基于半實物仿真的水聲對抗實現(xiàn)方法

【裝備理論與裝備技術】

基于半實物仿真的水聲對抗實現(xiàn)方法

呂海濤,譚鑫,管啟亮

(91439部隊,遼寧 大連116041)

摘要：對水聲對抗技術如何與半實物仿真技術的結合和具體應用方法進行了研究，分析了半實物仿真的原理構建，數學模型的建立、仿真對抗平臺的搭建以及對水聲對抗效能評估的方法。

關鍵詞：半實物仿真；水聲對抗；仿真效能評估

收稿日期：2014-09-20

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

doi:10.11809/scbgxb2015.01.012

中圖分類號：TJ630

文章編號：1006-0707(2015)01-0041-03

本文引用格式：呂海濤,譚鑫,管啟亮.基于半實物仿真的水聲對抗實現(xiàn)方法[J].四川兵工學報，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)代科學技術的飛速進步，水下作戰(zhàn)中的水聲對抗也在向集群化、一體化方向發(fā)展,由于作戰(zhàn)環(huán)境將更為復雜、方式更為靈活,目標和類型將更加多樣性，所以如何在復雜水聲環(huán)境中實現(xiàn)水聲對抗的效果將是未來水下戰(zhàn)爭的關鍵?；诔杀尽⒓夹g條件及實現(xiàn)難度等綜合因素,多目標、復雜干擾的實航試驗環(huán)境是難以構建的,因此以實裝和實測數據為依托的半實物仿真對抗技術應運而生，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。但如何將半實物仿真技術與水聲對抗技術有機地結合起來并應用于實戰(zhàn)，已經成為該技術利于的一個重要課題。

1半實物仿真的實現(xiàn)原理與構建

半實物仿真主要通過數學建模的方式，利用現(xiàn)有裝備將設計好的信號通過模擬的方式發(fā)射到指定的水下環(huán)境中來，用以模擬復雜水下環(huán)境和多目標干擾。

1.1目標輻射噪聲信號模擬

1) 艦船噪聲信號模擬

目標輻射噪聲信號仿真模型根據普遍采用的假設，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為對隨機信號相關特性或功率譜特性的仿真。艦船噪聲時變功率譜可表示為[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)是譜級受到周期調制的時變功率譜，M(t)稱為調制函數，代表連續(xù)譜所受到的周期時變調制；M(f)為調制深度譜，反映不同頻率成分所具有的不同調制程度。

2) 目標強度模型

這里選定的標準目標是具有Urick提出的典型蝶形曲線強度的目標[2]。目標強度通過目標等效橢球體的投影面積和聲反射系數確定。具體應用中，主要考慮了目標強度隨目標形狀、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。相互之間的關系有:

(2)

式(2)中:a、b、c為目標潛艇等效橢球體的半軸長度;φ為舷角，弧度。當目標等效橢球體取長100m，寬10m，高8m的典型值(即a=50，b=5，c=4)時，則根據式(2)計算的目標強度與Urick提出的“蝶形”曲線一致。

3) 目標輻射噪聲級SL及其方向性

目標的輻射噪聲與目標噸位、速度、航行深度等因素有關，折合簡化的經驗公式為

SL=86+1.8Vm

(3)

式中:Vm為目標航速(節(jié))。式(3)為目標輻射噪聲的用下面的方向性函數描述[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目標背景環(huán)境模擬

目標背景生成系統(tǒng)由水下基陣、可控目標/背景信號生成器、目標/背景生成計算機等組成。水下基陣包括目標、混響、人工干擾、自噪聲等,用于模擬目標的聲學特性、混響背景和人工干擾,由可控目標/背景信號生成器驅動?？煽啬繕?背景信號生成器分別驅動水下基陣的目標、混響、自噪聲和人工干擾等基陣。目標/背景生成計算機接收海洋環(huán)境參數、魚雷和目標的狀態(tài)參數,完成對目標、混響、自噪聲等的聲學特性和人工干擾信號的實時解算和生成[4]。

目標背景環(huán)境模擬以消聲水池、消聲變壓罐和水下聲學基陣為基礎，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工作深度水壓，水下聲學基陣可以很方便地考察水中兵器在不同壓力下的相應特性以及對接收信號的影響。水下聲學基陣可以在內場消聲水池中進行小范圍的搭建，用以測試、測量單個目標簡單環(huán)境下的指標，也可以在外場真實海域海底進行搭建，但由于適宜搭建的外場海底環(huán)境和經費的制約，這種外場水下聲學基陣還沒有廣泛的應用于水聲對抗試驗中。

2基于半實物仿真的水聲對抗實現(xiàn)方法

2.1水聲對抗的科目設置和方案設計

水聲對抗研練科目是根據研練的計劃進行設置，其作戰(zhàn)想定針對性很強，而研練方案則是根據設置的科目確定。依據研練科目確定的研練方案，一定會包括測控、作戰(zhàn)環(huán)境模擬設置等方案內容，在實航試驗中這些方案的設計受到海況、兵力部署和其他外在因素的影響無法完全實現(xiàn)。但半實物仿真試驗卻可以排除因海況和兵力等因素的影響，依據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，根據測控、靶標、海洋環(huán)境測量、指控等實際，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據來源問題。

2.2水聲對抗仿真訓練與研練過程仿真推演

在實兵研練前，對水聲對抗研練實施方案進行仿真推演，將有利于作戰(zhàn)人員進一步熟悉和完善研練實施方案。對參訓部隊的戰(zhàn)位操作手進行針對研練方案的模擬仿真訓練，使其盡可能地熟悉掌握研練方案各個環(huán)節(jié)所要求的操作，既能為海上實兵研練打下良好的技術基礎，又能減少成本、提高效益。但由于這種推演和仿真訓練既需要更加貼近實際情況又要控制成本，所以無論是單一的數字化仿真還是實航訓練都無法很好地達到效果，半實物仿真訓練和推演卻可以很好地將這2點要求完成，半實物仿真依托實裝和實測數據，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，對水下試驗過程進行展示，為理解不可見的水下對抗過程起到了一定的作用。又比實航訓練節(jié)省人力、物力，且不受自然條件制約，所以已經成為未來水聲對抗操作手的主要訓練、測試手段。

所以，基于半實物的模擬仿真訓練和仿真推演是提高研練效果的有效手段。

2.3半實物仿真平臺的構建

半實物仿真平臺的建立，是依托現(xiàn)有模擬設備和實測數據，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環(huán)境的模擬，完成紅藍雙方對抗的目的。其主要分為內場和外場。內場可以在消聲水池和消聲變壓罐內，搭建一個近似的水聲自由物理場，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。外場可以依托海底聲學基陣，可以很方便的考察水中兵器在真實海域的相應特性以及對接收信號的影響[5]。

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)的綜合評定，在考慮人為因素的前提下，應側重于定量評估中的技術因素?？梢圆捎貌⑿蟹抡骈_發(fā)環(huán)境及高性能集群機，滿足復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。

水聲對抗效果的評估方法在國內尚屬空白，目前尚未有一家機構能夠對水聲對抗的效果進行全面的評估，也沒有一種合理的評估方法能夠得到各方的廣泛認同，并在整個水聲對抗領域形成權威。因此為了構建一個合理的評估方法，首先對整個戰(zhàn)局進行全局性的掌握，對對抗雙方在何種條件下才算完成既定目標制定了明確的標準。對作戰(zhàn)方案中的動作完成，按照重要性制定了具體的分數。

其次，從總控指揮臺開始，各部位的每一個動作都應該有規(guī)范化的模版，當各部位完成動作有偏差時，該如何評定？動作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合，用海上實兵演練和內、外場試驗結果來證明內場仿真評估方法的正確性，并建立比對數據庫，通過大量的試驗測量數據和結果來反證評估方法的正確性和通用性。

最后，要有錯誤分析機制，當失敗動作產生后，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驗，避免實戰(zhàn)中出現(xiàn)類似錯誤。二來可以對操作手的能力素質的提高起到促進作用。三來可以找到某些裝設備和試驗設置中的缺陷。并通過及時總結，不斷創(chuàng)新，逐步建立一套更加科學有效的評估體系和評估準則。當然這個工作不是一蹴而就的，需要逐步完善、豐富，隨著時間和經驗的積累，這種評估方法會得到更廣的認可和更大的應用。

3目前面臨的問題和難點

1) 由于模擬條件局限，無論是半實物仿真還是全數字仿真，無論是內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[2]、密度、鹽度及水聲信號的阻抗、衰減，和由于聲信道的有限性、不均勻性、時變性導致的接收信號發(fā)生的變形、展寬、起伏、相關、頻移等畸變全部模擬出來。所以和真實海戰(zhàn)場還是存在一定的差異。

2) 海底聲學基陣布設存在一定困難。

3) 缺少第一手敵方目標的資料，對敵方目標模擬的逼真度無法得到證實。

4) 目前國內尚未有一款通用性強的軟件能夠將大部分戰(zhàn)術、技術模型與實裝進行接軌。

4結束語

雖然在目前技術水平上，存在諸多問題，但是在水聲對抗領域中的試驗、測量由實航測試向內、外場半實物仿真發(fā)展已經勢不可擋，尤其隨著聲學外場基陣的不斷布設和內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更多地得到應用。

而各型裝設備的一體化、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結合提供了更大的方便。所以如何更好地將半實物仿真技術應用于水聲對抗領域將是未來水聲對抗發(fā)展的重中之重。

參考文獻：

[1]杜功煥.聲學基礎[M].上海:上海科學技術出版社,1981.

[2]閻福旺.水聲對抗技術[M].北京:海洋出版社，2003.

[3]李寧,吉禮超,賈磊.某型裝備聲探測仿真建模[J].四川兵工學報,2003(6):11-13.

[4]劉永豐,關國樞,張西建,等.魚雷聲尋的制導半實物仿真系統(tǒng)研究與實現(xiàn)[J].艦船科學技術,2003(6):26-29.

[5]曹占啟，孟華， 陳祥國. 基于貝葉斯網絡的水聲對抗效能評估方法[J].四川兵工學報，2013(12):31-34.

(責任編輯周江川)