国外鱼雷防御问题评述(二)水面舰艇鱼雷防御系统中鱼雷报警纵览

鱼雷防御是从对来袭鱼雷的识别报警开始的,所有鱼雷防御系统的基础是其对鱼雷的检测、分类和定位能力。为了有效地对抗鱼雷攻击,各国海军正在努力提升其声纳的鱼雷目标检测、定位和识别性能。文章对国外鱼雷报警系统的现状和发展趋势进行了分析和评述。鱼雷报警功能可以利用专门的鱼雷报警声纳来实现,也可以集成在一个被动拖线阵里。但通常由一个主被动联合拖曳阵声纳和舰壳声纳构成一个完整的系统,共同完成鱼雷辐射噪声的被动检测、分类和主动回波信号的分析,每个声纳都为鱼雷这个高速小目标的检测定位进行了优化。这样的系统由于可以采用基元数众多长线阵、更好地利用声场条件等,可以实现对鱼雷目标的远距离识别、定位和全方位覆盖。系统部分组成通常也是反潜战能力的组成部分,而将鱼雷检测和水声对抗结合正成为一种新的发展趋势,一些拖曳阵可以作为软杀伤对抗措施欺骗其检测到的鱼雷目标。     

强干扰背景下的鱼雷辐射噪声信号检测方法

常规被动声纳利用宽带波束能量进行目标检测,在低信噪比、强目标干扰情况下,宽带能量检测的性能迅速降低。利用鱼雷辐射噪声信号中含有丰富线谱成分的特点,提出了一种针对鱼雷辐射噪声信号的窄带和宽带联合检测方法。通过对预成波束方向信号的窄带处理和线谱提取,利用特定频段的线谱能量对宽带波束输出进行加权,提高了线谱目标的检测能力。该方法能够有效地抑制非线谱强干扰目标,提高低信噪比信号的检测能力。仿真和海试数据处理结果验证了该方法的有效性。     

基于方位-距离量测的舰艇搜潜定位算法研究

结合舰艇拖曳线列阵声纳实际搜潜装备,利用舰载声纳测得的潜艇目标方位和距离信息,建立了基于目标方位-距离量测的舰艇对潜艇目标定位的数学模型,并对定位误差进行了分析,在该模型基础上,仿真研究了潜艇与舰艇之间的初始距离、舰艇测得潜艇目标初始方位角、潜艇航向等因素对定位性能的影响,给出了仿真结果并进行了分析,仿真结果表明：不同的目标运动态势,对声纳探测定位性能影响很大,因此,根据目标运动态势合理选择声纳的位置和探测方位在一定程度上可提高声纳的探测定位性能.     

二维MUSIC近场被动定位方法

介绍了一种高精度的近场被动定位方法——二维MUSIC被动定位方法。它是一种在距离和方位上进行二维联合搜索的高精度被动定位方法。将MUSIC（多重信号分类）算法与近场聚焦波束形成方法相结合,能大大提高对近场目标的定位精度。先推导了基于均匀线列阵的二维MUSIC近场被动定位方法的定位原理,通过仿真比较了二维MUSIC被动定位方法与常规聚焦波束形成的定位性能,仿真表明,二维MUSIC被动定位方法的定位性能要明显高于常规的聚焦波束形成被动定位方法。并仿真了该方法在不同的阵元间距以及不同的目标距离时的定位性能,验证了该方法的可行性和有效性。     

阵间模基处理被动定位技术研究

随着目标声源级不断减小、环境噪声级不断增大,常规的基于单节点的被动定位方式已经不能满足声纳探测的需求,因此提出一种新的将网络化探测系统和模基处理技术相结合的被动定位方法,可以从空间不同角度对目标进行观察并充分利用环境声场的复杂性对目标进行定位。模基处理方法主要有匹配场处理、匹配模处理等,以匹配场处理为例进行分析,将常规波束形成(Conventional Beamforming, CBF)、自适应波束形成(Minimum Variance Distortionless Response, MVDR)两种匹配场处理器和阵间相干、非相干信号处理方法相结合进行仿真,对单阵和多阵、MVDR和CBF、相干处理和非相干处理、宽带和窄带之间的定位性能进行了对比。仿真结果显示,基于多节点的阵间模基相干处理方式在定位性能上明显优于单节点的模基处理结果。     

单双层壳体潜艇的高频回波特性研究

针对鱼雷主动声自导频段范围内潜艇目标的亮点特征问题,以Benchmark潜艇为模型,利用板块元方法和频率间接法研究了鱼雷自导声纳工作频段范围内,敷设吸声覆盖层前后单、双层壳体潜艇的回波亮点结构特征,对比了不同频率时亮点的差异,分析了敷设吸声材料对潜艇目标亮点结构特征的影响。研究结果表明,双层壳体与单层壳体潜艇回波亮点的区别主要体现在艏艉附近角度,两者在正横附近角度的差别则很小;在潜艇表面敷设的吸声覆盖层对回波亮点抑制作用较大,若鱼雷适当降低自导频段范围内发射信号的频率,潜艇内部结构还是能产生清晰的亮点。     

潜艇规避对被动声纳浮标作战效能的影响

根据被动声纳浮标搜潜的工作过程,对潜艇规避对被动声纳浮标作战效能的影响进行了研究.建立了被动声纳浮标的数学检测模型,利用浅海平滑平均声场理论推导了潜艇深度变化后浮标的探测范围,从检测概率和探测距离两个方面研究了潜艇采用不同规避航速、航深、以及海况对浮标作战效能的影响.仿真结果表明:在一定条件下,潜艇采用合适的规避策略,会显著降低被动声纳浮标的作战效能.     

一种简化的平面阵波束形成方法

0引言波束形成技术是将一个多元阵经适当处理使其对某些空间方向的声波具有所需响应的方法。波束形成技术系统是现代声纳的核心部件,是声纳具有良好的战术、技术性能的基础[1]。平面阵是声纳系统常用的基阵,可以实现对目标的全空间定向,但平面阵二维波束形成运算量较大,在某些小平台上,由于功耗和系统复杂性的限制,希望能在性能没有显著降低的前提下进行简化处理。本文把平面     

噪声干扰器对抗鱼雷的作战效能建模与仿真

根据空投轻型鱼雷反潜的工作过程,对潜艇使用噪声干扰器对抗鱼雷的作战效能进行了仿真研究。建立了水声对抗过程中噪声干扰器、鱼雷、潜艇的对抗模型,讨论了主动声白导鱼雷的探测模型和噪声干扰器的声对抗模型,并进行了仿真,得到了鱼雷可能再次发现目标时的时间节点。结果表明：噪声干扰器的合理使用和潜艇的快速反应可显著降低鱼雷对潜艇的探测性能,这为潜艇指挥员正确使用噪声干扰器、取得好的鱼雷对抗效果提供了参考依据。     

参量阵声纳的新应用分析

介绍了近几年国外参量阵技术在浅海探测声纳、吊放声纳、鱼雷自导声纳、浅海水声通讯等方面的应用进展情况。针对频率为30kHz的线性小目标探测声纳,对原频90kHz、差频30kHz的非线性参量阵进行了性能估算,结果表明,参量阵声纳在高混响背景下探测小目标的性能优于线性声纳。文章还分析了参量阵声纳的新应用所面临的一些技术难点,给出了一种相对简单的宽带参量阵的实现方法。     

多冗余被动定位系统精度分析

针对基于二元矢量传感器浮标的被动式水声定位系统高精度定位区域小的问题,采用增加浮标个数构成具有一定冗余度的测量阵,提高了系统定位精度,并且研究了冗余度对定位精度的影响。文中首先对基于纯方位测量的被动定位技术给出了多基阵解算算法的原理和解算步骤,然后仿真了多种冗余度(6~12个浮标)和不同阵型下的被动定位系统的定位精度。结果显示定位误差分布与测向误差、目标所处位置、阵元个数以及测量阵阵型有关,而且定位误差分布具有对称性。周边浮标组合在阵的中心区域定位精度较高,对角组合可以弥补四边连线附近的低精度区域。该仿真结果在参加的系统海上试验中得到了验证。     

改进的超波束形成算法探讨及性能研究

为进一步提高超波束形成(Hyper Beam Forming,HBF)算法的性能,在传统的HBF基础上提出一种改进的HBF(Improved Hyper Beam Forming,Im-HBF)算法。将基于半阵指向性函数高阶运算修正到基于全阵指向性函数的高阶运算。仿真结果表明,Im-HBF算法具有更窄的主瓣,并且对端射来波信号栅瓣抑制能力更强,进一步提高了对目标的检测能力。同时,Im-HBF算法对指数n具有更为广泛的适用性,当指数n2时也能获得优于常规波束形成(Conventional Beam forming,CBF)的波束性能。     

无方位模糊的非均匀稀疏阵MVDR测向方法

稀疏阵能够获得更大的阵列孔径,但常规波束形成(Conventional Beam-Forming,CBF)对非均匀稀疏阵测向时会出现方位模糊。提出了一种基于最小方差无畸变响应(Minimal Variance Distortionless Response,MVDR)同局部非稀疏的非均匀稀疏阵(Non-Uniform Sparse Array,NUSA)的设计相结合来抑制方位模糊的方法(NUSA+MVDR),对其无方位模糊现象进行了理论分析,表明MVDR这一非线性处理方法对伪峰有很好的抑制能力。针对一种典型的NUSA(Typical NUSA,TNUSA),进行了TNUSA+MVDR数值仿真实验,其结果和理论分析一致,表明:1 MVDR有很强的NUSA检测能力,在所给仿真条件下,等效阵元间距为50倍波长时,仍能很好地抑制方位模糊;2TNUSA+MVDR较阵元数相同的均匀非稀疏阵列的CBF和MVDR有更高的方位分辨力;3阵元数一定,TNUSA+MVDR方位分辨力随着等效间距增加而提高,最小可分辨角度反比于等效间距;4等效间距一定,TNUSA+MVDR方位分辨力随阵元数增加而增加。海上实验在等效阵元间距为10倍波长条件下部分验证了NUSA+MVDR的检测性能。     

Chan算法在海上声源定位测量中的应用

针对到达时间差（Time Difference of Arrival,TDOA）体制下海上声源定位测量问题,研究了Chan算法在定位测量中的应用。建立了基于TDOA体制的海上声源被动定位模型,推导了Chan算法求解TDOA定位方程的步骤,采用了蒙特卡洛数值方法对Chan算法与初始值选择真值的泰勒（Taylor）级数展开法在不同阵元数条件下的定位精度进行了比较,得出了Chan算法在海上声源定位测量中应用条件及基阵布设原则。仿真结果表明,在一定条件下,Chan算法可应用于海上声源定位测量且定位精度较高,研究结果可为海上声源测量系统定位算法设计及基站布设提供参考依据。     

基于梅花阵列的复合材料全方位冲击定位方法

针对一维线性传感器阵列的盲区问题,研究了基于梅花阵列的二维多重信号分类(2D-MUSIC)冲击定位方法。梅花阵列的布置方式是在圆心处布置1个PZT传感器,另外在半径为 R 的圆周上均匀布置 M 个PZT传感器,首先联合冲击信号传播到参考阵元PZT0和第1个接收阵元PZT1的时间信息估计冲击信号的Lamb波传播波速;然后利用近场2D-MUSIC算法实现冲击源的距离和角度的同时定位;最后,在玻璃纤维复合材料层合板中进行了冲击定位方法的验证。实验结果表明: 基于梅花阵列的方法能够对0°~360°的冲击源进行精确地定位,定位结果精度较高,其中最大距离误差为2.2 cm,最大角度误差为5°。     

双基阵被动定位位置估计算法研究

根据双基阵被动定位的特点，分别论述了仅利用方位测量信息的交叉测向法定位原理和利用方位及时延差测量信息的测向测时差法定位原理，并在相同的仿真条件下，对两种方法的定位性能进行了比较。介绍了可提高被动定位精度的数据预处理和最小二乘拟合方法。通过蒙特卡洛仿真分析比较了基阵位置、基阵间距及各种测量参数改变对定位性能的影响。仿真结果表明，基于纯方位测量信息和方位—时延差测量信息的双基阵被动定位方法，避免了观测平台的机动，具有较好的可观测性，经过必要的改进，可用于对海上机动目标的无源定位。     

聚焦矩阵在水中宽带目标被动跟踪中的应用

针对水中机动宽带目标,对于设计好的均匀线列阵,采用空间重采样方法计算基阵的恒定束宽阵元权系数,进而利用该阵元权系数产生聚焦矩阵,通过聚焦矩阵将不同频带的子带信号映射到同一参考频率上,然后将所有频率成分的信号功率谱密度矩阵作平均,并结合MUSIC(Multiple Signal Classification)算法,估计出目标的方位信息,从而实现水中宽带目标的被动跟踪。采用该方法进行仿真试验分析,结果表明在小孔径基阵上可实现宽带单目标的稳定测向被动跟踪,且对多目标具有一定的角被动分辨效果。