基于半實(shí)物仿真的水聲對(duì)抗實(shí)現(xiàn)方法

【裝備理論與裝備技術(shù)】

基于半實(shí)物仿真的水聲對(duì)抗實(shí)現(xiàn)方法

呂海濤,譚鑫,管啟亮

(91439部隊(duì),遼寧 大連116041)

摘要：對(duì)水聲對(duì)抗技術(shù)如何與半實(shí)物仿真技術(shù)的結(jié)合和具體應(yīng)用方法進(jìn)行了研究，分析了半實(shí)物仿真的原理構(gòu)建，數(shù)學(xué)模型的建立、仿真對(duì)抗平臺(tái)的搭建以及對(duì)水聲對(duì)抗效能評(píng)估的方法。

關(guān)鍵詞：半實(shí)物仿真；水聲對(duì)抗；仿真效能評(píng)估

收稿日期：2014-09-20

作者簡(jiǎn)介：呂海濤(1981—)，男，工程師，主要從事水聲及水聲對(duì)抗研究；譚鑫(1989—)，男，助理工程師，主要從事水聲及水聲對(duì)抗研究；管啟亮(1988—)，男，助理工程師，主要從事水聲及水聲對(duì)抗研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.01.012

中圖分類號(hào)：TJ630

文章編號(hào)：1006-0707(2015)01-0041-03

本文引用格式：呂海濤,譚鑫,管啟亮.基于半實(shí)物仿真的水聲對(duì)抗實(shí)現(xiàn)方法[J].四川兵工學(xué)報(bào)，2015(1):41-43.

Citationformat:LYUHai-tao,TANXin,GUANQi-liang.AcousticCountermeasureBasedonHWILSimulation[J].JournalofSichuanOrdnance,2015(1):41-43.

AcousticCountermeasureBasedonHWILSimulation

LYUHai-tao,TANXin,GUANQi-liang

(The91439thTroopofPLA,Dalian116041,China)

Abstract:How the technique of HWIL simulation countermeasure was applied to the technique of acoustic countermeasure?What was the detailed method of it? With the above questions, the principle of HWIL simulation, the foundation of mathematics model, the acoustic platform of simulation and the method of effectiveness evaluation for acoustic countermeasure were all introduced and analyzed.

Keywords:HWILsimulation;acousticcountermeasure;simulationforeffectivenessevaluation

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(duì)抗也在向集群化、一體化方向發(fā)展,由于作戰(zhàn)環(huán)境將更為復(fù)雜、方式更為靈活,目標(biāo)和類型將更加多樣性，所以如何在復(fù)雜水聲環(huán)境中實(shí)現(xiàn)水聲對(duì)抗的效果將是未來水下戰(zhàn)爭(zhēng)的關(guān)鍵?；诔杀?、技術(shù)條件及實(shí)現(xiàn)難度等綜合因素,多目標(biāo)、復(fù)雜干擾的實(shí)航試驗(yàn)環(huán)境是難以構(gòu)建的,因此以實(shí)裝和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為依托的半實(shí)物仿真對(duì)抗技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，并在水中兵器的測(cè)試、批檢和實(shí)兵演練中起到了越來越大的作用。但如何將半實(shí)物仿真技術(shù)與水聲對(duì)抗技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來并應(yīng)用于實(shí)戰(zhàn)，已經(jīng)成為該技術(shù)利于的一個(gè)重要課題。

1半實(shí)物仿真的實(shí)現(xiàn)原理與構(gòu)建

半實(shí)物仿真主要通過數(shù)學(xué)建模的方式，利用現(xiàn)有裝備將設(shè)計(jì)好的信號(hào)通過模擬的方式發(fā)射到指定的水下環(huán)境中來，用以模擬復(fù)雜水下環(huán)境和多目標(biāo)干擾。

1.1目標(biāo)輻射噪聲信號(hào)模擬

1) 艦船噪聲信號(hào)模擬

目標(biāo)輻射噪聲信號(hào)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(jì)特性可通過二階距來描述。因此，對(duì)艦船噪聲的仿真可歸結(jié)為對(duì)隨機(jī)信號(hào)相關(guān)特性或功率譜特性的仿真。艦船噪聲時(shí)變功率譜可表示為[1]

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(jí)受到周期調(diào)制的時(shí)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(shí)變調(diào)制；M(f)為調(diào)制深度譜，反映不同頻率成分所具有的不同調(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)[2]。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[1]

(1)

式(1)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。相互之間的關(guān)系有:

(2)

式(2)中:a、b、c為目標(biāo)潛艇等效橢球體的半軸長(zhǎng)度;φ為舷角，弧度。當(dāng)目標(biāo)等效橢球體取長(zhǎng)100m，寬10m，高8m的典型值(即a=50，b=5，c=4)時(shí)，則根據(jù)式(2)計(jì)算的目標(biāo)強(qiáng)度與Urick提出的“蝶形”曲線一致。

3) 目標(biāo)輻射噪聲級(jí)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)，折合簡(jiǎn)化的經(jīng)驗(yàn)公式為

SL=86+1.8Vm

(3)

式中:Vm為目標(biāo)航速(節(jié))。式(3)為目標(biāo)輻射噪聲的用下面的方向性函數(shù)描述[3]

F(Qm)=0.3+3.965 523 13sinQm-105.165 148sin2Qm+

1 093.970 911sin3Qm-5 596.995 74sin4Qm+

16 776.574 1sin5Qm-31 451.003 36sin6Qm+

37 358.477 3sin7Qm-27 319.462 5sin8Qm+

11 221.651sin9Qm-1 981.321 93sin10Qm

(4)

1.2目標(biāo)背景環(huán)境模擬

目標(biāo)背景生成系統(tǒng)由水下基陣、可控目標(biāo)/背景信號(hào)生成器、目標(biāo)/背景生成計(jì)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(hào)生成器驅(qū)動(dòng)?？煽啬繕?biāo)/背景信號(hào)生成器分別驅(qū)動(dòng)水下基陣的目標(biāo)、混響、自噪聲和人工干擾等基陣。目標(biāo)/背景生成計(jì)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(duì)目標(biāo)、混響、自噪聲等的聲學(xué)特性和人工干擾信號(hào)的實(shí)時(shí)解算和生成[4]。

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(gè)近似的水聲自由物理場(chǎng)，變壓消聲水罐可以提供不同的魚雷等水中兵器工作深度水壓，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(duì)接收信號(hào)的影響。水下聲學(xué)基陣可以在內(nèi)場(chǎng)消聲水池中進(jìn)行小范圍的搭建，用以測(cè)試、測(cè)量單個(gè)目標(biāo)簡(jiǎn)單環(huán)境下的指標(biāo)，也可以在外場(chǎng)真實(shí)海域海底進(jìn)行搭建，但由于適宜搭建的外場(chǎng)海底環(huán)境和經(jīng)費(fèi)的制約，這種外場(chǎng)水下聲學(xué)基陣還沒有廣泛的應(yīng)用于水聲對(duì)抗試驗(yàn)中。

2基于半實(shí)物仿真的水聲對(duì)抗實(shí)現(xiàn)方法

2.1水聲對(duì)抗的科目設(shè)置和方案設(shè)計(jì)

水聲對(duì)抗研練科目是根據(jù)研練的計(jì)劃進(jìn)行設(shè)置，其作戰(zhàn)想定針對(duì)性很強(qiáng)，而研練方案則是根據(jù)設(shè)置的科目確定。依據(jù)研練科目確定的研練方案，一定會(huì)包括測(cè)控、作戰(zhàn)環(huán)境模擬設(shè)置等方案內(nèi)容，在實(shí)航試驗(yàn)中這些方案的設(shè)計(jì)受到海況、兵力部署和其他外在因素的影響無法完全實(shí)現(xiàn)。但半實(shí)物仿真試驗(yàn)卻可以排除因海況和兵力等因素的影響，依據(jù)若干種具有真實(shí)作戰(zhàn)背景的水聲對(duì)抗系統(tǒng)作戰(zhàn)想定，在保證研練方案作戰(zhàn)背景真實(shí)的前提下，根據(jù)測(cè)控、靶標(biāo)、海洋環(huán)境測(cè)量、指控等實(shí)際，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(duì)研練和實(shí)戰(zhàn)要求差距大的問題，又能有效解決水下對(duì)抗研練效果評(píng)估的數(shù)據(jù)來源問題。

2.2水聲對(duì)抗仿真訓(xùn)練與研練過程仿真推演

在實(shí)兵研練前，對(duì)水聲對(duì)抗研練實(shí)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(shí)施方案。對(duì)參訓(xùn)部隊(duì)的戰(zhàn)位操作手進(jìn)行針對(duì)研練方案的模擬仿真訓(xùn)練，使其盡可能地熟悉掌握研練方案各個(gè)環(huán)節(jié)所要求的操作，既能為海上實(shí)兵研練打下良好的技術(shù)基礎(chǔ)，又能減少成本、提高效益。但由于這種推演和仿真訓(xùn)練既需要更加貼近實(shí)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(shí)航訓(xùn)練都無法很好地達(dá)到效果，半實(shí)物仿真訓(xùn)練和推演卻可以很好地將這2點(diǎn)要求完成，半實(shí)物仿真依托實(shí)裝和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，可以模擬出真實(shí)的工作狀態(tài)，同時(shí)輔以多媒體演示的手段，對(duì)水下試驗(yàn)過程進(jìn)行展示，為理解不可見的水下對(duì)抗過程起到了一定的作用。又比實(shí)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(duì)抗操作手的主要訓(xùn)練、測(cè)試手段。

所以，基于半實(shí)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。

2.3半實(shí)物仿真平臺(tái)的構(gòu)建

半實(shí)物仿真平臺(tái)的建立，是依托現(xiàn)有模擬設(shè)備和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，在特定區(qū)域營造一個(gè)近似于實(shí)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(duì)抗的目的。其主要分為內(nèi)場(chǎng)和外場(chǎng)。內(nèi)場(chǎng)可以在消聲水池和消聲變壓罐內(nèi)，搭建一個(gè)近似的水聲自由物理場(chǎng)，而變壓消聲水罐還可以提供不同的魚雷等水中兵器工作深度水壓。外場(chǎng)可以依托海底聲學(xué)基陣，可以很方便的考察水中兵器在真實(shí)海域的相應(yīng)特性以及對(duì)接收信號(hào)的影響[5]。

2.4對(duì)抗效果評(píng)估

“水聲對(duì)抗作戰(zhàn)效能評(píng)估”需要對(duì)作戰(zhàn)方案、目標(biāo)背景環(huán)境模擬逼真度、平臺(tái)對(duì)抗效果、測(cè)控、通信、指揮等多個(gè)環(huán)節(jié)的綜合評(píng)定，在考慮人為因素的前提下，應(yīng)側(cè)重于定量評(píng)估中的技術(shù)因素?？梢圆捎貌⑿蟹抡骈_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(shí)時(shí)”、“大計(jì)算量”和“協(xié)同并行”的要求。

水聲對(duì)抗效果的評(píng)估方法在國內(nèi)尚屬空白，目前尚未有一家機(jī)構(gòu)能夠?qū)λ晫?duì)抗的效果進(jìn)行全面的評(píng)估，也沒有一種合理的評(píng)估方法能夠得到各方的廣泛認(rèn)同，并在整個(gè)水聲對(duì)抗領(lǐng)域形成權(quán)威。因此為了構(gòu)建一個(gè)合理的評(píng)估方法，首先對(duì)整個(gè)戰(zhàn)局進(jìn)行全局性的掌握，對(duì)對(duì)抗雙方在何種條件下才算完成既定目標(biāo)制定了明確的標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)作戰(zhàn)方案中的動(dòng)作完成，按照重要性制定了具體的分?jǐn)?shù)。

其次，從總控指揮臺(tái)開始，各部位的每一個(gè)動(dòng)作都應(yīng)該有規(guī)范化的模版，當(dāng)各部位完成動(dòng)作有偏差時(shí)，該如何評(píng)定？動(dòng)作完成情況對(duì)仿真對(duì)抗和整個(gè)戰(zhàn)局的影響大小都要量化處理。這就要求在仿真對(duì)抗之前對(duì)每一個(gè)部位的可能動(dòng)作非常了解，

再次，必須將仿真對(duì)抗效果評(píng)估與海上對(duì)抗效果評(píng)估相結(jié)合，用海上實(shí)兵演練和內(nèi)、外場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果來證明內(nèi)場(chǎng)仿真評(píng)估方法的正確性，并建立比對(duì)數(shù)據(jù)庫，通過大量的試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)和結(jié)果來反證評(píng)估方法的正確性和通用性。

最后，要有錯(cuò)誤分析機(jī)制，當(dāng)失敗動(dòng)作產(chǎn)生后，不能放任不管，必須要能分析出失敗的原因和解決的方法，一來可以提供寶貴經(jīng)驗(yàn)，避免實(shí)戰(zhàn)中出現(xiàn)類似錯(cuò)誤。二來可以對(duì)操作手的能力素質(zhì)的提高起到促進(jìn)作用。三來可以找到某些裝設(shè)備和試驗(yàn)設(shè)置中的缺陷。并通過及時(shí)總結(jié)，不斷創(chuàng)新，逐步建立一套更加科學(xué)有效的評(píng)估體系和評(píng)估準(zhǔn)則。當(dāng)然這個(gè)工作不是一蹴而就的，需要逐步完善、豐富，隨著時(shí)間和經(jīng)驗(yàn)的積累，這種評(píng)估方法會(huì)得到更廣的認(rèn)可和更大的應(yīng)用。

3目前面臨的問題和難點(diǎn)

1) 由于模擬條件局限，無論是半實(shí)物仿真還是全數(shù)字仿真，無論是內(nèi)場(chǎng)仿真還是外場(chǎng)仿真，所模擬的環(huán)境都是在最佳條件下的簡(jiǎn)單環(huán)境，無法將不同溫度[2]、密度、鹽度及水聲信號(hào)的阻抗、衰減，和由于聲信道的有限性、不均勻性、時(shí)變性導(dǎo)致的接收信號(hào)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(shí)海戰(zhàn)場(chǎng)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) 缺少第一手?jǐn)撤侥繕?biāo)的資料，對(duì)敵方目標(biāo)模擬的逼真度無法得到證實(shí)。

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(shí)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(duì)抗領(lǐng)域中的試驗(yàn)、測(cè)量由實(shí)航測(cè)試向內(nèi)、外場(chǎng)半實(shí)物仿真發(fā)展已經(jīng)勢(shì)不可擋，尤其隨著聲學(xué)外場(chǎng)基陣的不斷布設(shè)和內(nèi)場(chǎng)模擬物理場(chǎng)的不斷完善，基于半實(shí)物仿真的水聲對(duì)抗試驗(yàn)將更多地得到應(yīng)用。

而各型裝設(shè)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(shí)物仿真和水聲對(duì)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(shí)物仿真技術(shù)應(yīng)用于水聲對(duì)抗領(lǐng)域?qū)⑹俏磥硭晫?duì)抗發(fā)展的重中之重。

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(責(zé)任編輯周江川)