半實物仿真在水聲對抗中的實現(xiàn)方法探討

呂海濤，譚 鑫，管啟亮

（中國人民解放軍91439部隊，遼寧 大連116041）

0 引言

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速進(jìn)步，水下作戰(zhàn)中的水聲對抗也在向集群化、一體化的方向發(fā)展，作戰(zhàn)環(huán)境將更為復(fù)雜、方式將更為靈活、目標(biāo)和類型將更加多樣，所以如何在復(fù)雜水聲環(huán)境中實現(xiàn)水聲對抗將是未來水下戰(zhàn)爭的關(guān)鍵?；诔杀尽⒓夹g(shù)條件及實現(xiàn)難度等綜合因素，多目標(biāo)、復(fù)雜干擾的實航試驗環(huán)境是難以構(gòu)建的，因此以實裝和實測數(shù)據(jù)為依托的半實物仿真對抗技術(shù)應(yīng)運而生，并在水中兵器的測試、批檢和實兵演練中起到了越來越大的作用。如何將半實物仿真技術(shù)與水聲對抗技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來并應(yīng)用于實戰(zhàn)，已經(jīng)成為該技術(shù)應(yīng)用的一個重要課題。

1 半實物仿真的實現(xiàn)與構(gòu)建

1.1 復(fù)雜水聲環(huán)境構(gòu)建及功能

1）構(gòu)建水下戰(zhàn)場環(huán)境。水下戰(zhàn)場環(huán)境的構(gòu)建主要是對目標(biāo)背景環(huán)境的模擬。目標(biāo)背景生成系統(tǒng)由水下基陣、可控目標(biāo)／背景信號生成器、目標(biāo)／背景生成計算機(jī)等組成。水下基陣包括目標(biāo)、混響、人工干擾、自噪聲等，用于模擬目標(biāo)的聲學(xué)特性、混響背景和人工干擾，由可控目標(biāo)／背景信號生成器驅(qū)動。目標(biāo)／背景生成計算機(jī)接收海洋環(huán)境參數(shù)、魚雷和目標(biāo)的狀態(tài)參數(shù)，完成對目標(biāo)、混響、自噪聲等的聲學(xué)特性和人工干擾信號的實時解算和生成［1］。

目標(biāo)背景環(huán)境模擬以消聲水池、消聲變壓罐和水下聲學(xué)基陣為基礎(chǔ)，搭建一個近似的水聲自由物理場，變壓消聲水罐可以提供不同的魚雷等水中兵器的工作深度水壓，水下聲學(xué)基陣可以很方便地考察水中兵器在不同壓力下的相應(yīng)特性以及對接收信號的影響。水下聲學(xué)基陣可以在內(nèi)場消聲水池中進(jìn)行小范圍的搭建，用以測試、測量單個目標(biāo)在簡單環(huán)境下的指標(biāo)，也可以在外場真實海域海底搭建，但由于環(huán)境和經(jīng)費的制約，這種外場水下聲學(xué)基陣還沒有廣泛地應(yīng)用于水聲對抗試驗中。

2）解決水聲信道的有限性、不均勻性、時變性所帶來的問題。在地面可以將傳播介質(zhì)看成一種純凈的單一介質(zhì)，但是在水下，不同溫度［2］、密度、鹽度、甚至風(fēng)浪的影響都使水聲信號的阻抗、衰減變大，且聲信道具有有限性、不均勻性、時變性等特性，使得接收信號發(fā)生了變形、展寬、起伏、去相關(guān)、頻移和時間頻率及空間方位模糊等畸變，因此無法準(zhǔn)確測量目標(biāo)的非線性、干擾性、耦合性等具體特征。而內(nèi)場半實物仿真既可以通過建好的數(shù)學(xué)模型模擬外場實際海況，又可以對目標(biāo)的實際情況進(jìn)行真實的反應(yīng)。

3）避免水下自然噪聲及無意干擾。由于大多數(shù)試驗都在近海進(jìn)行，所以岸邊的地雜波、水下的海雜波，以及己方艦船、設(shè)備產(chǎn)生的一些輻射信號、機(jī)械噪聲、螺旋槳噪聲、流噪聲［3］都可能對測控設(shè)備產(chǎn)生一定的干擾，當(dāng)這種干擾達(dá)到一定程度，將嚴(yán)重影響測量結(jié)果，甚至無法完成相應(yīng)的試驗測試項目。而內(nèi)場半實物仿真由于處于消聲水池或變壓消聲罐中，既可以消減不必要的地海雜波，還可以避免己方艦船、潛艇和大功率發(fā)射機(jī)對測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的干擾。

4）在外場實兵訓(xùn)練中，用簡單類艦艇式拖拽目標(biāo)、浮標(biāo)靶、換能器組合等方式模擬已知敵方目標(biāo)信號。而這些方法基本都可以通過半實物仿真在內(nèi)場實現(xiàn)，即可用外場測試得到的數(shù)據(jù)通過數(shù)學(xué)模型將敵方目標(biāo)各部位的反射信號真實地模擬出來，且可以更靈活地增加或改變目標(biāo)的數(shù)目和特性，解決了外場難以一次性模擬多個敵方目標(biāo)的瓶頸問題。

5）模擬敵方多目標(biāo)主動干擾。包括敵水聲通信源、敵水面及空中反潛平臺輻射噪聲、敵水下作戰(zhàn)平臺輻射噪聲、敵主動聲納信號、敵攻擊魚雷噪聲和自導(dǎo)信號、敵反潛浮標(biāo)主動信號及各種水聲對抗裝備。對水下威脅目標(biāo)的測量主要考慮單枚線導(dǎo)＋聲自導(dǎo)魚雷的軌跡測量。內(nèi)場半實物仿真試驗中，只要擁有足夠的干擾源，就可以通過建模的方式模擬多個敵方目標(biāo)的主動干擾，豐富了試驗的干擾樣式。目前應(yīng)用比較廣泛的主要是目標(biāo)輻射噪聲信號模擬。

①艦船噪聲信號模擬

目標(biāo)輻射噪聲信號仿真模型根據(jù)普遍采用的假設(shè)，艦船噪聲近似服從高斯分布，其統(tǒng)計特性可通過二階距來描述。因此，對艦船噪聲的仿真可歸結(jié)為對隨機(jī)信號相關(guān)特性或功率譜特性的仿真。艦船噪聲時變功率譜可表示為［4］：G（t，f）＝GX（f）＋GL（f）＋M（t）·M（f）GX（f），其中GX（f）為平穩(wěn)各態(tài)歷經(jīng)高斯過程的連續(xù)譜，GL（f）為在頻率上離散分布的線譜，M（t）·M（f）GX（f）是譜級受到周期調(diào)制的時變功率譜。M（t）稱為調(diào)制函數(shù)，代表連續(xù)譜所受到的周期時變調(diào)制；M （f）為調(diào)制深度譜，反映不同頻率成份所具有的不同調(diào)制程度。

②目標(biāo)強(qiáng)度模型

這里選定的標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)是具有Urick 提出的典型“蝶形”曲線強(qiáng)度的目標(biāo)［3］。目標(biāo)強(qiáng)度通過目標(biāo)等效橢球體的投影面積和聲反射系數(shù)確定。具體應(yīng)用中，主要考慮了目標(biāo)強(qiáng)度隨目標(biāo)形狀、大小及入射聲波方位（舷角）的變化，即由下式給出［4］：

式中，S 為目標(biāo)沿入射聲波方向的投影面積；V 為入射聲波方位上的聲反射能力。有：

式中，a、b、c為目標(biāo)潛艇等效橢球體的半軸長度；φ 為舷角弧度。當(dāng)目標(biāo)等效橢球體取長100m、寬10m、高8m 的典型值（即a＝50、b＝5、c＝4）時，則根據(jù)上式計算的目標(biāo)強(qiáng)度與Urick提出的“蝶形”曲線一致。

③目標(biāo)輻射噪聲SL 及其方向性

目標(biāo)的輻射噪聲與目標(biāo)噸位、速度、航行深度等因素有關(guān)，其經(jīng)驗公式為：

式中，Vm為目標(biāo)航速（節(jié)）。

式（3）也可用下面的方向性函數(shù)描述［2］：

1.2 水聲環(huán)境及攻守雙方平臺的建模

1）復(fù)雜水聲環(huán)境的建模

包括：水下地形及地貌的建模；界面混響與體積混響模型［5］；水溫梯度及聲速模型；聲線模型與多途傳播模型；其他海洋聲學(xué)參數(shù)。

2）目標(biāo)模擬的建模

包括：水下兵器發(fā)射及接收基陣指向性與發(fā)射信號描述模型；目標(biāo)反射模型；魚雷航行噪聲模型；聚焦系數(shù)與垂直方位角模型；水下航行體自導(dǎo)導(dǎo)引目標(biāo)檢測與識別模型［6］（含對抗信號與信息處理）；水下目標(biāo)彈道控制模型。

3）干擾模擬的建模

常見的水聲對抗干擾按照信號形式可分為：壓制干擾、寬帶阻塞干擾、寬帶瞄準(zhǔn)干擾、回波重發(fā)或噪聲誘餌干擾［7］與氣幕彈干擾等。干擾模擬的建模包括：壓制干擾模型；寬帶噪聲阻塞干擾模型；寬帶瞄準(zhǔn)干擾模型；噪聲誘餌模型；氣霧彈模型；無源干擾模型。

本文主要討論的是水聲對抗在內(nèi)場的半實物仿真實現(xiàn)方法，而非具體的建模，因此對大量的模型不做具體的舉例。

1.3 仿真軟件的構(gòu)建

仿真軟件的構(gòu)建主要依托仿真數(shù)據(jù)庫，由控制軟件將已知的數(shù)據(jù)通過數(shù)學(xué)模型來模擬真實戰(zhàn)場環(huán)境，并圖形化地顯示在界面中，數(shù)據(jù)錄取平臺再將仿真試驗中各部位接收到的信息存儲起來，通過錄入、分選、整理后存入仿真數(shù)據(jù)庫，也可以在顯示界面完成顯示、比對的功能。其主要構(gòu)成包括：仿真主機(jī)；實時控制軟件；實時顯示軟件；仿真模型；數(shù)據(jù)錄取及處理平臺；仿真數(shù)據(jù)庫。

2 基于半實物仿真的水聲對抗實現(xiàn)方法

2.1 水聲對抗的科目設(shè)置和方案設(shè)計

水聲對抗研練科目是根據(jù)研練的計劃進(jìn)行設(shè)置，其作戰(zhàn)想定針對性很強(qiáng)，而研練方案則是根據(jù)設(shè)置的科目確定。研練方案一般包括測控、作戰(zhàn)環(huán)境模擬設(shè)置等方案內(nèi)容，在實航試驗中這些方案的設(shè)計受到海況、兵力部署和其他外在因素的影響而無法完全實現(xiàn)。但半實物仿真試驗卻可以排除這些影響，依據(jù)若干種具有真實作戰(zhàn)背景的水聲對抗系統(tǒng)作戰(zhàn)想定，在保證研練方案作戰(zhàn)背景真實的前提下，根據(jù)測控、靶標(biāo)、海洋環(huán)境測量、指控等實際情況，通過系統(tǒng)仿真等手段來研究確定。這將在一定程度上解決部隊研練和實戰(zhàn)要求差距大的問題，又能有效解決水下對抗研練效果評估的數(shù)據(jù)來源問題。

2.2 水聲對抗仿真訓(xùn)練與研練過程仿真推演

基于半實物的模擬仿真訓(xùn)練和仿真推演是提高研練效果的有效手段。在實兵研練前，對水聲對抗研練實施方案進(jìn)行仿真推演，將有利于作戰(zhàn)人員進(jìn)一步熟悉和完善研練實施方案。但這種推演和仿真訓(xùn)練既要貼近實際情況又要控制成本，所以無論是單一的數(shù)字化仿真還是實航訓(xùn)練都無法很好地達(dá)到效果。而半實物仿真訓(xùn)練和推演卻可以很好地將這兩點要求完成。半實物仿真依托實裝和實測數(shù)據(jù)，可以模擬出真實的工作狀態(tài)，同時輔以多媒體演示的手段，對水下試驗過程進(jìn)行展示，為理解不可見的水下對抗過程起到了一定的作用。其比實航訓(xùn)練節(jié)省人力、物力，且不受自然條件制約，所以已經(jīng)成為未來水聲對抗操作手的主要訓(xùn)練、測試手段。

2.3 半實物仿真平臺的構(gòu)建

半實物仿真平臺的建立，是依托現(xiàn)有模擬設(shè)備和實測數(shù)據(jù)，在特定區(qū)域營造一個近似于實戰(zhàn)的環(huán)境。通過多部模擬器的目標(biāo)環(huán)境的模擬，完成紅藍(lán)雙方對抗的目的。其主要分為內(nèi)場和外場。內(nèi)場可以在消聲水池和消聲變壓罐內(nèi)，搭建一個近似的水聲自由物理場。外場可以依托海底聲學(xué)基陣，很方便地考察水中兵器在真實海域的相應(yīng)特性以及對接收信號的影響。

2.4 對抗效果評估

“水聲對抗作戰(zhàn)效能評估”需要對作戰(zhàn)方案、目標(biāo)背景環(huán)境模擬逼真度、平臺對抗效果、測控、通信、指揮等多個環(huán)節(jié)進(jìn)行綜合評定，在考慮人為因素的前提下，應(yīng)側(cè)重于定量評估中的技術(shù)因素。可以采用并行仿真開發(fā)環(huán)境及高性能集群機(jī)，滿足復(fù)雜研練方案推演所要求的“超實時”、“大計算量”和“協(xié)同并行”的要求。

目前國內(nèi)尚未有一家機(jī)構(gòu)能夠?qū)λ晫沟男ЧM(jìn)行全面的評估，也沒有一種合理的評估方法能夠得到各方的廣泛認(rèn)同，并在整個水聲對抗領(lǐng)域形成權(quán)威。因此本文探索構(gòu)建一個合理的評估方法：

首先，對整個戰(zhàn)局進(jìn)行全局性的掌握，對對抗雙方在何種條件下才算完成既定目標(biāo)制定明確的標(biāo)準(zhǔn)。對作戰(zhàn)方案中的動作完成，按照重要性制定具體的分?jǐn)?shù)。

其次，從總控指揮臺開始，各部位的每一個動作都應(yīng)該有規(guī)范化的模版，而當(dāng)各部位完成動作有偏差時，完成情況對仿真對抗和整個戰(zhàn)局的影響大小都要量化處理。這就要求在仿真對抗之前對每一個部位的可能動作非常了解。

再次，必須將仿真對抗效果評估與海上對抗效果評估相結(jié)合，用海上實兵演練和內(nèi)、外場試驗結(jié)果來證明內(nèi)場仿真評估方法的正確性，并建立比對數(shù)據(jù)庫，通過大量的試驗測量數(shù)據(jù)和結(jié)果來反證評估方法的正確性和通用性。

最后，要有錯誤分析機(jī)制。當(dāng)失敗動作產(chǎn)生后，不能放任不管，必須分析失敗的原因和解決的方法，一來可以提供寶貴經(jīng)驗，避免實戰(zhàn)中出現(xiàn)類似錯誤；二來可以對操作手能力素質(zhì)的提高起到促進(jìn)作用；三來可以找到某些裝備和試驗設(shè)置中的缺陷。通過及時總結(jié)，不斷創(chuàng)新，逐步建立一套更加科學(xué)有效的評估體系和評估準(zhǔn)則。

3 目前面臨的問題和難點

1）由于模擬條件的局限，無論是半實物仿真還是全數(shù)字仿真，無論是內(nèi)場仿真還是外場仿真，所模擬的環(huán)境都是在最佳條件下的簡單環(huán)境，無法將不同溫度、密度、鹽度及水聲信號的阻抗、衰減，和聲信道的有限性、不均勻性、時變性導(dǎo)致的接收信號發(fā)生的變形、展寬、起伏、相關(guān)、頻移等畸變?nèi)磕M出來。所以和真實海戰(zhàn)場還是存在一定的差異。

2）海底聲學(xué)基陣布設(shè)存在一定困難。

3）缺少敵方目標(biāo)的第一手資料，對敵方目標(biāo)模擬的逼真度無法得到證實。

4）目前國內(nèi)尚未有一款通用性強(qiáng)的軟件能夠?qū)⒋蟛糠謶?zhàn)術(shù)、技術(shù)模型與實裝進(jìn)行接軌。

4 結(jié)束語

雖然在目前技術(shù)水平上存在諸多問題，但是在水聲對抗領(lǐng)域中試驗、測量由實航測試向內(nèi)、外場半實物仿真發(fā)展已經(jīng)勢不可擋，尤其是隨著聲學(xué)外場基陣的不斷布設(shè)和內(nèi)場模擬物理場的不斷完善，基于半實物仿真的水聲對抗試驗將得到更多的應(yīng)用。而各型裝備的一體化、集成化程度不斷加深，使得未來的水中兵器必將具備更廣泛的兼容性和通用性，這也為半實物仿真和水聲對抗的有機(jī)結(jié)合提供了更大的方便。所以如何更好地將半實物仿真技術(shù)應(yīng)用于水聲對抗領(lǐng)域，將是未來水聲對抗發(fā)展的重中之重。■

［1］劉永豐，關(guān)國樞，張西建，等.魚雷聲尋的制導(dǎo)半實物仿真系統(tǒng)研究與實現(xiàn)［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2003（3）.

［2］閻福旺.水聲對抗技術(shù)［M］.北京：海洋出版社，2003.

［3］Urick RJ.水聲原理［M］.洪申，譯.哈爾濱：哈爾濱船舶工程學(xué)院出版社，1990.

［4］杜功煥.聲 學(xué) 基 礎(chǔ)［M］.上 海：上 海 科 學(xué) 技 術(shù) 出 版社，1981.

［5］楊云川，崔懷林，李志舜.基于水聲物理場的魚雷制導(dǎo)半實物仿真方法及應(yīng)用［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報，2005（3）.

［6］Mansour MA，Smith BV，Edwards JA.PC-based realtime active sonar simulator［J］.Sonar and Navigation，1997，144（4）：227-233.

［7］宋志杰，史秋亮.潛艇水聲對抗原理與應(yīng)用［M］.北京：兵器工業(yè)出版社，2002.