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，本文提出結合聲吶方程和海洋聲學模型的探潛成功率計算模型，該模型結合了主被動聲吶方程、Medwin公式、Bellhop射線模型、Wenz海洋環境噪聲譜等海洋聲學模型，充分考慮海洋環境因素，最終以概率等高線圖和有效覆蓋區域的方式呈現編隊探潛能力，最后對結果進行了分析總結并給出航母編隊探潛的建議。

　　關鍵詞：航母編隊;反潛探測;能力評估;探潛成功率;聲吶方程;海洋聲學模型

　　引言

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

　　航海論文投稿刊物：航海技術雜志航海學國家級期刊論文發表

　　針對航母編隊反潛能力評估問題，國內相關研究主要針對編隊內某類武器裝備的能力評估和配置優化，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行了評估優化，但是其方法是基于建立指標體系進行評估。指標的選取以及權重具有較大的主觀性，且難以衡量環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行計算與呈現，并進行探潛有效覆蓋區域的計算。

　　1探潛成功率計算模型

　　該模型基于聲吶方程、結合海洋聲學模型，將航母編隊反潛探測能力轉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設定為相互獨立且服從正態分布的變量，用聲吶方程進行探測概率的計算。以被動聲吶為例，其步驟如下:1)根據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行探潛時，需要多個反潛平臺同時打開聲吶進行探測，因此需要將所有用于探潛的聲吶的探測概率進行融合計算。

　　1.4有效覆蓋區域有效覆蓋區域指航母編隊反潛成功率大于一定閾值的區域所占大小。本文用離散網格代表編隊所在作戰區域，則有效覆蓋區域在離散網格中為成功率大于一定閾值的網格點數量。

　　2海洋聲學模型

　　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溫度、鹽度和深度進行計算。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)是度量聲源產生的聲音在介質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、環境因素(海底深度、溫度、海底地形等)等因素有關。計算水聲傳播損失目前主要有三種方法：一是使用實測數據，二是使用經驗公式，三是使用基于實驗數據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實際測量給出，此方法是最準確的，但是此方法需要針對不同的設備在不同的天氣和海洋條件、不同深度下進行設計、建造、出海、測試，耗時耗力，難以適用于大片海域[6]。經驗公式計算簡便，但是不能體現匯聚區等深海傳播特性。而基于實驗數據的理論模型雖然計算復雜，但充分考慮了海底地形、海面環境、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射線模型進行水聲傳播損失計算。假設聲源深度為450m，取噪聲頻率分別為15kHz和1kHz，深度設置為5000m，計算步長為10m，水平長度設置為150km，計算步長為100m。

　　以上結果展示了聲源發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現象，充分體現了噪聲在深海中的傳播特性。

　　2.3海洋環境噪聲

　　海洋環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、風等所形成的動力而產生，其中由地震、潮汐等產生的噪聲主要是低頻噪聲，頻率小于100Hz，由海浪、風產生的噪聲頻率在100Hz~100kHz之間;海洋生物噪聲主要有海洋中的魚群、蝦群等生物產生;人為噪聲主要有海上遠處的船舶噪聲和港口陸地的各種振動設備產生，頻率在10Hz~1kHz之間;熱噪聲是由海水介質的熱騷動產生，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。在淺海區域，人為噪聲和生物噪聲是主要的噪聲來源;在深海區域，海洋動力噪聲和人為噪聲是主要噪聲來源。

　　3實驗參數

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

　　4總結與建議

　　本文基于聲吶方程和海洋聲學模型建立探潛成功率計算模型，進行了固定配置和隊形的航母編隊探潛能力的計算與呈現。通過結果的呈現與分析，本文針對航母編隊探潛提出以下建議。在裝備發展方面有以下建議：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。二是發展拖曳陣聲吶，通過結果發現，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現，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，因此發展變深聲吶有助于反潛平臺適應不同海域條件下的反潛作戰。

　　在裝備使用方面有如下建議：一是外層和中層反潛警戒區應以拖曳陣聲吶為主進行探潛作業，當編隊航速較高時可采用“蛙跳”搜索方法。二是航母編隊應當聯合其他反潛力量如岸基反潛巡邏機、衛星等進行聯合反潛，通過結果看，以航母編隊自身艦艇的探潛能力幾乎不可能發現核潛艇2，因此航母編隊應當避免獨自與核潛艇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等空中反潛兵力進行尋殲。

　　參考文獻：

　　[1]吳小勇.反潛體系的搜索能力優化方法研究[D].長沙:國防科學技術大學,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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