水聲對抗裝備模塊化仿真

張永峰，王紅萍，曲 豐

(91388部隊，廣東 湛江 524022)

0 引言

近年來，水聲對抗裝備在對抗作戰中的重要地位受到研究人員的高度重視［1］。基于不同的需求，諸多單位都對水聲對抗裝備建模展開了研究，并利用仿真方法對裝備的各項性能進行評估，以滿足裝備研制生產、試驗鑒定以及作戰訓練模擬的需求。由于水聲對抗裝備模型的建立大多是基于具體型號，各單位在仿真中對模塊的復用性重視不夠，建模不規范，模型的通用化程度不高，致使同一個單位的研究人員也很難實現模塊及資源共享。本文在分析、歸類和整理了不同類型對抗裝備的性能特點的基礎上，依據其工作原理及流程對其進行最小功能化，提取裝備共性的部分進行功能模塊化;同時，規范對抗裝備的內、外部接口關系。通過功能的靈活配置，調用者可按照給定的型號指標配置要求，生成或修改相應的配置文件，對聲學和運動學模塊進行選擇性整合，生成新型號或我國現役主要對抗裝備的仿真實體，完成對抗裝備聲學工作過程及運動方式的仿真。仿真驗證表明了該模塊化通用設計思想的正確性，在對抗裝備的系統化仿真中具有良好的應用前景。

1 水聲對抗裝備性能分析

1.1 對抗裝備分類

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

2)按水聲對抗裝備的工作原理可分為背景噪聲干擾型和信號干擾型［3－4］。背景噪聲干擾型對抗裝備在魚雷或聲吶工作頻段內施放干擾噪聲，以降低魚雷或聲吶檢測系統的檢測性能，如高頻/低頻干擾器;信號干擾型對抗裝備既能模擬艦船輻射噪聲、艦船回波信號和魚雷主動應答信號，又能模擬艦船的機動性能，如潛艇模擬器、聲誘餌等。

3)按機動能力可分為懸浮式、拖曳式、自航式和火箭助飛式等［5］。懸浮式對抗裝備不具有水平面機動能力，但可以做垂直方向的定深運動;拖曳式對抗裝備由艦艇用纜繩拖動航行;自航式對抗裝備具有水平和垂直機動能力，可按設定好的機動方案進行機動;火箭助飛式對抗裝備借助火箭發動機把對抗裝備投送到較遠的位置，入水后一般呈現懸浮狀態。

由以上分類可看出，水聲對抗裝備自身特性的3種分類方式可以歸納為2種主要的性質:運動學特性和聲學特性。這2種特性是進行模塊功能化的基礎。

1.2 對抗裝備功能分解

基于水聲對抗裝備的聲學特性和運動學特性，可將水聲對抗裝備模塊劃分為聲學模塊和運動學模塊［6］，如圖1 所示。

水聲對抗裝備的運動學特性模塊中，主要歸納為自航式、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抗裝備的航行方式，各時刻位置坐標、姿態等。對自航式聲誘餌，需要確定彈道方式、發射深度、初始轉角、航行速度、航行深度等運動參數;對拖曳式誘餌，需要確定放纜長度、布放速度、布放深度、運動規律控制等參數;對于懸浮式水聲對抗裝備，需要增加漂行速度、上不漂行帶的深度等參數;對火箭助飛式對抗裝備，需要增加發射方向、布放距離等參數。

在水聲對抗裝備的聲學模塊中，需要考慮背景噪聲干擾型和信號干擾型對抗裝備。背景噪聲干擾型對抗裝備如噪聲干擾器，其性能主要體現在輻射噪聲和發射聲源級上，可以通過寬帶噪聲模塊(既可產生低頻噪聲也可產生高頻噪聲)和發射換能器模塊來模擬這種類型對抗裝備;信號干擾型對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、調制噪聲模塊、主動回波模塊、換能器模塊和噪聲幅度控制模塊。幾類模型中，涵蓋了通用的對抗裝備的工作原理，輸入、輸出信號，信號處理，干擾噪聲發生，艦艇輻射噪聲模擬，自導回波模擬等。由于對抗裝備種類繁多及對抗方式的多樣化，因此在通用化的模型研究中還需要進行頻段、聲級、回波參數和工作方式等參數的設定。

圖1 對抗裝備模塊劃分圖Fig.1 Module division graph of underwater acoustic countermeasure equipment

2 對抗裝備功能模塊靈活配置

2.1 參數的靈活配置

仿真模型是以參數為驅動的。在水聲對抗裝備的仿真建模過程中，運動方式和聲學工作具有多樣性和復雜性的特點，為了體現模型的通用性和靈活性，參數數量和性質必然比較復雜。不同的參數在通用性的架構下作用范圍和性質也不一樣。例如各仿真實體的三維坐標，在程序開始運行前需要設定，即通常所言的發射位置，由于程序在運行過程中，這個參數時刻在改變，需要考慮進去;而如對抗裝備的工作時間這類參數，仿真開始前指定以后，在整個仿真過程中就不再變化。因此，必須按照各種參數在仿真過程中的作用來設計其結構并確定其在何種模塊中定義的位置。仿真過程中，分別對應不同的配置方法，參數可分為以下3類:

第1類為配置參數。此類參數一般在模型初始化時根據要仿真的對抗裝備具體參數設定。這些參數一般只隨型號裝備改變而不隨單個裝備或單次仿真改變，即一次設定后可以基本不做改變或改動較少。如調制參數中的螺旋槳調制頻率;換能器參數中的發射水平開角、接收水平開角;掃頻參數中的掃頻周期等。這類型參數可以利用INI格式文件來進行存儲配置。INI是微軟Windows操作系統中的文件擴展名，為英文Initial的縮寫。INI文件常被用來對操作系統或特定程序初始化或進行參數設置。INI文件的書寫格式一般為字段名加對應鍵值的模式。［］里面的內容為1個字段名，后面緊跟鍵名和鍵值，賦值采用鍵名=鍵值的形式。每個［］及其后面的內容表示1個節，分節儲存需要配置的參數。在仿真型號裝備時，通過讀取配置INI文件，修改文件的內容來更改模型的初始化參數，從而避免修改源程序。

第2類為裝訂參數。此類參數在每次仿真開始前均需設定，一般需要根據對抗裝備個體或具體的仿真來確定，如運動學參數中的三維坐標;拖曳式誘餌要設置的拖纜長度、收放速度等，此類參數可以在發射對抗裝備的參數設置對話框中由用戶輸入，然后傳遞給對抗裝備的構造函數，完成裝訂參數的初始化功能。

第3類為過程參數。此類參數在仿真過程中會有所改變，它包含部分裝訂參數，需要在具體的仿真流程設計中把它們考慮進來。如對抗裝備的當前工作模式(針對不同工作模式會有不同的運動狀態)，主動回波參數的當前多普勒頻移等。過程參數是在仿真進行中不斷變化的，故它們需要實時解算和更新，然后把必要的信息反映在模型參數界面上。如工作狀態的變化一方面要實時顯示在圖形界面上，另一方面將決定仿真流程的走向。因此，這類參數在編程中可利用函數的形參傳遞，仿真中把實參賦值給形參，完成解算。

2.2 接口關系

2.2.1 靈活配置功能接口

在定制型號的對抗裝備仿真研究中，可以通過定制仿真對象的功能及參數，組合特定的聲學功能和運動學功能模塊，來實現靈活配置的功能。圖2為靈活配置功能的接口關系。

調用者通過配置文件或輸入參數的形式對水聲對抗裝備仿真對象的聲學及運動學參數進行定制，靈活配置功能模塊按聲學參數配置和運動學參數配置的要求選定特定的聲學模塊和運動學模塊，并對其進行模塊型號的初始化。

2.2.2 對抗裝備內部接口

對抗裝備內部接口關系包括聲學和運動學特性仿真接口，接口內部的聲學和運動學數據的交互流程反映了對抗裝備的工作過程，內部接口關系見圖3。

圖3 對抗裝備內部接口關系圖Fig.3 Internal interface relational graph of countermeasure equipment

聲學特性仿真中，噪聲發生器生成白噪聲，按照待模擬的被動目標的輻射噪聲頻譜結構、噪聲譜級進行調制，生成目標模擬噪聲信號;自導信號參數檢測模塊對接收數據進行檢測，提取魚雷自導信號波形、強度等數據傳遞給自導回波模擬模塊，按待模擬的主動目標回波的目標強度、多普勒、展寬時間進行調制，生成模擬目標回波;掃頻信號發生器按待模擬的目標信號掃頻周期、頻率范圍及譜級等參數生成模擬掃頻信號。此3類信號通過聲學數據輸出接口與其他節點進行交互。

運動學特性仿真中，按照靈活配置功能模塊選定的彈道模式，防御方將對抗裝備的初始方位及初始航速等參數發送給相應的彈道仿真模塊，由彈道仿真模塊完成對抗裝備的運動學特性模擬。

2.2.3 對抗裝備外部接口

由于對抗裝備的運動特性和聲學特性必須與魚雷、防御方的聲學及運動特性等多種參數相互聯系，因而，對抗裝備模型的驗證可以通過對仿真過程和仿真結果進行記錄和分析來進行。為此，設置必要的仿真環境進行驗證是一種簡單有效辦法。如圖4所示，增設防御方節點、魚雷自導節點和管理節點，防御方節點以調用者的角色，通過調用靈活配置功能模塊，把仿真所需配置參數寫入配置文件，完成新型號對抗裝備聲學參數和運動學參數的定制;魚雷自導節點與對抗節點相互交換運動參數，基于姿態參數，兩節點完成聲學參數的解算;管理節點則提供各節點同步運行的時鐘節拍，在統一的時空設置下，顯示相關節點的聲學和運動學參數更新;同時，管理節點將聲學仿真結果和運動學仿真結果分別形成輸出文件，通過對輸出文件并進行相應的圖形顯示和分析，可以驗證對抗裝備模型的正確性。

圖4 對抗裝備外部接口關系Fig.4 Exterior interface relational graph of countermeasure equipment

3 型號對抗裝備的仿真實現

3.1 裝備仿真結構

仿真研究中，為了考慮通用性的要求，采用C++語言中基類——派生類的關系來構建對抗裝備。在設計對抗裝備的結構時，考慮到運動特征具有排它性，可以通過總結多種對抗裝備的特性，將它們的共性，如對抗器材的初始化運動參數、發射時刻等提取出來，建立1個對抗裝備的共性參數基類，根據不同運動方式，從中衍化出派生類——懸浮式、拖曳式、自航式等［6］;此外，由于不同的聲學工作方式可能在同一種運動方式的對抗裝備中共存，所以可以設計多個聲學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。在生成型號對抗裝備時，按照型號的參數配置，由對抗裝備派生類調用基類聲學模塊中的一種或幾種，利用C++語言中的虛函數重載運動方式，就能實現通用性的設計目的。型號對抗裝備仿真對象的總體結構見圖5。

圖5 對抗裝備仿真對象的總體結構Fig.5 Overall structure graph of simulation object for countermeasure equipment

3.2 仿真實現

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動能力，通過應答魚雷主動尋的信號，來誘騙來襲魚雷。其聲學特性模塊可歸納為寬帶噪聲、回波應答、換能器3個模塊，運動特性則為自航式。圖6為參數配置模塊中的通用聲學特性參數配置對話框，可以通過選擇或修改配置文件來定制該型號聲誘餌的聲學及運動學參數。參數配置模塊使對抗仿真的外在表現具有了通用性。在這里可以設置運動學和聲學所需的各種參數，從而能仿真出理想的各型對抗裝備。

圖6 通用聲學特性參數配置對話框Fig.6 Configuration dialog box of general acoustics characteristic parameter

防御方裝訂單次仿真開始前的三維坐標、對抗裝備發射初始方位、初始航速，以及各次彈道變更的時間(相對于發射時刻)、航向變化量、航速變化量、航深變化量等相關參數，對抗裝備仿真節點開始運行，每個仿真節拍需要進行主動聲學線程、被動聲學線程和運動參數的解算，系統管理節點可以數據化或圖形化顯示出每節拍解算的結果，實時地把程序的解算與對應結果的顯示實時反映在界面上。對照我們先前設置的參數信息，以驗證運動學仿真和聲學仿真模塊設計的正確性。圖7為仿真對象運動軌跡圖。

圖7 仿真對象運動軌跡Fig.7 Trajectory diagram of simulation object movement

4 結語

水聲對抗裝備仿真研究是綜合研究水聲對抗裝備性能，提高反魚雷戰技指標的有效手段。本文對水聲對抗裝備仿真研究中的模塊通用化進行了研究，提出了參數功能配置和模塊集成的新方法，突破了以往單個對抗裝備型號建模仿真的局限性，可有效地實現模塊及資源的共享，提高模塊的復用性，為水聲對抗仿真的系統化集成提供了新的思路。

［1］姚藍，劉平香.反魚雷水聲對抗技術的現狀與發展［J］.聲學技術，2001，(4):183 －187.YAO Lan，LIU Ping-xiang.Present and future of anti torpedo countermeasure technology［J］. Acoustic Technology，2001，(4):183 －187.

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