基于概率計(jì)算的航母編隊(duì)探潛能力評(píng)估

　　摘要：針對(duì)航母編隊(duì)探潛能力評(píng)估問(wèn)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(jì)算模型，該模型結(jié)合了主被動(dòng)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(duì)探潛能力，最后對(duì)結(jié)果進(jìn)行了分析總結(jié)并給出航母編隊(duì)探潛的建議。

　　關(guān)鍵詞：航母編隊(duì);反潛探測(cè);能力評(píng)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(lái)，航母已經(jīng)成為海軍的核心兵力，航母編隊(duì)作為海軍作戰(zhàn)的主要力量，對(duì)建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)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(duì)無(wú)時(shí)無(wú)刻不受到來(lái)自水下的威脅，自二戰(zhàn)以來(lái)，反潛問(wèn)題一直是航母編隊(duì)繞不開的問(wèn)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(píng)估航母編隊(duì)的探潛能力是研究航母編隊(duì)反潛作戰(zhàn)問(wèn)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(guó)家級(jí)期刊論文發(fā)表

　　針對(duì)航母編隊(duì)反潛能力評(píng)估問(wèn)題，國(guó)內(nèi)相關(guān)研究主要針對(duì)編隊(duì)內(nèi)某類武器裝備的能力評(píng)估和配置優(yōu)化，評(píng)估編隊(duì)整體反潛能力的研究較少，吳小勇[1]從體系視角對(duì)編隊(duì)搜索能力進(jìn)行了評(píng)估優(yōu)化，但是其方法是基于建立指標(biāo)體系進(jìn)行評(píng)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(duì)探潛帶來(lái)的影響。所以，為了解決上述問(wèn)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(jì)算模型，將航母編隊(duì)探潛能力以探潛成功率的方式進(jìn)行計(jì)算與呈現(xiàn)，并進(jìn)行探潛有效覆蓋區(qū)域的計(jì)算。

　　1探潛成功率計(jì)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(duì)反潛探測(cè)能力轉(zhuǎn)換針對(duì)潛艇的瞬時(shí)探測(cè)概率，以此來(lái)評(píng)估航母編隊(duì)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(dòng)聲吶方程和主動(dòng)聲吶方程。被動(dòng)聲吶方程如下所示。

　　1.2聲吶瞬時(shí)探測(cè)概率計(jì)算方法

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

　　1.3多聲吶/多艦艇探測(cè)概率融合公式航母編隊(duì)進(jìn)行探潛時(shí)，需要多個(gè)反潛平臺(tái)同時(shí)打開聲吶進(jìn)行探測(cè)，因此需要將所有用于探潛的聲吶的探測(cè)概率進(jìn)行融合計(jì)算。

　　1.4有效覆蓋區(qū)域有效覆蓋區(qū)域指航母編隊(duì)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(duì)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(diǎn)數(shù)量。

　　2海洋聲學(xué)模型

　　2.1聲速剖面計(jì)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(jì)算。常用的計(jì)算公式有Medwin公式、DelGrosso公式等。

　　2.2Bellhop射線模型計(jì)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(shí)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(jì)算水聲傳播損失目前主要有三種方法：一是使用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，二是使用經(jīng)驗(yàn)公式，三是使用基于實(shí)驗(yàn)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(guò)反復(fù)實(shí)際測(cè)量給出，此方法是最準(zhǔn)確的，但是此方法需要針對(duì)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(jì)、建造、出海、測(cè)試，耗時(shí)耗力，難以適用于大片海域[6]。經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算簡(jiǎn)便，但是不能體現(xiàn)匯聚區(qū)等深海傳播特性。而基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的理論模型雖然計(jì)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(duì)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(jiǎn)正波(NM)模型、多途擴(kuò)展模型、快速場(chǎng)(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(chǎng)計(jì)算，也可以擴(kuò)展到低頻聲場(chǎng)[7]，而其他模型主要用于低頻聲場(chǎng)。本文使用Bellhop射線模型進(jìn)行水聲傳播損失計(jì)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(jì)算步長(zhǎng)為10m，水平長(zhǎng)度設(shè)置為150km，計(jì)算步長(zhǎng)為100m。

　　以上結(jié)果展示了聲源發(fā)出的噪聲傳播到每個(gè)由深度和距離確定的點(diǎn)的傳播損失，通過(guò)對(duì)比可以看出噪聲頻率越高，傳播損失隨距離增長(zhǎng)越快即傳播距離越近。與此同時(shí)，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(dòng)力噪聲、生物噪聲、人為噪聲、熱噪聲[8]。海洋動(dòng)力噪聲主要是由海浪、海流、潮汐、地震、風(fēng)等所形成的動(dòng)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(dòng)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(dòng)產(chǎn)生，其中熱噪聲相對(duì)其他噪聲較小，所以在計(jì)算海洋背景噪音時(shí)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(lái)源;在深海區(qū)域，海洋動(dòng)力噪聲和人為噪聲是主要噪聲來(lái)源。

　　3實(shí)驗(yàn)參數(shù)

　　此次實(shí)驗(yàn)所使用的具體實(shí)驗(yàn)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(lái)源和參考來(lái)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(jì)算模型，進(jìn)行了固定配置和隊(duì)形的航母編隊(duì)探潛能力的計(jì)算與呈現(xiàn)。通過(guò)結(jié)果的呈現(xiàn)與分析，本文針對(duì)航母編隊(duì)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(dòng)聲吶，通過(guò)對(duì)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(guò)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，針對(duì)核潛艇1，拖曳陣聲吶探測(cè)成功率比船殼聲吶高出0.6。三是發(fā)展變深聲吶，通過(guò)水聲傳播損失和探潛成功率等高線圖可發(fā)現(xiàn)，深度對(duì)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(tái)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(duì)航速較高時(shí)可采用“蛙跳”搜索方法。二是航母編隊(duì)?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(guò)結(jié)果看，以航母編隊(duì)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(duì)?wèi)?yīng)當(dāng)避免獨(dú)自與核潛艇2接觸。三是編隊(duì)使用聲吶要具備針對(duì)性，面對(duì)核潛艇1，使用拖曳陣聲吶是最好的選擇，但當(dāng)航母編隊(duì)面對(duì)更安靜的核潛艇2時(shí)，可以使用主動(dòng)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(zhǎng)沙:國(guó)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(yùn)籌分析:Navaloperationsanalysis[M].北京:國(guó)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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