基于概率計算的航母編隊探潛能力評估

　　摘要：針對航母編隊探潛能力評估問題，本文提出結(jié)合聲吶方程和海洋聲學(xué)模型的探潛成功率計算模型，該模型結(jié)合了主被動聲吶方程、Medwin公式、Bellhop射線模型、Wenz海洋環(huán)境噪聲譜等海洋聲學(xué)模型，充分考慮海洋環(huán)境因素，最終以概率等高線圖和有效覆蓋區(qū)域的方式呈現(xiàn)編隊探潛能力，最后對結(jié)果進(jìn)行了分析總結(jié)并給出航母編隊探潛的建議。

　　關(guān)鍵詞：航母編隊;反潛探測;能力評估;探潛成功率;聲吶方程;海洋聲學(xué)模型

　　引言

　　自二戰(zhàn)以來，航母已經(jīng)成為海軍的核心兵力，航母編隊作為海軍作戰(zhàn)的主要力量，對建設(shè)海洋強國有著不可替代的作用。然而，在海洋上執(zhí)行任務(wù)的航母編隊無時無刻不受到來自水下的威脅，自二戰(zhàn)以來，反潛問題一直是航母編隊繞不開的問題，反潛作戰(zhàn)中探潛是最難的階段也是最基礎(chǔ)的階段，所以評估航母編隊的探潛能力是研究航母編隊反潛作戰(zhàn)問題的重要方向之一。

　　航海論文投稿刊物：航海技術(shù)雜志航海學(xué)國家級期刊論文發(fā)表

　　針對航母編隊反潛能力評估問題，國內(nèi)相關(guān)研究主要針對編隊內(nèi)某類武器裝備的能力評估和配置優(yōu)化，評估編隊整體反潛能力的研究較少，吳小勇[1]從體系視角對編隊搜索能力進(jìn)行了評估優(yōu)化，但是其方法是基于建立指標(biāo)體系進(jìn)行評估。指標(biāo)的選取以及權(quán)重具有較大的主觀性，且難以衡量環(huán)境對探潛帶來的影響。所以，為了解決上述問題，本文提出基于聲吶方程和海洋聲學(xué)模型的探潛成功率計算模型，將航母編隊探潛能力以探潛成功率的方式進(jìn)行計算與呈現(xiàn)，并進(jìn)行探潛有效覆蓋區(qū)域的計算。

　　1探潛成功率計算模型

　　該模型基于聲吶方程、結(jié)合海洋聲學(xué)模型，將航母編隊反潛探測能力轉(zhuǎn)換針對潛艇的瞬時探測概率，以此來評估航母編隊探潛能力。

　　1.1聲吶方程

　　聲吶方程根據(jù)聲吶類型分為被動聲吶方程和主動聲吶方程。被動聲吶方程如下所示。

　　1.2聲吶瞬時探測概率計算方法

　　將聲吶方程中的所有參數(shù)設(shè)定為相互獨立且服從正態(tài)分布的變量，用聲吶方程進(jìn)行探測概率的計算。以被動聲吶為例，其步驟如下:1)根據(jù)以下公式計算信號余量SE的均值。

　　1.3多聲吶/多艦艇探測概率融合公式航母編隊進(jìn)行探潛時，需要多個反潛平臺同時打開聲吶進(jìn)行探測，因此需要將所有用于探潛的聲吶的探測概率進(jìn)行融合計算。

　　1.4有效覆蓋區(qū)域有效覆蓋區(qū)域指航母編隊反潛成功率大于一定閾值的區(qū)域所占大小。本文用離散網(wǎng)格代表編隊所在作戰(zhàn)區(qū)域，則有效覆蓋區(qū)域在離散網(wǎng)格中為成功率大于一定閾值的網(wǎng)格點數(shù)量。

　　2海洋聲學(xué)模型

　　2.1聲速剖面計算

　　聲速剖面(SSP)是指聲速隨深度變化的垂直剖面，目前海水聲速剖面主要根據(jù)溫度、鹽度和深度進(jìn)行計算。常用的計算公式有Medwin公式、DelGrosso公式等。

　　2.2Bellhop射線模型計算水聲傳播損失

　　聲音傳播損失(PL)是度量聲源產(chǎn)生的聲音在介質(zhì)中傳播時能量衰減大小的物理量，水聲傳播損失與聲源深度、接收深度、頻率、環(huán)境因素(海底深度、溫度、海底地形等)等因素有關(guān)。計算水聲傳播損失目前主要有三種方法：一是使用實測數(shù)據(jù)，二是使用經(jīng)驗公式，三是使用基于實驗數(shù)據(jù)的理論模型也稱水聲傳播損失模型。

　　水聲傳播損失可以通過反復(fù)實際測量給出，此方法是最準(zhǔn)確的，但是此方法需要針對不同的設(shè)備在不同的天氣和海洋條件、不同深度下進(jìn)行設(shè)計、建造、出海、測試，耗時耗力，難以適用于大片海域[6]。經(jīng)驗公式計算簡便，但是不能體現(xiàn)匯聚區(qū)等深海傳播特性。而基于實驗數(shù)據(jù)的理論模型雖然計算復(fù)雜，但充分考慮了海底地形、海面環(huán)境、聲速剖面等因素對水聲傳播損失的影響。

　　目前水聲傳播損失模型主要包括射線模型、簡正波(NM)模型、多途擴(kuò)展模型、快速場(FFP)模型、拋物線方程(PE)模型。其中射線模型主要用于高頻聲場計算，也可以擴(kuò)展到低頻聲場[7]，而其他模型主要用于低頻聲場。本文使用Bellhop射線模型進(jìn)行水聲傳播損失計算。假設(shè)聲源深度為450m，取噪聲頻率分別為15kHz和1kHz，深度設(shè)置為5000m，計算步長為10m，水平長度設(shè)置為150km，計算步長為100m。

　　以上結(jié)果展示了聲源發(fā)出的噪聲傳播到每個由深度和距離確定的點的傳播損失，通過對比可以看出噪聲頻率越高，傳播損失隨距離增長越快即傳播距離越近。與此同時，可以看出噪聲傳播有明顯的匯聚區(qū)現(xiàn)象，充分體現(xiàn)了噪聲在深海中的傳播特性。

　　2.3海洋環(huán)境噪聲

　　海洋環(huán)境噪音包括海洋動力噪聲、生物噪聲、人為噪聲、熱噪聲[8]。海洋動力噪聲主要是由海浪、海流、潮汐、地震、風(fēng)等所形成的動力而產(chǎn)生，其中由地震、潮汐等產(chǎn)生的噪聲主要是低頻噪聲，頻率小于100Hz，由海浪、風(fēng)產(chǎn)生的噪聲頻率在100Hz~100kHz之間;海洋生物噪聲主要有海洋中的魚群、蝦群等生物產(chǎn)生;人為噪聲主要有海上遠(yuǎn)處的船舶噪聲和港口陸地的各種振動設(shè)備產(chǎn)生，頻率在10Hz~1kHz之間;熱噪聲是由海水介質(zhì)的熱騷動產(chǎn)生，其中熱噪聲相對其他噪聲較小，所以在計算海洋背景噪音時通常忽略熱噪聲。在淺海區(qū)域，人為噪聲和生物噪聲是主要的噪聲來源;在深海區(qū)域，海洋動力噪聲和人為噪聲是主要噪聲來源。

　　3實驗參數(shù)

　　此次實驗所使用的具體實驗參數(shù)均為虛擬數(shù)據(jù)，但不影響模型的正確性，數(shù)據(jù)主要來源和參考來自文獻(xiàn)[2]、文獻(xiàn)[10]和百度百科。

　　4總結(jié)與建議

　　本文基于聲吶方程和海洋聲學(xué)模型建立探潛成功率計算模型，進(jìn)行了固定配置和隊形的航母編隊探潛能力的計算與呈現(xiàn)。通過結(jié)果的呈現(xiàn)與分析，本文針對航母編隊探潛提出以下建議。在裝備發(fā)展方面有以下建議：一是重視低頻主動聲吶，通過對比水聲傳播損失可以得出，聲音頻率越低，相同距離下在海水中的傳播損失越小。二是發(fā)展拖曳陣聲吶，通過結(jié)果發(fā)現(xiàn)，針對核潛艇1，拖曳陣聲吶探測成功率比船殼聲吶高出0.6。三是發(fā)展變深聲吶，通過水聲傳播損失和探潛成功率等高線圖可發(fā)現(xiàn)，深度對聲吶的性能存在影響，不同海域下水聲傳播損失隨深度的變化曲線并不一致，因此發(fā)展變深聲吶有助于反潛平臺適應(yīng)不同海域條件下的反潛作戰(zhàn)。

　　在裝備使用方面有如下建議：一是外層和中層反潛警戒區(qū)應(yīng)以拖曳陣聲吶為主進(jìn)行探潛作業(yè)，當(dāng)編隊航速較高時可采用“蛙跳”搜索方法。二是航母編隊?wèi)?yīng)當(dāng)聯(lián)合其他反潛力量如岸基反潛巡邏機(jī)、衛(wèi)星等進(jìn)行聯(lián)合反潛，通過結(jié)果看，以航母編隊自身艦艇的探潛能力幾乎不可能發(fā)現(xiàn)核潛艇2，因此航母編隊?wèi)?yīng)當(dāng)避免獨自與核潛艇2接觸。三是編隊使用聲吶要具備針對性，面對核潛艇1，使用拖曳陣聲吶是最好的選擇，但當(dāng)航母編隊面對更安靜的核潛艇2時，可以使用主動聲吶配合反潛直升機(jī)等空中反潛兵力進(jìn)行尋殲。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]吳小勇.反潛體系的搜索能力優(yōu)化方法研究[D].長沙:國防科學(xué)技術(shù)大學(xué),2012.

　　[2]瓦格納,邁蘭德,森德姜青山,等.海軍運籌分析:Navaloperationsanalysis[M].北京:國防工業(yè)出版社,2008.

　　[3]MedwinH,ClayCS,FLatteSM.FundamentalsofAcousticalOceanography[J].PhysicsToday,1999,52(7):5456.

　　[4]Zweng,M.M,J.R.Reagan,J.I.Antonov,R.A.Locarnini,A.V.Mishonov,T.P.Boyer,H.E.Garcia,O.K.Baranova,D.R.Johnson,D.Seidov,M.M.Biddle,2013.WorldOceanAtlas2013,Volume2:Salinity.S.Levitus,Ed.,A.MishonovTechnicalEd.;NOAAAtlasNESDIS74,39pp.

　　作者：馮志奇，司光亞

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