dB，ΔGS=30 dB时的最远隐蔽探测距离与BT的对应关系见表1。

在实际工程应用情况下，ΔGS取30 dB是合理可行的（旁瓣截获），由图4（a）可知，此时所需的最大声源级不超过135 dB。由表1可知，鱼雷主动隐蔽探测的最远作用距离不超过1 600 m。

表1　侦察接收机性能最差时最远隐蔽探测距离与时间带宽积对应表Table 1　The relation between the largest concealed detection range and the time-bandwidth product in the worst reconnaissance receiver performance case

侦察接收机性能最好情况下，同理可得

由此可计算出鱼雷主动隐蔽探测的最远作用距离。

图4　侦察接收机性能最差情况下的探测性能Fig. 4　The detection performance in the worst reconnaissance receiver performance case

图5给出了不同ΔGS取值下，允许的最大发射源级SLT、优质因素FOMT信号时间带宽积BT之间的关系曲线。其中，GST=20 dB，ΔGS=30 dB时的最远隐蔽探测距离与BT的对应关系见表2。由图5（a）可知，ΔGS取30 dB时，所需的最大声源级不超过115 dB。由表2可知，鱼雷主动隐蔽探测的最远作用距离不超过400 m。

图5　侦察接收机性能最好情况下的探测性能Fig. 5　The detection performance in the best reconnaissance receiver performance case

表2　侦察接收机性能最好时最远隐蔽探测距离与时间带宽积对应表Table 2　The relation between the largest concealed detection range and the time-bandwidth product in the best reconnaissance receiver performance case

3　可行性分析

由仿真分析可知，实现鱼雷主动隐蔽探测的关键就是采用大时间带宽积信号所获取的相干处理增益，通常所需的时间带宽积成千上万。从大时间带宽积信号的生成和处理2方面进行鱼雷主动隐蔽探测的可行性分析。以BT = 4 000的信号产生与处理为例，对于1 000 m左右的探测距离，自导工作周期一般在1～2 s之间，信号脉宽一般在100～200 ms之间，信道相干带宽在几百赫兹到几千赫兹，若采用传统的脉冲工作体制，则需要信号的带宽在20～40 kHz之间，在鱼雷自导频段内产生带宽如此之宽的信号是非常困难的，并且信道的相干带宽是有限的，经信道传输后，相干检测的失配很大，不能获取理想的相干处理增益； 若采用编码脉冲串工作体制，如最简单的FM脉冲串，则需要由10个脉宽200 ms带宽2 kHz的FM脉冲组成，脉冲串总长2 s，即占空比100%，虽为连续波发射，但是所需的发射源级很低（不大于135 dB），因此发射机是可承受的。

由上述的分析可见，鱼雷主动隐蔽探测的可行性取决于鱼雷主动连续波自导技术的可行性，鱼雷主动连续波自导可采用编码脉冲串、均匀宽波束发射静态多波束接收，以及功率管理等措施来实现。

4　结束语

文中通过建立自导接收机模型、侦察接收机模型以及信道模型构成了LPI自导系统模型，在此基础上，对鱼雷主动隐蔽探测的性能进行了理论分析和仿真评估，最后从大时间带宽积信号的生成和处理两个方面进行了鱼雷主动隐蔽探测的可行性分析，得出了要实现鱼雷主动隐蔽探测必需突破鱼雷主动连续波自导技术的结论。目前，国内外主动连续波声呐在水声工程领域的应用研究较少，下一步将重点开展此项技术研究。

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（责任编辑: 杨力军）

Study on Feasibility of Torpedo Active Concealed Detection Technology

WU Ya-jun，LU Ding-ding
（Xi′an Representative Bureau，Naval Armament Department，Xi′an 710054，China）

To discuss the feasibility and realization of torpedo active concealed detection technology，a model of low probability of intercept（LPI） homing system are established，including a model of homing receiver，a model of reconnaissance receiver and a model of underwater acoustic channel. Then theoretical analysis and simulation evaluation on the performance of torpedo active concealed detection are performed，and forecasting of torpedo active concealed detection range is given. In addition，feasibility analysis of torpedo active concealed detection is carried out from the aspects of the generation and process of large time-bandwidth product signal，and technical route for realizing the torpedo active concealed detection through active continuous wave homing is proposed，which may provide an approach for engineering implementation of the torpedo active concealed detection.

torpedo homing system； active concealed detection； low probability intercept； active continuous wave

TJ630.34； TB566

A

1673-1948（2015）02-0108-05

2014-10-23；

2014-12-17.

吴亚军（1979-），男，工程师，主要从事鱼雷科研和生产的管理工作.