综合声纳仿真系统的VV＆A过程研究*

季 蓓，程健庆，曹志敏

(江苏自动化研究所，江苏 连云港 222061)

潜艇指控系统目标运动要素的解算依据是多种态势下的声纳探测信息，但目前的真实海试数据远远不能满足态势多样性的需求，所以必须使用潜用综合声纳仿真软件模拟输出声纳探测信息。由于软件输出的逼真度影响了指控系统试验结果的有效性，因此必须保证软件的逼真度，针对这一迫切需求，对潜用综合声纳仿真软件实施VV＆A(Verification、Validation and Accreditation，校核、验证和确认)过程。

1 软件校核

本文讨论的综合声纳仿真属于信号级仿真，采用实装设备算法，必要时使用经验数据，较为逼真地模拟了目标辐射噪声、海洋传播衰减、声纳接收信号及噪声、预处理滤波、波束形成、信号处理、跟踪和输出跟踪舷角的全过程。因此在研究过程中主要采取了非正规校核、程序结构校核和功能校核三种方法。非正规校核完全依赖于人的推理;程序结构校核不考虑软件功能，力求最高的程序覆盖率;而功能校核侧重于模型的外部特性，本研究基于可测试的指标将软件系统按功能将模型划分为9个模块，采用黑箱方法，参考真实设备的战技指标确定测试用例［1］。校核方法和校核结果如表1所示。从表1可以看出，大部分的功能满足要求，但是某些重点指标不符合要求，例如主动测距功能模型、特征谱线仿真模型等，需要通过进一步的模型验证进行原因定位。

2 模型验证

模型的验证是从模型应用目的出发，确定模型代表真实世界的正确程度的过程。模型验证有一条基本原则:不存在绝对正确的模型，这里“绝对正确”是指模型完全彻底地表征了被仿真实际系统的所有特征和功能［2］。模型的验证为特定的应用提供客观依据，减少了应用模型的风险，从而增强了应用模型的信心，同时也可帮助定位功能校核中发现的问题。依据真实设备的工作流程验证过程将软件划分为9个模型，是整个校验工作的难点。本文比照声纳设备的工作原理，检查对应模型的逼真度，而对于模型中采用的部分经验公式，某些中间数据无法通过真实海试数据进行比对的，与业界公认的公式进行数据的输入、输出比较。下面简述各模型的仿真方法，以及比照真实设备或公式的结果［3］。

1)海洋环境模型

环境模型基于射线声学理论，将特定海区沿深度方向和水平传播方向作均匀划分，得到一系列网格，计算每个网格中的总声强，作为网格中心处的声传播损失。由于无法获得海量实测数据，验证的参照选取Marsh-Schulkin根据100Hz～10kHz频率范围内约10万次测量结果总结出来的计算公式。

在近距离(r＜H):

式中，H= ［(L+D)/8］1/2，为跨度(km);L为混合层厚度(m);D为海深(m);r为距离(km);α为海水吸收系数;αt为浅海衰减系数;KL为近海异常衰减［4］。

验证时，分别选取声纳工作的不同波段(中心频率选取 6700Hz、4580Hz、2236Hz)和五种海底底质，评估1000m、2000m、5000m、10000m、20000m、38000m 六种距离，50m深度上的传播损失与公式计算结果的相似度，经150次试验统计发现同种态势下差值序列的均方差小于1dB，证明该仿真模型可以接受。

2)预处理模型

设备的预处理过程是对阵元信号进行信号调节处理，包括信号的放大、抗混滤波、增益控制，从而达到抑制处理通道自噪声的影响，保持输出信号幅度尽可能均匀。经验证仿真时采用的方法是:基于目标信号谱级和背景噪声功率(自噪声、环境噪声和流噪声)的计算获得被动接收输入信噪比，再根据接收信号与背景噪声带级，接收阵元的接收灵敏度，预处理机控制特性，算出预处理的自动控制增益:

其中UAin为自动增益输入电压。由于此项难以获取实测数据，逐条对比工作流程与计算方法和真实设备原理一致。

3)波束形成模型

设备采用“延时—求和—平方”的波束形成方法进行积分，得到空间增益形成指向性。经验证仿真时采用的方法是:根据经验空间增益值GA［B］，按声纳的实际波束图制成指向性表，偏离角0～10°范围内步长0.25°，10°～180°范围内步长 1°。实时仿真时，根据目标方位与波束指向的偏离角通过查表确定目标在该波束的指向性响应。验证时在相同态势下，输出的空间增益和指向性数据与一般声纳教材中公式的计算结果进行比较，统计特性基本一致［5］。

4)时间增益控制模型

设备采用平方检波的方法得到时间增益，经验证仿真方法是:采用了实际海试经验数据的平均值，仿真结果发现各种态势理论方法计算均值与仿真所用数值差异很小。

5)阵元信号输出模型

设备经预处理控制，波束形成，信号处理，得到处理后的阵元信号，这些信号包括背景噪声、海洋混响、目标信号;经验证仿真时采用的方法是:输出的每一个波束中都包含该波束对背景噪声、海洋混响和多批目标信号的响应，每一个目标信号中又可能包括被动、侦察、主动回波三种类型信号。这些信号、噪声各自独立，总响应等于各自响应之和，与设备原理一致，但仿真输出信号幅度较强，可适当调整公式计算系数，以达到更加逼真的仿真效果。

6)精确定向模型

设备通过分裂波束和时延估计进行定向。经验证仿真时采用的方法是:首先通过噪声拟合生成8路相互独立的256点噪声(源)数据序列作为模拟信号源。接着进行分裂波束仿真。其中，

子波束1=拟合的噪声×空间增益及指向性;

其中，θ是跟踪器与目标舷角的差。然后采用FIR内插滤波器实现对波束2的精确延时，最后用互功率谱法和正交相关法进行方位估计。定向计算的过程和方法与实际设备原理完全一致。

7)混响模型

海中产生混响的散射体有不同的类别，经验证仿真时分别计算了体积混响，界面(海底、海面)混响，计算公式为:

其中，ψ为等效束宽，SS、SV为反向散射强度，I0为声源级，r为距离。

主动海洋混响模型通过对海水体积混响功率、海面混响功率、混响总功率的计算，给出随距离变化的海洋混响功率序列及混噪比序列。模型没有考虑海底混响功率:

其中，Sb为海底散射强度，φ为水平半束宽，α为海水吸收系数，且体积混响功率没有考虑距离的影响，导致混响计算量较真实装备输出偏小，可能成为主动测距模型输出超过参考指标要求的原因。

8)主动测距模型

设备主动接收机采用匹配滤波器技术，处理增益等于接收到的回波能量与噪声谱密度的比值。经验证仿真时采用的方法是:主动发射—接收过程包括主动指向引导发射，目标反射特性模拟，双程声传播延时，海洋声传播损失等主动回波产生过程。主动处理功能仿真包括空间处理增益，主动接收机时间处理增益，声纳接收机主动测距输出信噪比，主动测距输出序列等的模型和计算，最后生成主动距离—幅度数据:

其中，KT［n］为时间增益序列，RNR［n］为混噪比序列，ENR［n］为回波噪声比序列，Un［n］为输出背景起伏，sczdn为主动接收机背景噪声幅度。仿真内容符合设备流程，但输出混响较小，主动测距性能指标作用距离外回波强度较实际情况偏大。

9)DEMON谱仿真模型

DEMON谱反映了舰艇螺旋桨的转速、叶片数和频率的关系:

其中，fm为第m次谐波，n为螺旋桨叶片数，s为螺旋桨转速。经验证仿真时采用的方法是:DEMON谱仿真分为随机谱分量和谐频谱分量两部分，经信噪比加权输出DEMON谱序列输出。仿真效果逼真:包迹谱的基频取决于螺旋桨的转动速度(轴频)，各次谐频上的线谱幅度随机起伏，但在次数上等于螺旋桨叶片数的谐频(称为叶频)，包迹谱的幅度明显增强。但作用距离外包迹谱仍然明显，这应与目标跟踪模型有关，包迹谱仿真模型正确。

3 数据验证

3.1 验证环境

由于综合声纳仿真软件在被动工作方式下仅输出方位测量信息，所以方位数据验证是整个VV＆A工作的重点。为了进行数据验证，必须给予仿真软件和海试相同的输入条件，令本艇和目标按照海试真值运动，检验仿真输出与设备输出的相似度。为此构建综合声纳仿真软件联机测试环境，开发战情仿真台和控制管理台，依据一定的协议发送真实战情实时驱动声纳仿真软件的运行。

本文选取某次海上专项试验的数据为输入，该次试验所在海区的海底底质是粉砂淤泥，经查询可知该海域冬季海水大致呈弱负梯度分布。仿真时，根据参数需求设定海深60m、海况为3级、海底底质为粗砂、声速梯度为弱负梯度，同时对导航数据文件和外测数据文件进行整理。以导航数据的速度、航向作为推进本艇航行的理论值，以外测数据文件的方位、距离作为目标航行的理论真值，声纳测量的方位数据作为海试的测量值。但由于两个文件的时间记录不同步，外测数据遵循整秒的时间序列，导航数据则是按照实测的时间点实时输出本艇信息。所以，必须按照整秒的时间序列对导航数据进行插值预处理。

联机测试时，由控制管理台对战情和声纳仿真台进行管理，统一初始化参数，并控制战情仿真台发送第一帧战情报文支持声纳仿真台的声传播损失计算。仿真开始后，战情仿真台启动多媒体定时器，定时读取本艇和目标真值，按照插值后的时间序列发送真实战情驱动声纳仿真软件的运行，输出声纳仿真探测数据。曲线图显示以本艇起始点为原点，同步输出平台运动轨迹及数据，如图1 所示［6］。

图1 战情仿真台显示界面

3.2 验证结果及分析

仿真试验共测试了49组数据，最后保留具有对应海试数据的仿真值共37组。验证的实质是m次实际系统或实物模型的观测样本数据与n次仿真实验观测样本数据的比较。将海试声纳探测数据(去除系统误差)与目标外测数据的方位差称为海试误差，仿真输出数据与目标外测数据的方位差称为仿真误差，两者的比较如图2所示。由图2可以看出，同一航次的两种误差基本保持趋势一致。本研究还统计了仿真误差和海试误差各自在机动段和非机动段的不同特征，发现机动时，二者均有较大波动，且波动方向一致，图2波峰波谷亦可见此规律。研究进一步分析了目标距离在20km内和20km外的若干航次非机动航行段两个样本的误差，发现二者都符合20km内均值、方差较小的理论特性。

图2 仿真误差和海试误差数据比较图

本文采用Origin软件统计样本均值、方差、原点矩，进行频数统计并绘制分布直方图，观察样本的静态特征，发现仿真误差和海试误差极为接近。但由于实际问题往往不知道客观现象的总体分布或无法对整体分布做出某种假定，从而使参数统计受到很大限制，因此还要借助非参数统计方法。本文主要用到的非参数检验是符号检验和符号秩和检验。通过插值处理，保证同一航次的海试误差和仿真误差时间序列一致，去除系统误差后，统计输出二者的非参数检验结果无显著差异。

本文对海试误差和仿真误差两组数据使用Origin基本函数中的Sine函数分别进行拟合，然后将它们叠加在一起再用同样的数据拟合。比较结果显示，两组数据代表同一样本。

本文运用SQL Server 2005数据挖掘工具分析海试数据和仿真数据中各因素对海试误差和仿真误差的影响程度。分析结果显示:对于海试误差影响的最强因素是距离，其次是舷角;对于仿真误差影响的最强因素也是距离，其次是舷角，二者一致。

虽然在模型验证中发现一些功能的不足，但联机数据测试的结果良好，证明该仿真软件的探测输出逼真度高，与真实海试结果输出十分接近，与普通白噪声仿真比较不但符合指标要求，还具有诸多优势，如表2所示。

4 仿真软件的改进

通过分析软件校核和模型验证的结果，发现主要问题在于主、被动作用距离与指标要求存在差异。

表2 软件仿真输出误差与白噪声仿真误差优劣比较表

4.1 被动警戒输出模型改进

被动警戒模式下，当目标远远大于作用距离时，方位——幅度图形显示仍可见较强回波。与方位——幅度图形显示对应的是预成警戒波束输出，每一个预成警戒波束包含该波束对背景噪声、海洋混响和六个目标信号的响应，每一个目标信号中又可能包括被动、侦察、主动回波三种类型信号。这些信号、噪声各自独立，总响应等于各自响应之和。

其中，k=1，2，…128，预成波束号;KT为时控增益，由主动回波参数计算模块提供;xh为6个目标信号在波束k的总输出;hx［k］为混响波束输出，由混响参数计算模块提供;un［k］为输出背景起伏;scna为接收机输出背景基底幅度。

经分析，排除了un［k］和scna过大的可能，结果表明是目标信号响应过大，即接收机被动目标输出信噪比偏大。因传播损失等模型通过了模型验证，经原因定位和研究，修改了目标辐射等级的计算模型，多次调试后，当目标位于作用距离临界时，回波微弱。此时，DEMON谱显示也微弱。

4.2 主动测距模型改进

主动测距时目标是否能发现，取决于主动距离——幅度显示序列。

在模型验证中已经定位了混噪比较小的原因，即模型没有考虑海底混响功率，且体积混响功率没有考虑距离的影响，导致混响计算量较真实装备输出偏小。经过模型和代码补充，多次调试后，目标接近20km时，主动回波几乎不可见，符合指标要求。

5 回归测试

修改后本文进行回归测试，运用和改进前同样的方法。分单机和联机两部分，单机部分进行分块的功能校核;联机部分仍然运用战情仿真台发送真实海试数据驱动声纳运行，并将仿真输出数据与技术指标及海试测量数据进行比较分析。测试结果说明经过改进，原先功能校核时出现的问题已经全部得到了改正，同时，修改也没有对其他原本正确的功能模块产生影响。测试特别对目标被动最大发现距离、方位分辨力、观察范围(盲区)、被动跟踪误差精度、目标主动最大发现距离、主动测距误差精度共六项技术指标进行了严格检查，检查结果均符合指标要求。

6 结束语

本文将VV＆A的技术方法应用于综合声纳仿真软件的校验过程。通过对各子模块的功能校核及仿真输出的数据验证证明了综合声纳仿真软件的输出不仅符合声纳设备要求的各项指标，而且相比一般的白噪声误差仿真方法，在诸多重要细节上都非常接近真实海试误差的输出特性，能够为指控算法的研究和验收提供逼真的前端演示验证环境。VV＆A的技术规范已经日趋完善，但将VV＆A方法投入应用才能提高仿真软件的逼真度，这仍是一项需要长期跟踪和推广的工作。

［1］ 李云峰．数字仿真模型的校核、验证和确认［J］．中南大学学报(自然科学版)，2004，34(2):21-25．

［2］ 严小军．仿真建模中的VVA技术方法研究［J］．西安工业大学学报，2006，35(6):7-11．

［3］ 李启虎．数字式声纳设计原理［M］．合肥:安徽教育出版社，2003．

［4］ Paul C．Etter．水声建模与仿真［M］．北京:电子工业出版社，2005．

［5］ A．D．Waite．实用声纳工程［M］．北京:电子工业出版社，2004．

［6］ 徐庚保，曾莲芝．仿真建模与验模［J］．计算机仿真，2008，28(2):7-9．