基于概率计算的航母编队探潜能力评估

　　摘要：针对航母编队探潜能力评估问题，本文提出结合声呐方程和海洋声学模型的探潜成功率计算模型，该模型结合了主被动声呐方程、Medwin公式、Bellhop射线模型、Wenz海洋环境噪声谱等海洋声学模型，充分考虑海洋环境因素，最终以概率等高线图和有效覆盖区域的方式呈现编队探潜能力，最后对结果进行了分析总结并给出航母编队探潜的建议。

　　关键词：航母编队;反潜探测;能力评估;探潜成功率;声呐方程;海洋声学模型

　　引言

　　自二战以来，航母已经成为海军的核心兵力，航母编队作为海军作战的主要力量，对建设海洋强国有着不可替代的作用。然而，在海洋上执行任务的航母编队无时无刻不受到来自水下的威胁，自二战以来，反潜问题一直是航母编队绕不开的问题，反潜作战中探潜是最难的阶段也是最基础的阶段，所以评估航母编队的探潜能力是研究航母编队反潜作战问题的重要方向之一。

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　　针对航母编队反潜能力评估问题，国内相关研究主要针对编队内某类武器装备的能力评估和配置优化，评估编队整体反潜能力的研究较少，吴小勇[1]从体系视角对编队搜索能力进行了评估优化，但是其方法是基于建立指标体系进行评估。指标的选取以及权重具有较大的主观性，且难以衡量环境对探潜带来的影响。所以，为了解决上述问题，本文提出基于声呐方程和海洋声学模型的探潜成功率计算模型，将航母编队探潜能力以探潜成功率的方式进行计算与呈现，并进行探潜有效覆盖区域的计算。

　　1探潜成功率计算模型

　　该模型基于声呐方程、结合海洋声学模型，将航母编队反潜探测能力转换针对潜艇的瞬时探测概率，以此来评估航母编队探潜能力。

　　1.1声呐方程

　　声呐方程根据声呐类型分为被动声呐方程和主动声呐方程。被动声呐方程如下所示。

　　1.2声呐瞬时探测概率计算方法

　　将声呐方程中的所有参数设定为相互独立且服从正态分布的变量，用声呐方程进行探测概率的计算。以被动声呐为例，其步骤如下:1)根据以下公式计算信号余量SE的均值。

　　1.3多声呐/多舰艇探测概率融合公式航母编队进行探潜时，需要多个反潜平台同时打开声呐进行探测，因此需要将所有用于探潜的声呐的探测概率进行融合计算。

　　1.4有效覆盖区域有效覆盖区域指航母编队反潜成功率大于一定阈值的区域所占大小。本文用离散网格代表编队所在作战区域，则有效覆盖区域在离散网格中为成功率大于一定阈值的网格点数量。

　　2海洋声学模型

　　2.1声速剖面计算

　　声速剖面(SSP)是指声速随深度变化的垂直剖面，目前海水声速剖面主要根据温度、盐度和深度进行计算。常用的计算公式有Medwin公式、DelGrosso公式等。

　　2.2Bellhop射线模型计算水声传播损失

　　声音传播损失(PL)是度量声源产生的声音在介质中传播时能量衰减大小的物理量，水声传播损失与声源深度、接收深度、频率、环境因素(海底深度、温度、海底地形等)等因素有关。计算水声传播损失目前主要有三种方法：一是使用实测数据，二是使用经验公式，三是使用基于实验数据的理论模型也称水声传播损失模型。

　　水声传播损失可以通过反复实际测量给出，此方法是最准确的，但是此方法需要针对不同的设备在不同的天气和海洋条件、不同深度下进行设计、建造、出海、测试，耗时耗力，难以适用于大片海域[6]。经验公式计算简便，但是不能体现汇聚区等深海传播特性。而基于实验数据的理论模型虽然计算复杂，但充分考虑了海底地形、海面环境、声速剖面等因素对水声传播损失的影响。

　　目前水声传播损失模型主要包括射线模型、简正波(NM)模型、多途扩展模型、快速场(FFP)模型、抛物线方程(PE)模型。其中射线模型主要用于高频声场计算，也可以扩展到低频声场[7]，而其他模型主要用于低频声场。本文使用Bellhop射线模型进行水声传播损失计算。假设声源深度为450m，取噪声频率分别为15kHz和1kHz，深度设置为5000m，计算步长为10m，水平长度设置为150km，计算步长为100m。

　　以上结果展示了声源发出的噪声传播到每个由深度和距离确定的点的传播损失，通过对比可以看出噪声频率越高，传播损失随距离增长越快即传播距离越近。与此同时，可以看出噪声传播有明显的汇聚区现象，充分体现了噪声在深海中的传播特性。

　　2.3海洋环境噪声

　　海洋环境噪音包括海洋动力噪声、生物噪声、人为噪声、热噪声[8]。海洋动力噪声主要是由海浪、海流、潮汐、地震、风等所形成的动力而产生，其中由地震、潮汐等产生的噪声主要是低频噪声，频率小于100Hz，由海浪、风产生的噪声频率在100Hz~100kHz之间;海洋生物噪声主要有海洋中的鱼群、虾群等生物产生;人为噪声主要有海上远处的船舶噪声和港口陆地的各种振动设备产生，频率在10Hz~1kHz之间;热噪声是由海水介质的热骚动产生，其中热噪声相对其他噪声较小，所以在计算海洋背景噪音时通常忽略热噪声。在浅海区域，人为噪声和生物噪声是主要的噪声来源;在深海区域，海洋动力噪声和人为噪声是主要噪声来源。

　　3实验参数

　　此次实验所使用的具体实验参数均为虚拟数据，但不影响模型的正确性，数据主要来源和参考来自文献[2]、文献[10]和百度百科。

　　4总结与建议

　　本文基于声呐方程和海洋声学模型建立探潜成功率计算模型，进行了固定配置和队形的航母编队探潜能力的计算与呈现。通过结果的呈现与分析，本文针对航母编队探潜提出以下建议。在装备发展方面有以下建议：一是重视低频主动声呐，通过对比水声传播损失可以得出，声音频率越低，相同距离下在海水中的传播损失越小。二是发展拖曳阵声呐，通过结果发现，针对核潜艇1，拖曳阵声呐探测成功率比船壳声呐高出0.6。三是发展变深声呐，通过水声传播损失和探潜成功率等高线图可发现，深度对声呐的性能存在影响，不同海域下水声传播损失随深度的变化曲线并不一致，因此发展变深声呐有助于反潜平台适应不同海域条件下的反潜作战。

　　在装备使用方面有如下建议：一是外层和中层反潜警戒区应以拖曳阵声呐为主进行探潜作业，当编队航速较高时可采用“蛙跳”搜索方法。二是航母编队应当联合其他反潜力量如岸基反潜巡逻机、卫星等进行联合反潜，通过结果看，以航母编队自身舰艇的探潜能力几乎不可能发现核潜艇2，因此航母编队应当避免独自与核潜艇2接触。三是编队使用声呐要具备针对性，面对核潜艇1，使用拖曳阵声呐是最好的选择，但当航母编队面对更安静的核潜艇2时，可以使用主动声呐配合反潜直升机等空中反潜兵力进行寻歼。

　　参考文献：

　　[1]吴小勇.反潜体系的搜索能力优化方法研究[D].长沙:国防科学技术大学,2012.

　　[2]瓦格纳,迈兰德,森德姜青山,等.海军运筹分析:Navaloperationsanalysis[M].北京:国防工业出版社,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：冯志奇，司光亚

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