CN111314016B - 一种水下分布式压制性干扰策略设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水下分布式压制性干扰策略设计方法，从水下声纳探测技术的反对抗角度考虑，给出一种更为有效地干扰声纳对本方潜艇探测性能的分布式干扰布置策略。布置策略参数主要包括干扰信号频率、干扰发射功率、干扰距离、干扰压制范围、干扰源最佳分布间隔以及干扰源个数。本发明从所对抗的探测声纳检测概率入手，给出了一种布置策略的优化方案，可以使有限数量的干扰源产生更大的干扰压制范围，解决了传统的集中式或随机式等布置方法可能造成的干扰资源浪费问题。

Description

一种水下分布式压制性干扰策略设计方法

技术领域

本发明属于水声对抗技术领域，涉及一种针对水下岸基警戒声纳的分布式压制性干扰策略设计方法。

背景技术

水下岸基声纳探测系统是一种固定水声监测系统，通常布放于近海岸或港口的海底或海山上，是水声对抗技术中的一项重要反潜手段。为了在水下作战时有效对抗敌方水下岸基声纳探测系统，保护处于敌方声纳探测距离内活动的我方潜艇不被敌方声纳发现或跟踪，需要利用噪声干扰器发射大功率干扰噪声降低敌方声纳接收信噪比，从而阻碍其对本方潜艇辐射信号的检测。

目前水声对抗领域中传统的噪声干扰方式是使用单部大功率噪声干扰器在远距离对抗敌方声纳，袁延艺及夏志军等人分别在“水面舰艇噪声干扰器对抗潜艇声呐效果”(舰船科学技术,2017,39(21):175-177.)与“噪声干扰器对抗主动声纳有效干扰压制区计算方法”(系统工程与电子技术,2010,34(9):1813-1816.)中分别研究了噪声干扰器在对抗被动声纳及主动声纳的干扰效果。然而这种传统单干扰源的干扰方式干扰区域十分有限，当本方潜艇活动范围较大时不能进行有效掩护；且远距离的传播过程大量消耗了干扰信号的功率，干扰资源利用率较低。

因此，需要提出更具有更大压制范围的水下噪声干扰方式。田波等人在“发展中的分布式干扰技术”(航天电子对抗,2004,33(1):41-43.)介绍了一种应用于雷达领域的分布式干扰技术，它是采用多个小功率干扰器近距离干扰的干扰方式，可以形成较大的干扰区域，且距离敌方声纳较近，减少了干扰信号的传播损失，可以有效提高干扰效率。

在使用分布式干扰时，干扰器的分布位置对整个系统的干扰效果影响较大，目前已有部分文献针对分布式干扰器的布置方法进行了研究，如蔡小勇等人在“分布式电子干扰系统干扰效能分析与仿真”(海军工程大学学报,2006,18(3):47-51.)中分别对干扰机的线阵及扇形布阵方法的干扰效果进行了研究，但只是对不同布阵方法干扰效果进行比较，而未给出有效的干扰布置策略。

发明内容

要解决的技术问题

针对传统水下干扰方式的不足，本发明提供一种新型的水下分布式压制性干扰策略，能够根据当前可用干扰器资源设计出最优干扰器分布位置，从而使得干扰器在敌方声纳探测区域内形成最大的干扰压制范围，掩护处于该范围内的本方作战平台(潜艇或水面舰等，下称本舰)完成作战任务而不被敌方声纳发现。

技术方案

一种基于分布式压制性干扰源的协同干扰策略设计方法，用于本方潜艇或水面舰处于敌方岸基声纳系统的探测范围之内的情况，其特征在于步骤如下：

步骤1：确定干扰压制范围：

根据声纳方程，获得声纳正常探测所允许的最大传播损失；根据传播损失经验公式，求得无干扰情况下声纳对于目标的最远探测距离r₀；假设在目标行驶轨迹中，距离敌方声纳距离小于r₀的角度范围为θ_s1～θ_s2，则分布式压制性干扰的作用范围应包含此角度区间；

步骤2：确定干扰信号频率：

其中，F₁为声纳处理频段，F₂为所需掩护的目标辐射噪声频段；

步骤3：确定干扰发射功率及干扰距离：

根据干扰器类型，干扰发射功率与干扰距离应在干扰器所允许的范围内选最大值；

步骤4：确定最佳干扰分布间隔：

根据被动声纳方程，写出在主瓣θ₀方向上敌方声纳系统刚好能检测到本舰时输入端的信噪比表达式，即检测阈：

其中，α(f_s,r_s)表示传播衰减系数，f_s∈F_T，S表示本舰辐射噪声功率，g(θ₀,θ_s)表示主瓣对准θ₀时目标方向θ_s上的信号阵处理增益；α(f_k,r_k)表示传播衰减系数，f_k∈F_J，由步骤2确定；J_k表示本舰辐射噪声功率，由步骤3确定；g(θ₀,θ_k)表示主瓣对准θ₀时干扰器方向θ_k上的阵处理增益；N为敌方声纳基阵处的背景噪声功率，假设其为各向同性噪声；

求出在θ₀方向上使得敌方声纳不能正常探测目标的临界干扰功率：

在某一方向上不同干扰器所发信号的功率响应的叠加值为此方向上总干扰功率响应，当所有需要掩护的角度上的干扰功率响应大于临界干扰功率时，分布式干扰可以成功达到掩护本舰逃离的目的；为了尽可能提高干扰资源利用率，需要使干扰器之间的分布间隔尽可能大，从而以更少的干扰器覆盖所需干扰区域，因此最优的干扰情况是在所有角度上各干扰源功率响应之和刚好达到临界干扰功率响应，将其简化为模型：

其中，γ_J表示有效干扰的角度范围，θ_max和θ_min分别为步骤1中所求得的所需干扰压制范围θ_s1～θ_s2中的最大值和最小值；K₀表示本舰最多可提供的干扰源个数，J₀表示单个干扰源最大发射功率，γ₀表示覆盖目标运动区域的最小角度范围；当求得最大干扰间隔时，若需要干扰的范围给定，可以求出达到干扰要求所需的最少干扰源个数；

步骤5：确定干扰器个数：

假设干扰源总个数为K，总有效干扰区域为γ_J，那么有

γ_J＝(K-1)θ_d+2θ_s；

式中，θ_s表示最外侧两干扰源功率响应无重叠的部分中超过临界干扰功率的范围；若需要掩护的范围为γ_T，则需要γ_J≥γ_T，即

γ_J＝(K-1)θ_d+2θ_s≥γ_T；

那么根据上式可以求出，当最佳分布间隔为θ_d，所需掩盖范围为γ_T时，需要的最小干扰器个数为

式中，

表示向上取整。

有益效果

本发明提出的一种在水下环境中使用分布式压制性干扰器对抗被动声纳探测系统的最优布置策略设计方法，该策略将敌方声纳成功检测本舰所需的最小干扰功率作为判决干扰成功与否的门限值，以使干扰总功率高于此门限值的连续角度范围最大为优化条件，所得策略可以使得可用干扰器产生最大范围的干扰压制范围，有效节省干扰资源，提高干扰资源利用率。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2为分布式压制性干扰范围示意图；

图3为理想情况下的干扰功率响应示意图；

图4为实例一计算所得干扰源位于最优分布位置时的干扰总功率；

图5为实例一中采用各种布置策略所得敌方声纳检测结果图；

图6为实例二计算所得干扰源位于最优分布位置时的干扰总功率；

图7为实例二中采用各种布置策略所得敌方声纳检测结果图。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明方法设计的分布式干扰最优布置策略包括干扰压制范围、干扰频率、干扰发射功率、干扰距离、干扰源最优分布位置以及干扰个数。通过对水下战场态势及本舰规避路线分析，确定分布式干扰压制范围；根据本舰辐射噪声信号频段及敌方声纳处理频段确定发射干扰信号频段；根据可用干扰器参数确定干扰发射功率与干扰距离；然后根据成功干扰敌方声纳所需的临界干扰功率计算干扰器最优分布位置，最后结合干扰压制范围计算所需的最少干扰器数量。

本发明所采用的技术方案包括以下步骤：

S1、确定干扰压制范围：

根据无干扰情况下敌方声纳探测区域确定本方舰艇的行驶轨迹中可能会被敌方声纳探测到的部分，其角度范围就是分布式压制性干扰需要作用的范围，如图2所示。

根据声纳方程，可以获得声纳正常探测所允许的最大传播损失(优质因数)，以被动声纳方程为例：

FOM＝SL-(NL-DI+DT)；

其中，SL为目标辐射噪声级，NL为背景噪声级，DI为接收指向性指数，DT为检测阈(可由ROC曲线获得)。

根据传播损失经验公式(如TL＝20logR，传播损失公式根据具体环境选择)，可以求得无干扰情况下声纳对于目标的最远探测距离r₀。假设在目标行驶轨迹中，距离敌方声纳距离小于r₀的角度范围为θ_s1～θ_s2，则分布式压制性干扰的作用范围应包含此角度区间。

S2、确定干扰信号频率：

压制性干扰是采用大功率干扰源淹没目标信号，从而降低敌方声纳检测性能的干扰方式，通常发射在一定带宽上的噪声信号。为了提高干扰效率，需要将干扰功率集中在所需频段内，干扰噪声的频段应该包含目标信号频段。若敌方声纳处理频段为F_R，本舰辐射噪声频段为F_T，那么分布式压制性干扰信号的频率范围应满足：

S3、确定干扰发射功率及干扰距离：

各干扰器发射噪声功率J_k与干扰距离r_k是影响敌方声纳接收端干扰噪声功率的主要因素，干扰发射功率越大、干扰距敌方声纳越近，敌方声纳接收到的干扰噪声功率越强，对本舰的检测概率越低，即干扰效果越好。因此，根据干扰器类型，干扰发射功率与干扰距离应在干扰器所允许的范围内选最大值。

S4、确定最佳干扰分布间隔：

声纳对于目标的检测判决通常是基于一定的概率准则进行的，即声纳的检测概率与虚警概率达到给定值时才能认为其判决结果有效，该给定值称为置信级。由声纳置信级所确定的声纳检测成功时所需的系统输入端最小信噪比称为检测阈，若声纳系统输出端信噪比高于检测阈，声纳可以成功探测目标，反之，则不能。因此，水声对抗中，干扰方的目的就是提高声纳系统接收噪声功率，使敌方声纳系统输入端信噪比低于检测阈，从而不能成功探测本舰。

在水声对抗中设计分布式干扰策略时，本舰辐射噪声(即敌方声纳接收的目标信号)已知，因此可以根据敌方声纳检测阈获得使得敌方声纳不能探测到本舰所需的最小干扰功率(称为“临界干扰功率”)。若某一角度上的总干扰功率响应值大于此临界值，敌方声纳在此角度上不能检测到本舰，若分布式干扰的压制区域内所有角度上的干扰功率响应值均大于此临界值，敌方声纳在此范围内将形成探测“盲区”。

根据被动声纳方程，可以写出在主瓣θ₀方向(主瓣在探测区域内扫描)上敌方声纳系统刚好能检测到本舰时输入端的信噪比表达式，即检测阈：

其中，α(f_s,r_s)表示传播衰减系数，f_s∈F_T，S表示本舰辐射噪声功率，g(θ₀,θ_s)表示主瓣对准θ₀时目标方向θ_s上的信号阵处理增益；α(f_k,r_k)表示传播衰减系数，f_k∈F_J，由步骤S2确定，J_k表示本舰辐射噪声功率，由步骤S3确定，g(θ₀,θ_k)表示主瓣对准θ₀时干扰器方向θ_k上的阵处理增益；N为敌方声纳基阵处的背景噪声功率，假设其为各向同性噪声。

那么就可以求出在θ₀方向上使得敌方声纳不能正常探测目标的临界干扰功率：

在某一方向上不同干扰器所发信号的功率响应的叠加值为此方向上总干扰功率响应，当所有需要掩护的角度上的干扰功率响应大于临界干扰功率时，分布式干扰可以成功达到掩护本舰逃离的目的。为了尽可能提高干扰资源利用率，需要使干扰器之间的分布间隔尽可能大，从而以更少的干扰器覆盖所需干扰区域，因此最优的干扰情况是在所有角度上各干扰源功率响应之和刚好达到临界干扰功率响应，如图3所示，将其简化为模型：

其中γ_J表示有效干扰的角度范围，θ_max和θ_min分别为步骤S1中所求得的所需干扰压制范围θ_s1～θ_s2中的最大值和最小值；K₀表示本舰最多可提供的干扰源个数，J₀表示单个干扰源最大发射功率，γ₀表示覆盖目标运动区域的最小角度范围。当求得最大干扰间隔时，若需要干扰的范围给定，可以求出达到干扰要求所需的最少干扰源个数。对于以上干扰问题，有界的条件是

即当所有干扰均在目标方位时，其目标方位功率响应之和大于等于临界干扰响应。

该模型是一个复杂且非凸的优化问题，因此可以采用启发式算法求解，如粒子群优化算法、遗传算法、模拟退火算法等。

S5、确定干扰器个数：

通过求解步骤S4中的优化问题，可以解得各干扰源之间的最佳分布间隔，结合步骤S1中求得的所需干扰压制区域，可以解得在所需最少干扰器个数。假设干扰源总个数为K，总有效干扰区域为γ_J，那么有

γ_J＝(K-1)θ_d+2θ_s；

式中，θ_s表示最外侧两干扰源功率响应无重叠的部分中超过临界干扰功率的范围。若需要掩护的范围为γ_T，则需要γ_J≥γ_T，即

γ_J＝(K-1)θ_d+2θ_s≥γ_T；

那么根据上式可以求出，当最佳分布间隔为θ_d，所需掩盖范围为γ_T时，需要的最小干扰器个数为

式中，

表示向上取整。

实例一

首先获取战场态势，战场布局如图2所示，假设敌方声纳位于(1000,0)点，海洋环境噪声和声纳自噪声组成的背景噪声级为60dB。本舰辐射声源级为110dB，距离敌方声纳1000m，运动轨迹中处于敌方声纳探测范围之内的角度范围θ_s1～θ_s2为-40°至40°，那么可以确定干扰压制范围应为80°；

假设敌方被动声纳处理频段F_R为10～500Hz，本舰辐射噪声为0～1500Hz，那么根据步骤S2可以知道干扰信号最优频段为10～500Hz；

实例一中考虑一种典型的分布式干扰情况，假设所有干扰器最大发射信号功率相等(均为107.3dB)且最大干扰距离相等(均为距离敌方声纳100m)，即所有干扰器干扰效果相同，各干扰源之间最优分布间隔相等；

那么可以根据步骤S4可以计算得到干扰源的最佳分布间隔：

1)首先求解临界干扰功率：

本发明的仿真实例中假设敌方声纳系统后端处理器为被动声纳中最普遍的平方积分处理器。在被动声纳检测中，通常要求虚警概率指标为P(D₁|H₀)＝0.001，检测概率指标为P(D₁|H₁)＝0.5，那么根据ROC曲线，有：

假设平方积分处理系统的等效积分时间T和等效带宽W分别为1s和500Hz，可以求得达到给定置信级所需要的系统输入端的最小信噪比为：

根据目标信号、环境噪声及被动声纳参数，可得临界干扰功率响应为：

2)根据步骤S4中的优化模型求解最优分布间隔：

在实例一中的干扰参数下，步骤S4中的优化模型可以写为：

由于该模型是一个复杂且非凸的优化问题，本发明的仿真实例中采用粒子群优化进行求解，可以求得位于距离敌方声纳100m、发射功率为107.3dB的干扰源的最佳分布间隔θ_d为18°，那么最少需要的干扰器个数为：

5个干扰器的在各角度上的干扰总功率如图4所示，从图中可以看出，干扰范围最大时对应的干扰源间隔为18°，且最大干扰压制范围为85°，这与上文计算所得结果一致。分别对优化布置策略(干扰源以最优间隔布放)、均匀布置策略(干扰源在干扰压制区内等间隔布放)、集中布置策略(干扰源集中布放于某一角度)以及随机布置策略(干扰布放角度随机)情况下敌方声纳对本舰的检测结果仿真，将本舰规避路线中位于各位置时敌方声纳对其检测概率标记于坐标图上，结果如图5所示，可以看出，当各干扰源干扰性能相同时，本发明所给出的优化布置策略与均匀布置策略所得结果相近，在这两种布置策略下，敌方声纳均不能有效探测到本舰；而集中布置策略与随机布置策略均会使得本舰在某些角度上被敌方声纳发现。

实例二

假设实例二的战场态势与实例一相同，即敌方声纳系统参数、本方舰艇参数与海洋环境噪声参数相同，那么根据步骤S1和S2所得的干扰压制范围和干扰信号最优频段仍为80°与10～500Hz；

实例二假设本舰可用的5个干扰器发射功率分别为107dB、107dB、107.3dB、107.3dB和108dB，各干扰器最大干扰距离相等(距敌方声纳100m)，那么干扰发射功率越强的干扰源干扰效果越强，各干扰源之间的最优分布间隔不相等；

那么可以根据步骤S4可以计算得到干扰源的最佳分布间隔：

在实例二的情况下，临界干扰功率响应与实例一相同：

在实例二中的干扰参数下，步骤S4中的优化模型可以写为：

同样采用粒子群优化算法对该问题进行求解，所得5个干扰源在各角度上的干扰总功率如图6所示，由图中可以看出，当采用实例二中的发射功率不同的干扰源时，所得最大干扰压制范围为84°。分别对优化布置策略、均匀布置策略、集中布置策略以及随机布置策略情况下敌方声纳对本舰的检测结果仿真，将本舰规避路线中位于各位置时敌方声纳对其检测概率标记于坐标图上，结果如图7所示，可以看出，当各干扰源干扰性能不同时，相比于其它三种布置策略，本发明所给出的优化布置策略能够使得敌方声纳在干扰范围内的每一个角度上都不能有效探测到本舰。

Claims (1)

1.一种基于分布式压制性干扰源的协同干扰策略设计方法，用于本方潜艇或水面舰处于敌方岸基声纳系统的探测范围之内的情况，其特征在于步骤如下：

步骤1：确定干扰压制范围：

根据声纳方程，获得声纳正常探测所允许的最大传播损失；根据传播损失经验公式，求得无干扰情况下声纳对于目标的最远探测距离r₀；假设在目标行驶轨迹中，距离敌方声纳距离小于r₀的角度范围为θ_s1～θ_s2，则分布式压制性干扰的作用范围应包含此角度区间；其中θ_s1为轨迹中相对于敌方声纳基阵的最小角度，θ_s2为最大角度；

步骤2：确定干扰信号频率：

其中，F₁为声纳处理频段，F₂为所需掩护的目标辐射噪声频段；

步骤3：确定干扰发射功率及干扰距离：

根据干扰器类型，干扰发射功率与干扰距离应在干扰器所允许的范围内选最大值；

步骤4：确定最佳干扰分布间隔：

根据被动声纳方程，写出在主瓣θ₀方向上敌方声纳系统刚好能检测到本舰时输入端的信噪比表达式，即检测阈：

其中，α(f_s,r_s)表示传播衰减系数，f_s∈F_T，F_T表示本舰辐射噪声频段，S表示本舰辐射噪声功率，g(θ₀,θ_s)表示主瓣对准θ₀时目标方向θ_s上的信号阵处理增益；α(f_k,r_k)表示传播衰减系数，f_k∈F_J，F_J表示分布式干扰噪声信号频率范围；由步骤2确定；J_k表示本舰辐射噪声功率，由步骤3确定；g(θ₀,θ_k)表示主瓣对准θ₀时干扰器方向θ_k上的阵处理增益；N为敌方声纳基阵处的背景噪声功率，假设其为各向同性噪声；

求出在θ₀方向上使得敌方声纳不能正常探测目标的临界干扰功率：

其中，r_s表示本舰到敌方声纳的距离；r_k表示第k个干扰器到敌方声纳的距离；

在某一方向上不同干扰器所发信号的功率响应的叠加值为此方向上总干扰功率响应，当所有需要掩护的角度上的干扰功率响应大于临界干扰功率时，分布式干扰可以成功达到掩护本舰逃离的目的；为了尽可能提高干扰资源利用率，需要使干扰器之间的分布间隔尽可能大，从而以更少的干扰器覆盖所需干扰区域，因此最优的干扰情况是在所有角度上各干扰源功率响应之和刚好达到临界干扰功率响应，将其简化为模型：

maxγ_J＝θ_max-θ_min

其中，K为总干扰器数量，角标k表示本舰发出的第k个干扰器；γ_J表示有效干扰的角度范围，θ_max和θ_min分别为步骤1中所求得的所需干扰压制范围θ_s1～θ_s2中的最大值和最小值；K₀表示本舰最多可提供的干扰源个数，J₀表示单个干扰源最大发射功率，γ₀表示覆盖目标运动区域的最小角度范围；当求得最大干扰间隔时，若需要干扰的范围给定，可以求出达到干扰要求所需的最少干扰源个数；

步骤5：确定干扰器个数：

假设干扰源总个数为K，总有效干扰区域为γ_J，那么有

γ_J＝(K-1)θ_d+2θ_s；

式中，θ_s表示最外侧两干扰源功率响应无重叠的部分中超过临界干扰功率的范围；若需要掩护的范围为γ_T，则需要γ_J≥γ_T，即

γ_J＝(K-1)θ_d+2θ_s≥γ_T；

那么根据上式可以求出，当最佳分布间隔为θ_d，所需掩盖范围为γ_T时，需要的最小干扰器个数为

式中，

表示向上取整。

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