水聲探測信號級仿真通用模型庫設(shè)計

朱輝慶 ，褚福照

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水聲探測信號級仿真通用模型庫設(shè)計

朱輝慶1，褚福照2

(1. 海軍駐上海地區(qū)水聲導(dǎo)航系統(tǒng)軍事代表室，上海 201108；2. 上海船舶電子設(shè)備研究所，上海 201108)

信號級仿真以其能更真實地模擬裝備作戰(zhàn)性能且可進行統(tǒng)計仿真等顯著優(yōu)點成為完成水下作戰(zhàn)效能評估任務(wù)較為理想的平臺之一，而諸如艦艇輻射噪聲模型等水下作戰(zhàn)實體的聲學(xué)模型則是構(gòu)成水下作戰(zhàn)評估體系的基礎(chǔ)。在對水下作戰(zhàn)過程進行深入分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計了水聲探測信號級仿真通用模型庫。該模型庫以魚雷為聲學(xué)模型，通過數(shù)據(jù)庫將八類水下作戰(zhàn)實體和環(huán)境模型進行分類管理，支持離線和在線仿真，模型庫中的各模型均經(jīng)過實測數(shù)據(jù)進行驗證。該模型庫的建成，為水下作戰(zhàn)系統(tǒng)的總體設(shè)計、性能測試、方案驗證以及聲兼容性研究提供了工程化的研究基礎(chǔ)和較為真實的試驗環(huán)境。

水聲探測；信號級仿真；模型庫；作戰(zhàn)效能

0 引言

2015年1月22日，美國智庫組織-戰(zhàn)略與預(yù)算評估中心(Center for Strategic and Budgetary Assessments, CSBA)發(fā)布《The Emerging Erain in Undersea Warfare (水下戰(zhàn)新紀元)》報告，指出水下戰(zhàn)是指潛艇以及其他水下系統(tǒng)在水下(或者來自水下)的軍事部署。該報告分析了未來水下作戰(zhàn)的復(fù)雜性和潛艇及水下無人系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，提出了加快研發(fā)新技術(shù)、構(gòu)建新型水下戰(zhàn)裝備體系和作戰(zhàn)模式的戰(zhàn)略思考[1-2]。

伴隨著新技術(shù)的發(fā)展和作戰(zhàn)模式的轉(zhuǎn)變，對于水下作戰(zhàn)系統(tǒng)作戰(zhàn)性能的評估方法也亟需改進。雖然參數(shù)級仿真仍然是進行性能評估的主要手段，但由于水下作戰(zhàn)實體的規(guī)模不斷擴張，構(gòu)成要素不斷豐富，裝備類型和組織形式日趨復(fù)雜。同時對作戰(zhàn)評估的精度要求不斷提高，使得原有參數(shù)級仿真方法越來越不能滿足對作戰(zhàn)性能的精細化描述需求。而并行計算以及計算機硬件技術(shù)的發(fā)展使得原本受制于計算量過大而主要用于裝備性能仿真的信號級仿真方法逐漸應(yīng)用到系統(tǒng)作戰(zhàn)性能評估領(lǐng)域。

信號級仿真是將仿真中涉及的裝備性能和行為模式通過信號級模型進行描述，使模型能夠盡可能地逼近裝備的實際能力，因此得出的仿真結(jié)果更能體現(xiàn)裝備的實際使用效果。具體到水下作戰(zhàn)層面，就需要建立參與水下作戰(zhàn)各裝備的聲學(xué)模型并將公共模型統(tǒng)一進行管理和使用，以確保仿真能夠在同一標準下實施。本文在對水下作戰(zhàn)過程進行深入分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計了水聲探測信號級仿真通用模型庫。該模型庫以魚雷為研究對象和聲學(xué)模型，通過數(shù)據(jù)庫將八類水下作戰(zhàn)實體和環(huán)境模型進行分類管理，支持離線和在線仿真，模型庫中的各模型均經(jīng)過實測數(shù)據(jù)進行驗證。該模型庫的建成，為水下作戰(zhàn)系統(tǒng)的總體設(shè)計、性能測試、方案驗證以及聲兼容性研究提供了工程化的研究基礎(chǔ)和較為真實的試驗環(huán)境。

1 水下作戰(zhàn)

水下作戰(zhàn)大體上可以分為反潛作戰(zhàn)和反艦作戰(zhàn)兩類，潛艇是水下作戰(zhàn)的主要平臺。隨著現(xiàn)代無人技術(shù)的進步和廣泛應(yīng)用，無人潛航器(Unmanned Underwater Vehicle, UUV)等無人平臺也逐漸成為水下作戰(zhàn)中不可或缺的重要組成部分。

1.1 反潛作戰(zhàn)

現(xiàn)代反潛作戰(zhàn)是綜合性、立體化的作戰(zhàn)過程。它利用衛(wèi)星、水面艦艇、反潛機、海底固定探測系統(tǒng)以及潛艇等攜帶的聲學(xué)/非聲學(xué)探測裝備，對敵潛艇進行探測、監(jiān)視、跟蹤；在必要的條件下，使用魚雷武器對敵潛艇實施打擊并根據(jù)現(xiàn)場情況對打擊效果進行評估，以確定下一步行動方向，這些均構(gòu)成了現(xiàn)代反潛作戰(zhàn)的基本要素。

借助于海水的掩蔽，潛艇長時間處于潛航狀態(tài)，對潛艇進行探測主要是依靠聲學(xué)手段，即主、被動聲吶進行探測，諸如磁、激光、廢氣、紅外等非聲探測手段目前仍作為聲學(xué)手段的補充而存在；如使用魚雷對潛艇進行攻擊時，則魚雷同樣使用主、被動聲自導(dǎo)系統(tǒng)對潛艇進行探測、跟蹤和定位；潛艇覺察到自身受到跟蹤或攻擊實施對抗作戰(zhàn)時，使用的水聲對抗器材仍是通過產(chǎn)生強噪聲干擾或模擬潛艇輻射噪聲、回波特性等聲特征對聲吶和來襲魚雷進行干擾、誘騙。

UUV等無人裝備近年來呈快速發(fā)展態(tài)勢，具有目標小、續(xù)航時間長、使用方式更靈活等顯著優(yōu)點。潛載UUV目前使用主、被動聲吶執(zhí)行反潛搜索與偵查、通信中繼、反水雷探測與定位等任務(wù)[3]。

因此，在對反潛作戰(zhàn)過程進行仿真時，對各種裝備聲學(xué)和運動學(xué)特征的模擬是仿真的主要因素。

1.2 反艦作戰(zhàn)

潛艇在進行反艦作戰(zhàn)時，主要依靠艇載聲吶對艦艇方位進行探測或通過天線接收目標的指示信息，使用魚雷或潛射反艦導(dǎo)彈對水面艦實施打擊[4]。對于潛射反艦導(dǎo)彈的仿真不在本文的討論范圍之內(nèi)，而潛艇在使用魚雷進行反艦作戰(zhàn)時按照魚雷制導(dǎo)類型可以分為如下三種情況：

(1) 直航魚雷

潛艇使用聲吶對目標進行定位后，通常按照一定的扇面齊射多枚直航魚雷對目標進行打擊，最大程度地遮蓋由于目標運動要素估計誤差導(dǎo)致的目標位置散布區(qū)域，保證至少有一條魚雷命中目標。

(2) 線導(dǎo)+主被動聲自導(dǎo)魚雷

潛艇使用線導(dǎo)+主被動聲自導(dǎo)魚雷對水面艦實施攻擊時，首先利用潛艇聲吶對水面目標進行定位，發(fā)射魚雷后利用導(dǎo)引聲吶對魚雷進行遠程導(dǎo)引，魚雷聲自導(dǎo)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)目標后，由聲自導(dǎo)系統(tǒng)接替線導(dǎo)系統(tǒng)控制魚雷對目標進行跟蹤和攻擊。在實施反艦作戰(zhàn)時，魚雷通常采用被動聲自導(dǎo)方式。

(3) 線導(dǎo)+尾流自導(dǎo)魚雷

潛艇使用線導(dǎo)+尾流自導(dǎo)魚雷對水面艦實施攻擊的過程與使用聲自導(dǎo)魚雷類似，潛艇根據(jù)對目標運動要素的估計結(jié)果，利用線導(dǎo)系統(tǒng)將魚雷導(dǎo)引至目標尾流區(qū)域內(nèi)，而后魚雷利用自身的尾流自導(dǎo)系統(tǒng)控制魚雷沿艦船尾流對目標實施攻擊。尾流自導(dǎo)系統(tǒng)本質(zhì)上仍是聲自導(dǎo)系統(tǒng)(磁尾流技術(shù)尚不成熟)，只是采用了高頻窄脈沖的方式對艦艇的尾流反射特性進行檢測。

由以上對反艦過程的描述可以看出，在對反艦作戰(zhàn)過程進行仿真時，各種裝備的聲學(xué)和運動學(xué)特征的模擬仍是仿真的主要因素，而聲學(xué)模擬是確保仿真是否具有參考價值的核心要素。

2 模型庫設(shè)計

根據(jù)對反潛和反艦作戰(zhàn)過程的分析，針對實際應(yīng)用場景，提取其中的共用模型，構(gòu)成通用模型庫。

2.1 組成與功能

通用模型庫組成如圖1所示，通用模型庫由水下目標特性模型庫和海洋環(huán)境模型庫組成，其中水下目標特性模型庫主要包含艦艇目標聲反射模型等5種水下目標的聲特性模型，海洋環(huán)境模型庫主要包含水聲傳播模型等3種海洋環(huán)境聲特性模型。通用模型庫軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示，通用模型庫軟件主要由基本算法模型庫等功能模塊組成，除具體模型外，其余提供人機交互等的模塊共同組成了模型庫的管理軟件。通用模型庫采用Oracle數(shù)據(jù)庫對模型進行管理，并對有關(guān)仿真和實測數(shù)據(jù)按照關(guān)系模式進行存儲；提供數(shù)據(jù)庫管理員對用戶管理、數(shù)據(jù)分區(qū)管理、權(quán)限管理以及對庫表的擴展、修改，對數(shù)據(jù)記錄的增、刪、改等功能，支持基于C/S、B/S的查詢檢索、全文查詢和web service服務(wù)方式。

圖1 通用模型庫組成框圖

圖2 通用模型庫軟件結(jié)構(gòu)圖

模型庫軟件可以通過人機界面讀取用戶輸入，進而調(diào)用模型生成相應(yīng)的仿真信號，同時也可以讀取實測數(shù)據(jù)，利用模型對實測數(shù)據(jù)進行分析并提取特征參數(shù)供試驗分析，模型庫中各主要模型的功能如下：

(1) 艦艇目標聲反射模型

具有聲反射特性分析與模擬功能，能夠模擬艦艇目標回波的時域波形、回波強度、脈沖展寬、頻率特性、空間特性、亮點起伏以及多普勒頻移等特性[5]。

模型庫中，采用板塊元方法對艦艇目標聲反射特性進行描述，實測結(jié)果和仿真模型輸出對比如圖3所示。

(2) 艦艇/魚雷輻射噪聲模型

具有目標輻射噪聲特性分析與模擬功能，能夠模擬艦艇/魚雷輻射噪聲連續(xù)譜形狀、調(diào)制特性(軸頻、葉片數(shù)、調(diào)制深度等)、低頻線譜(頻率、幅度)、空間特性等特性。

圖3 聲反射模型實測與仿真結(jié)果對比圖

(3) 艦艇/魚雷自噪聲模型

具有目標自噪聲特性分析與模擬功能，能夠模擬艦艇/魚雷自噪聲連續(xù)譜形狀、調(diào)制及低頻線譜等特性。

艦艇/魚雷的輻射噪聲、自噪聲模型均采用三參數(shù)模型實現(xiàn)，仿真生成的艦艇輻射噪聲的LOFAR譜圖如圖4所示。

(4) 水聲傳播模型

具有聲場傳播特性分析與模擬功能，能夠仿真預(yù)報聲場傳播損失。簡正波模型提供聲傳播損失分布和信道傳輸函數(shù)；射線模型提供聲軌跡、聲傳播損失分布、特征聲線、時延等。

圖4 艦艇輻射噪聲仿真輸出(a=100，f0=fm=200 Hz)

針對3 kHz以上頻率，采用高頻射線模型進行模擬(以Bellhop模型為核心進行二次開發(fā))；針對3 kHz以下頻率，采用低頻簡正波模型進行模擬(以Moatl模型為核心進行二次開發(fā))。圖5和圖6分別是在海底為斜坡條件下高頻射線模型傳播損失仿真結(jié)果以及低頻簡正波模型與實測結(jié)果的對比。

圖5 斜坡底條件下高頻3 kHz以上射線模型傳播損失仿真結(jié)果

圖6 低頻3 kHz以下簡正波模型仿真與實測結(jié)果對比圖

(5) 高頻混響模型

具有混響特性分析與模擬功能，能夠模擬主動魚雷探測聲吶和魚雷主動發(fā)射信號的混響強度、頻移及時間衰減等特性。

為確保精度，在模型庫中的高頻混響采用點散射模型進行模擬。根據(jù)海底地質(zhì)參數(shù)(如介質(zhì)密度、橫波/縱波衰減系數(shù)、傳播速率等)計算海底的散射強度，假設(shè)散射點滿足均勻分布，獲取散射點的位置、計算回波位置，采用線性疊加的方法獲得混響的時域序列。依據(jù)生成的時域序列，提取混響包絡(luò)。仿真結(jié)果與實測結(jié)果的對比如圖7所示。

(6) 海洋環(huán)境噪聲模型

具有海洋環(huán)境噪聲時空特性分析與模擬功能，能夠仿真預(yù)報海洋環(huán)境噪聲功率譜、強度的空間分布和空間相關(guān)性等特性。

在模型庫中，采用CANARY模型對海洋環(huán)境噪聲進行模擬，仿真生成的海洋環(huán)境噪聲功率譜如圖8所示。

圖7 海洋混響模型仿真與實測結(jié)果對比圖

圖8 海洋環(huán)境噪聲功率譜

2.2 接口

模型庫的對外接口包括控制指令接口與參數(shù)接口兩種?？刂浦噶罱涌谥饕撠?zé)接收外部調(diào)用的控制指令，同時根據(jù)模型庫運行狀態(tài)給出反饋信息。參數(shù)接口主要負責(zé)接收外部調(diào)用的相關(guān)參數(shù)，用以調(diào)用模型運算并返回運算結(jié)果。

由于各個模型對于輸入?yún)?shù)的要求差異巨大，而且輸入?yún)?shù)數(shù)量眾多，因此模型庫針對每個具體模型均設(shè)計了其輸入/輸出接口，同時通過界面輸入?yún)?shù)時也設(shè)計有文件輸入方式，以方便諸如聲速梯度等長序列參數(shù)的輸入。

3 結(jié)論

水聲探測信號級仿真通用模型庫是針對魚雷信號級仿真中常用的信號級仿真模型而建立的，可為水下作戰(zhàn)系統(tǒng)的總體設(shè)計、性能測試、方案驗證以及聲兼容性研究提供工程化的研究基礎(chǔ)和較為真實的試驗環(huán)境。在現(xiàn)有模型庫的基礎(chǔ)上，通過豐富模型類型，進一步對模型進行驗證和改進完善，可為水下作戰(zhàn)仿真提供內(nèi)容更為豐富、結(jié)果更加可靠、使用更為靈活的信號級仿真服務(wù)。

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Design of general model library of signal level simulation for underwater acoustic detection

ZHU Hui-qing1, CHU Fu-zhao2

(1. Military Representative Office of Underwater Acoustic Navigation System of Navy in Shanghai Area, Shanghai 201108, China;2. Shanghai Marine Electronic Equipment Research Institute, Shanghai 201108, China)

Simulation method, especially the Signal Level Simulation (SLS), is a feasible way to evaluate the effectiveness of underwater warfare for its similarity to the real performance of equipment and operational environment. The acoustic models of underwater combat entities, such as ship radiated noise model, are the basis of underwater warfare evaluation system. Based on deep analysis of the operational process of underwater warfare, a general model library of SLS for underwater acoustic detection is presented. Eight types of acoustic models involved in torpedo-attack and anti-torpedo warfare are included and managed in the library, which support on-line and off-line simulation. All the models are verified by the measured data. The establishment of this library provides an engineering research foundation and real test environment for the overall design, performance test, scheme validation and acoustic compatibility research of underwater warfare system.

underwater acoustic detection; signal level simulation; model library; warfare effectiveness

TB56 TP391.9

A

1000-3630(2018)-03-0232-05

10.16300/j.cnki.1000-3630.2018.03.007

2017-07-04;

2017-08-17

朱輝慶(1981－), 男, 江西臨川人, 研究方向為水聲及水聲對抗。

朱輝慶, E-mail: assky@163.com