水聲對(duì)抗裝備模塊化仿真

張永峰，王紅萍，曲 豐

(91388部隊(duì)，廣東 湛江 524022)

0 引言

近年來(lái)，水聲對(duì)抗裝備在對(duì)抗作戰(zhàn)中的重要地位受到研究人員的高度重視［1］?；诓煌男枨?，諸多單位都對(duì)水聲對(duì)抗裝備建模展開(kāi)了研究，并利用仿真方法對(duì)裝備的各項(xiàng)性能進(jìn)行評(píng)估，以滿足裝備研制生產(chǎn)、試驗(yàn)鑒定以及作戰(zhàn)訓(xùn)練模擬的需求。由于水聲對(duì)抗裝備模型的建立大多是基于具體型號(hào)，各單位在仿真中對(duì)模塊的復(fù)用性重視不夠，建模不規(guī)范，模型的通用化程度不高，致使同一個(gè)單位的研究人員也很難實(shí)現(xiàn)模塊及資源共享。本文在分析、歸類和整理了不同類型對(duì)抗裝備的性能特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，依據(jù)其工作原理及流程對(duì)其進(jìn)行最小功能化，提取裝備共性的部分進(jìn)行功能模塊化;同時(shí)，規(guī)范對(duì)抗裝備的內(nèi)、外部接口關(guān)系。通過(guò)功能的靈活配置，調(diào)用者可按照給定的型號(hào)指標(biāo)配置要求，生成或修改相應(yīng)的配置文件，對(duì)聲學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)模塊進(jìn)行選擇性整合，生成新型號(hào)或我國(guó)現(xiàn)役主要對(duì)抗裝備的仿真實(shí)體，完成對(duì)抗裝備聲學(xué)工作過(guò)程及運(yùn)動(dòng)方式的仿真。仿真驗(yàn)證表明了該模塊化通用設(shè)計(jì)思想的正確性，在對(duì)抗裝備的系統(tǒng)化仿真中具有良好的應(yīng)用前景。

1 水聲對(duì)抗裝備性能分析

1.1 對(duì)抗裝備分類

水聲對(duì)抗裝備可分為軟殺傷裝備和硬殺傷裝備2類，但按照裝備的自身特性可有以下幾種分法:

1)按是否發(fā)射聲波可分為有源和無(wú)源2類［2］。有源對(duì)抗裝備指對(duì)抗裝備利用自身水聲換能器向外發(fā)射聲波，如噪聲干擾器、聲誘餌等。無(wú)源對(duì)抗裝備自身不向外發(fā)射聲波，如氣幕彈等。

2)按水聲對(duì)抗裝備的工作原理可分為背景噪聲干擾型和信號(hào)干擾型［3－4］。背景噪聲干擾型對(duì)抗裝備在魚(yú)雷或聲吶工作頻段內(nèi)施放干擾噪聲，以降低魚(yú)雷或聲吶檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)性能，如高頻/低頻干擾器;信號(hào)干擾型對(duì)抗裝備既能模擬艦船輻射噪聲、艦船回波信號(hào)和魚(yú)雷主動(dòng)應(yīng)答信號(hào)，又能模擬艦船的機(jī)動(dòng)性能，如潛艇模擬器、聲誘餌等。

3)按機(jī)動(dòng)能力可分為懸浮式、拖曳式、自航式和火箭助飛式等［5］。懸浮式對(duì)抗裝備不具有水平面機(jī)動(dòng)能力，但可以做垂直方向的定深運(yùn)動(dòng);拖曳式對(duì)抗裝備由艦艇用纜繩拖動(dòng)航行;自航式對(duì)抗裝備具有水平和垂直機(jī)動(dòng)能力，可按設(shè)定好的機(jī)動(dòng)方案進(jìn)行機(jī)動(dòng);火箭助飛式對(duì)抗裝備借助火箭發(fā)動(dòng)機(jī)把對(duì)抗裝備投送到較遠(yuǎn)的位置，入水后一般呈現(xiàn)懸浮狀態(tài)。

由以上分類可看出，水聲對(duì)抗裝備自身特性的3種分類方式可以歸納為2種主要的性質(zhì):運(yùn)動(dòng)學(xué)特性和聲學(xué)特性。這2種特性是進(jìn)行模塊功能化的基礎(chǔ)。

1.2 對(duì)抗裝備功能分解

基于水聲對(duì)抗裝備的聲學(xué)特性和運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，可將水聲對(duì)抗裝備模塊劃分為聲學(xué)模塊和運(yùn)動(dòng)學(xué)模塊［6］，如圖1 所示。

水聲對(duì)抗裝備的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性模塊中，主要?dú)w納為自航式、拖曳式、懸浮式和火箭助飛式4類彈道模型，每類模型中都包括對(duì)抗裝備的航行方式，各時(shí)刻位置坐標(biāo)、姿態(tài)等。對(duì)自航式聲誘餌，需要確定彈道方式、發(fā)射深度、初始轉(zhuǎn)角、航行速度、航行深度等運(yùn)動(dòng)參數(shù);對(duì)拖曳式誘餌，需要確定放纜長(zhǎng)度、布放速度、布放深度、運(yùn)動(dòng)規(guī)律控制等參數(shù);對(duì)于懸浮式水聲對(duì)抗裝備，需要增加漂行速度、上不漂行帶的深度等參數(shù);對(duì)火箭助飛式對(duì)抗裝備，需要增加發(fā)射方向、布放距離等參數(shù)。

在水聲對(duì)抗裝備的聲學(xué)模塊中，需要考慮背景噪聲干擾型和信號(hào)干擾型對(duì)抗裝備。背景噪聲干擾型對(duì)抗裝備如噪聲干擾器，其性能主要體現(xiàn)在輻射噪聲和發(fā)射聲源級(jí)上，可以通過(guò)寬帶噪聲模塊(既可產(chǎn)生低頻噪聲也可產(chǎn)生高頻噪聲)和發(fā)射換能器模塊來(lái)模擬這種類型對(duì)抗裝備;信號(hào)干擾型對(duì)抗裝備如聲誘餌的性能則可歸納為掃頻噪聲模塊、線譜噪聲模塊、調(diào)制噪聲模塊、主動(dòng)回波模塊、換能器模塊和噪聲幅度控制模塊。幾類模型中，涵蓋了通用的對(duì)抗裝備的工作原理，輸入、輸出信號(hào)，信號(hào)處理，干擾噪聲發(fā)生，艦艇輻射噪聲模擬，自導(dǎo)回波模擬等。由于對(duì)抗裝備種類繁多及對(duì)抗方式的多樣化，因此在通用化的模型研究中還需要進(jìn)行頻段、聲級(jí)、回波參數(shù)和工作方式等參數(shù)的設(shè)定。

圖1 對(duì)抗裝備模塊劃分圖Fig.1 Module division graph of underwater acoustic countermeasure equipment

2 對(duì)抗裝備功能模塊靈活配置

2.1 參數(shù)的靈活配置

仿真模型是以參數(shù)為驅(qū)動(dòng)的。在水聲對(duì)抗裝備的仿真建模過(guò)程中，運(yùn)動(dòng)方式和聲學(xué)工作具有多樣性和復(fù)雜性的特點(diǎn)，為了體現(xiàn)模型的通用性和靈活性，參數(shù)數(shù)量和性質(zhì)必然比較復(fù)雜。不同的參數(shù)在通用性的架構(gòu)下作用范圍和性質(zhì)也不一樣。例如各仿真實(shí)體的三維坐標(biāo)，在程序開(kāi)始運(yùn)行前需要設(shè)定，即通常所言的發(fā)射位置，由于程序在運(yùn)行過(guò)程中，這個(gè)參數(shù)時(shí)刻在改變，需要考慮進(jìn)去;而如對(duì)抗裝備的工作時(shí)間這類參數(shù)，仿真開(kāi)始前指定以后，在整個(gè)仿真過(guò)程中就不再變化。因此，必須按照各種參數(shù)在仿真過(guò)程中的作用來(lái)設(shè)計(jì)其結(jié)構(gòu)并確定其在何種模塊中定義的位置。仿真過(guò)程中，分別對(duì)應(yīng)不同的配置方法，參數(shù)可分為以下3類:

第1類為配置參數(shù)。此類參數(shù)一般在模型初始化時(shí)根據(jù)要仿真的對(duì)抗裝備具體參數(shù)設(shè)定。這些參數(shù)一般只隨型號(hào)裝備改變而不隨單個(gè)裝備或單次仿真改變，即一次設(shè)定后可以基本不做改變或改動(dòng)較少。如調(diào)制參數(shù)中的螺旋槳調(diào)制頻率;換能器參數(shù)中的發(fā)射水平開(kāi)角、接收水平開(kāi)角;掃頻參數(shù)中的掃頻周期等。這類型參數(shù)可以利用INI格式文件來(lái)進(jìn)行存儲(chǔ)配置。INI是微軟Windows操作系統(tǒng)中的文件擴(kuò)展名，為英文Initial的縮寫。INI文件常被用來(lái)對(duì)操作系統(tǒng)或特定程序初始化或進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。INI文件的書(shū)寫格式一般為字段名加對(duì)應(yīng)鍵值的模式。［］里面的內(nèi)容為1個(gè)字段名，后面緊跟鍵名和鍵值，賦值采用鍵名=鍵值的形式。每個(gè)［］及其后面的內(nèi)容表示1個(gè)節(jié)，分節(jié)儲(chǔ)存需要配置的參數(shù)。在仿真型號(hào)裝備時(shí)，通過(guò)讀取配置INI文件，修改文件的內(nèi)容來(lái)更改模型的初始化參數(shù)，從而避免修改源程序。

第2類為裝訂參數(shù)。此類參數(shù)在每次仿真開(kāi)始前均需設(shè)定，一般需要根據(jù)對(duì)抗裝備個(gè)體或具體的仿真來(lái)確定，如運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)中的三維坐標(biāo);拖曳式誘餌要設(shè)置的拖纜長(zhǎng)度、收放速度等，此類參數(shù)可以在發(fā)射對(duì)抗裝備的參數(shù)設(shè)置對(duì)話框中由用戶輸入，然后傳遞給對(duì)抗裝備的構(gòu)造函數(shù)，完成裝訂參數(shù)的初始化功能。

第3類為過(guò)程參數(shù)。此類參數(shù)在仿真過(guò)程中會(huì)有所改變，它包含部分裝訂參數(shù)，需要在具體的仿真流程設(shè)計(jì)中把它們考慮進(jìn)來(lái)。如對(duì)抗裝備的當(dāng)前工作模式(針對(duì)不同工作模式會(huì)有不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài))，主動(dòng)回波參數(shù)的當(dāng)前多普勒頻移等。過(guò)程參數(shù)是在仿真進(jìn)行中不斷變化的，故它們需要實(shí)時(shí)解算和更新，然后把必要的信息反映在模型參數(shù)界面上。如工作狀態(tài)的變化一方面要實(shí)時(shí)顯示在圖形界面上，另一方面將決定仿真流程的走向。因此，這類參數(shù)在編程中可利用函數(shù)的形參傳遞，仿真中把實(shí)參賦值給形參，完成解算。

2.2 接口關(guān)系

2.2.1 靈活配置功能接口

在定制型號(hào)的對(duì)抗裝備仿真研究中，可以通過(guò)定制仿真對(duì)象的功能及參數(shù)，組合特定的聲學(xué)功能和運(yùn)動(dòng)學(xué)功能模塊，來(lái)實(shí)現(xiàn)靈活配置的功能。圖2為靈活配置功能的接口關(guān)系。

調(diào)用者通過(guò)配置文件或輸入?yún)?shù)的形式對(duì)水聲對(duì)抗裝備仿真對(duì)象的聲學(xué)及運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)進(jìn)行定制，靈活配置功能模塊按聲學(xué)參數(shù)配置和運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)配置的要求選定特定的聲學(xué)模塊和運(yùn)動(dòng)學(xué)模塊，并對(duì)其進(jìn)行模塊型號(hào)的初始化。

2.2.2 對(duì)抗裝備內(nèi)部接口

對(duì)抗裝備內(nèi)部接口關(guān)系包括聲學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)特性仿真接口，接口內(nèi)部的聲學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)的交互流程反映了對(duì)抗裝備的工作過(guò)程，內(nèi)部接口關(guān)系見(jiàn)圖3。

圖3 對(duì)抗裝備內(nèi)部接口關(guān)系圖Fig.3 Internal interface relational graph of countermeasure equipment

聲學(xué)特性仿真中，噪聲發(fā)生器生成白噪聲，按照待模擬的被動(dòng)目標(biāo)的輻射噪聲頻譜結(jié)構(gòu)、噪聲譜級(jí)進(jìn)行調(diào)制，生成目標(biāo)模擬噪聲信號(hào);自導(dǎo)信號(hào)參數(shù)檢測(cè)模塊對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)，提取魚(yú)雷自導(dǎo)信號(hào)波形、強(qiáng)度等數(shù)據(jù)傳遞給自導(dǎo)回波模擬模塊，按待模擬的主動(dòng)目標(biāo)回波的目標(biāo)強(qiáng)度、多普勒、展寬時(shí)間進(jìn)行調(diào)制，生成模擬目標(biāo)回波;掃頻信號(hào)發(fā)生器按待模擬的目標(biāo)信號(hào)掃頻周期、頻率范圍及譜級(jí)等參數(shù)生成模擬掃頻信號(hào)。此3類信號(hào)通過(guò)聲學(xué)數(shù)據(jù)輸出接口與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行交互。

運(yùn)動(dòng)學(xué)特性仿真中，按照靈活配置功能模塊選定的彈道模式，防御方將對(duì)抗裝備的初始方位及初始航速等參數(shù)發(fā)送給相應(yīng)的彈道仿真模塊，由彈道仿真模塊完成對(duì)抗裝備的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性模擬。

2.2.3 對(duì)抗裝備外部接口

由于對(duì)抗裝備的運(yùn)動(dòng)特性和聲學(xué)特性必須與魚(yú)雷、防御方的聲學(xué)及運(yùn)動(dòng)特性等多種參數(shù)相互聯(lián)系，因而，對(duì)抗裝備模型的驗(yàn)證可以通過(guò)對(duì)仿真過(guò)程和仿真結(jié)果進(jìn)行記錄和分析來(lái)進(jìn)行。為此，設(shè)置必要的仿真環(huán)境進(jìn)行驗(yàn)證是一種簡(jiǎn)單有效辦法。如圖4所示，增設(shè)防御方節(jié)點(diǎn)、魚(yú)雷自導(dǎo)節(jié)點(diǎn)和管理節(jié)點(diǎn)，防御方節(jié)點(diǎn)以調(diào)用者的角色，通過(guò)調(diào)用靈活配置功能模塊，把仿真所需配置參數(shù)寫入配置文件，完成新型號(hào)對(duì)抗裝備聲學(xué)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)的定制;魚(yú)雷自導(dǎo)節(jié)點(diǎn)與對(duì)抗節(jié)點(diǎn)相互交換運(yùn)動(dòng)參數(shù)，基于姿態(tài)參數(shù)，兩節(jié)點(diǎn)完成聲學(xué)參數(shù)的解算;管理節(jié)點(diǎn)則提供各節(jié)點(diǎn)同步運(yùn)行的時(shí)鐘節(jié)拍，在統(tǒng)一的時(shí)空設(shè)置下，顯示相關(guān)節(jié)點(diǎn)的聲學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)更新;同時(shí)，管理節(jié)點(diǎn)將聲學(xué)仿真結(jié)果和運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真結(jié)果分別形成輸出文件，通過(guò)對(duì)輸出文件并進(jìn)行相應(yīng)的圖形顯示和分析，可以驗(yàn)證對(duì)抗裝備模型的正確性。

圖4 對(duì)抗裝備外部接口關(guān)系Fig.4 Exterior interface relational graph of countermeasure equipment

3 型號(hào)對(duì)抗裝備的仿真實(shí)現(xiàn)

3.1 裝備仿真結(jié)構(gòu)

仿真研究中，為了考慮通用性的要求，采用C++語(yǔ)言中基類——派生類的關(guān)系來(lái)構(gòu)建對(duì)抗裝備。在設(shè)計(jì)對(duì)抗裝備的結(jié)構(gòu)時(shí)，考慮到運(yùn)動(dòng)特征具有排它性，可以通過(guò)總結(jié)多種對(duì)抗裝備的特性，將它們的共性，如對(duì)抗器材的初始化運(yùn)動(dòng)參數(shù)、發(fā)射時(shí)刻等提取出來(lái)，建立1個(gè)對(duì)抗裝備的共性參數(shù)基類，根據(jù)不同運(yùn)動(dòng)方式，從中衍化出派生類——懸浮式、拖曳式、自航式等［6］;此外，由于不同的聲學(xué)工作方式可能在同一種運(yùn)動(dòng)方式的對(duì)抗裝備中共存，所以可以設(shè)計(jì)多個(gè)聲學(xué)模塊類并將其歸納為基類的組成部分:包括寬帶噪聲類、掃頻噪聲類、線譜噪聲類等。在生成型號(hào)對(duì)抗裝備時(shí)，按照型號(hào)的參數(shù)配置，由對(duì)抗裝備派生類調(diào)用基類聲學(xué)模塊中的一種或幾種，利用C++語(yǔ)言中的虛函數(shù)重載運(yùn)動(dòng)方式，就能實(shí)現(xiàn)通用性的設(shè)計(jì)目的。型號(hào)對(duì)抗裝備仿真對(duì)象的總體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5。

圖5 對(duì)抗裝備仿真對(duì)象的總體結(jié)構(gòu)Fig.5 Overall structure graph of simulation object for countermeasure equipment

3.2 仿真實(shí)現(xiàn)

某型自航式聲誘餌可以模擬艦船輻射噪聲，利用良好的水平和垂直機(jī)動(dòng)能力，通過(guò)應(yīng)答魚(yú)雷主動(dòng)尋的信號(hào)，來(lái)誘騙來(lái)襲魚(yú)雷。其聲學(xué)特性模塊可歸納為寬帶噪聲、回波應(yīng)答、換能器3個(gè)模塊，運(yùn)動(dòng)特性則為自航式。圖6為參數(shù)配置模塊中的通用聲學(xué)特性參數(shù)配置對(duì)話框，可以通過(guò)選擇或修改配置文件來(lái)定制該型號(hào)聲誘餌的聲學(xué)及運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)。參數(shù)配置模塊使對(duì)抗仿真的外在表現(xiàn)具有了通用性。在這里可以設(shè)置運(yùn)動(dòng)學(xué)和聲學(xué)所需的各種參數(shù)，從而能仿真出理想的各型對(duì)抗裝備。

圖6 通用聲學(xué)特性參數(shù)配置對(duì)話框Fig.6 Configuration dialog box of general acoustics characteristic parameter

防御方裝訂單次仿真開(kāi)始前的三維坐標(biāo)、對(duì)抗裝備發(fā)射初始方位、初始航速，以及各次彈道變更的時(shí)間(相對(duì)于發(fā)射時(shí)刻)、航向變化量、航速變化量、航深變化量等相關(guān)參數(shù)，對(duì)抗裝備仿真節(jié)點(diǎn)開(kāi)始運(yùn)行，每個(gè)仿真節(jié)拍需要進(jìn)行主動(dòng)聲學(xué)線程、被動(dòng)聲學(xué)線程和運(yùn)動(dòng)參數(shù)的解算，系統(tǒng)管理節(jié)點(diǎn)可以數(shù)據(jù)化或圖形化顯示出每節(jié)拍解算的結(jié)果，實(shí)時(shí)地把程序的解算與對(duì)應(yīng)結(jié)果的顯示實(shí)時(shí)反映在界面上。對(duì)照我們先前設(shè)置的參數(shù)信息，以驗(yàn)證運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真和聲學(xué)仿真模塊設(shè)計(jì)的正確性。圖7為仿真對(duì)象運(yùn)動(dòng)軌跡圖。

圖7 仿真對(duì)象運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.7 Trajectory diagram of simulation object movement

4 結(jié)語(yǔ)

水聲對(duì)抗裝備仿真研究是綜合研究水聲對(duì)抗裝備性能，提高反魚(yú)雷戰(zhàn)技指標(biāo)的有效手段。本文對(duì)水聲對(duì)抗裝備仿真研究中的模塊通用化進(jìn)行了研究，提出了參數(shù)功能配置和模塊集成的新方法，突破了以往單個(gè)對(duì)抗裝備型號(hào)建模仿真的局限性，可有效地實(shí)現(xiàn)模塊及資源的共享，提高模塊的復(fù)用性，為水聲對(duì)抗仿真的系統(tǒng)化集成提供了新的思路。

［1］姚藍(lán)，劉平香.反魚(yú)雷水聲對(duì)抗技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.聲學(xué)技術(shù)，2001，(4):183 －187.YAO Lan，LIU Ping-xiang.Present and future of anti torpedo countermeasure technology［J］. Acoustic Technology，2001，(4):183 －187.

［2］陳軍.水聲對(duì)抗裝備建模及效能評(píng)估研究［D］.西安:西北工業(yè)大學(xué)，2008.CHEN Jun.Modeling and efficiency evaluation of underwater acoustic counterwork equipments［D］.Xi'an:Northwestern Polytechnical University，2008.

［3］陳春玉，等.反魚(yú)雷技術(shù)［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2006.CHEN Chun-yu，et al.Anti-torpedo technology［M］.Beijing:National Defense Industry Press，2006.

［4］王百合.水聲對(duì)抗系統(tǒng)的建模與仿真技術(shù)研究［D］.西安:西北工業(yè)大學(xué)，2005.WANG Bei-he.Modeling and simulation of underwater acoustic countermeasure system［D］.Xi'an:Northwestern Polytechnical University，2005.

［5］王琳.水聲對(duì)抗器材建模及目標(biāo)特征參數(shù)提取方法研究［D］.西安:西北工業(yè)大學(xué)，2000.WANG Lin.Study on the modeling of underwater acoustic countermeasure equipments and the methods of target feature extraction［D］.Xi'an:Northwestern Polytechnical University，2000.

［6］徐寧來(lái).通用水聲對(duì)抗裝備仿真軟件總體設(shè)計(jì)［D］.西安:西北工業(yè)大學(xué)，2009.XU Ning-lai.General underwater acoustic countermeasure equipmentsimulation software design［D］.Xi'an:Northwestern Polytechnical University，2009.