基于半实物仿真的水声对抗实现方法

【装备理论与装备技术】

基于半实物仿真的水声对抗实现方法

吕海涛,谭鑫,管启亮

(91439部队,辽宁 大连116041)

摘要：对水声对抗技术如何与半实物仿真技术的结合和具体应用方法进行了研究，分析了半实物仿真的原理构建，数学模型的建立、仿真对抗平台的搭建以及对水声对抗效能评估的方法。

关键词：半实物仿真；水声对抗；仿真效能评估

收稿日期：2014-09-20

作者简介：吕海涛(1981—)，男，工程师，主要从事水声及水声对抗研究；谭鑫(1989—)，男，助理工程师，主要从事水声及水声对抗研究；管启亮(1988—)，男，助理工程师，主要从事水声及水声对抗研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.01.012

中图分类号：TJ630

文章编号：1006-0707(2015)01-0041-03

本文引用格式：吕海涛,谭鑫,管启亮.基于半实物仿真的水声对抗实现方法[J].四川兵工学报，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

随着现代科学技术的飞速进步，水下作战中的水声对抗也在向集群化、一体化方向发展,由于作战环境将更为复杂、方式更为灵活,目标和类型将更加多样性，所以如何在复杂水声环境中实现水声对抗的效果将是未来水下战争的关键。基于成本、技术条件及实现难度等综合因素,多目标、复杂干扰的实航试验环境是难以构建的,因此以实装和实测数据为依托的半实物仿真对抗技术应运而生，并在水中兵器的测试、批检和实兵演练中起到了越来越大的作用。但如何将半实物仿真技术与水声对抗技术有机地结合起来并应用于实战，已经成为该技术利于的一个重要课题。

1半实物仿真的实现原理与构建

半实物仿真主要通过数学建模的方式，利用现有装备将设计好的信号通过模拟的方式发射到指定的水下环境中来，用以模拟复杂水下环境和多目标干扰。

1.1目标辐射噪声信号模拟

1) 舰船噪声信号模拟

目标辐射噪声信号仿真模型根据普遍采用的假设，舰船噪声近似服从高斯分布，其统计特性可通过二阶距来描述。因此，对舰船噪声的仿真可归结为对随机信号相关特性或功率谱特性的仿真。舰船噪声时变功率谱可表示为[1]

G(t,f)=GX(f)+GL(f)+M(t)M(f)GX(f)

其中:GX(f)为平稳各态历经高斯过程的连续谱；GL(f)为在频率上离散分布的线谱；M(t)M(f)GX(f)是谱级受到周期调制的时变功率谱，M(t)称为调制函数，代表连续谱所受到的周期时变调制；M(f)为调制深度谱，反映不同频率成分所具有的不同调制程度。

2) 目标强度模型

这里选定的标准目标是具有Urick提出的典型蝶形曲线强度的目标[2]。目标强度通过目标等效椭球体的投影面积和声反射系数确定。具体应用中，主要考虑了目标强度随目标形状、大小及入射声波方位(舷角)的变化，即[1]

(1)

式(1)中:S为目标沿入射声波方向的投影面积;V为入射声波方位上的声反射能力。相互之间的关系有:

(2)

式(2)中:a、b、c为目标潜艇等效椭球体的半轴长度;φ为舷角，弧度。当目标等效椭球体取长100m，宽10m，高8m的典型值(即a=50，b=5，c=4)时，则根据式(2)计算的目标强度与Urick提出的“蝶形”曲线一致。

3) 目标辐射噪声级SL及其方向性

目标的辐射噪声与目标吨位、速度、航行深度等因素有关，折合简化的经验公式为

SL=86+1.8Vm

(3)

式中:Vm为目标航速(节)。式(3)为目标辐射噪声的用下面的方向性函数描述[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目标背景环境模拟

目标背景生成系统由水下基阵、可控目标/背景信号生成器、目标/背景生成计算机等组成。水下基阵包括目标、混响、人工干扰、自噪声等,用于模拟目标的声学特性、混响背景和人工干扰,由可控目标/背景信号生成器驱动。可控目标/背景信号生成器分别驱动水下基阵的目标、混响、自噪声和人工干扰等基阵。目标/背景生成计算机接收海洋环境参数、鱼雷和目标的状态参数,完成对目标、混响、自噪声等的声学特性和人工干扰信号的实时解算和生成[4]。

目标背景环境模拟以消声水池、消声变压罐和水下声学基阵为基础，搭建一个近似的水声自由物理场，变压消声水罐可以提供不同的鱼雷等水中兵器工作深度水压，水下声学基阵可以很方便地考察水中兵器在不同压力下的相应特性以及对接收信号的影响。水下声学基阵可以在内场消声水池中进行小范围的搭建，用以测试、测量单个目标简单环境下的指标，也可以在外场真实海域海底进行搭建，但由于适宜搭建的外场海底环境和经费的制约，这种外场水下声学基阵还没有广泛的应用于水声对抗试验中。

2基于半实物仿真的水声对抗实现方法

2.1水声对抗的科目设置和方案设计

水声对抗研练科目是根据研练的计划进行设置，其作战想定针对性很强，而研练方案则是根据设置的科目确定。依据研练科目确定的研练方案，一定会包括测控、作战环境模拟设置等方案内容，在实航试验中这些方案的设计受到海况、兵力部署和其他外在因素的影响无法完全实现。但半实物仿真试验却可以排除因海况和兵力等因素的影响，依据若干种具有真实作战背景的水声对抗系统作战想定，在保证研练方案作战背景真实的前提下，根据测控、靶标、海洋环境测量、指控等实际，通过系统仿真等手段来研究确定。这将在一定程度上解决部队研练和实战要求差距大的问题，又能有效解决水下对抗研练效果评估的数据来源问题。

2.2水声对抗仿真训练与研练过程仿真推演

在实兵研练前，对水声对抗研练实施方案进行仿真推演，将有利于作战人员进一步熟悉和完善研练实施方案。对参训部队的战位操作手进行针对研练方案的模拟仿真训练，使其尽可能地熟悉掌握研练方案各个环节所要求的操作，既能为海上实兵研练打下良好的技术基础，又能减少成本、提高效益。但由于这种推演和仿真训练既需要更加贴近实际情况又要控制成本，所以无论是单一的数字化仿真还是实航训练都无法很好地达到效果，半实物仿真训练和推演却可以很好地将这2点要求完成，半实物仿真依托实装和实测数据，可以模拟出真实的工作状态，同时辅以多媒体演示的手段，对水下试验过程进行展示，为理解不可见的水下对抗过程起到了一定的作用。又比实航训练节省人力、物力，且不受自然条件制约，所以已经成为未来水声对抗操作手的主要训练、测试手段。

所以，基于半实物的模拟仿真训练和仿真推演是提高研练效果的有效手段。

2.3半实物仿真平台的构建

半实物仿真平台的建立，是依托现有模拟设备和实测数据，在特定区域营造一个近似于实战的环境。通过多部模拟器的目标环境的模拟，完成红蓝双方对抗的目的。其主要分为内场和外场。内场可以在消声水池和消声变压罐内，搭建一个近似的水声自由物理场，而变压消声水罐还可以提供不同的鱼雷等水中兵器工作深度水压。外场可以依托海底声学基阵，可以很方便的考察水中兵器在真实海域的相应特性以及对接收信号的影响[5]。

2.4对抗效果评估

“水声对抗作战效能评估”需要对作战方案、目标背景环境模拟逼真度、平台对抗效果、测控、通信、指挥等多个环节的综合评定，在考虑人为因素的前提下，应侧重于定量评估中的技术因素。可以采用并行仿真开发环境及高性能集群机，满足复杂研练方案推演所要求的“超实时”、“大计算量”和“协同并行”的要求。

水声对抗效果的评估方法在国内尚属空白，目前尚未有一家机构能够对水声对抗的效果进行全面的评估，也没有一种合理的评估方法能够得到各方的广泛认同，并在整个水声对抗领域形成权威。因此为了构建一个合理的评估方法，首先对整个战局进行全局性的掌握，对对抗双方在何种条件下才算完成既定目标制定了明确的标准。对作战方案中的动作完成，按照重要性制定了具体的分数。

其次，从总控指挥台开始，各部位的每一个动作都应该有规范化的模版，当各部位完成动作有偏差时，该如何评定？动作完成情况对仿真对抗和整个战局的影响大小都要量化处理。这就要求在仿真对抗之前对每一个部位的可能动作非常了解，

再次，必须将仿真对抗效果评估与海上对抗效果评估相结合，用海上实兵演练和内、外场试验结果来证明内场仿真评估方法的正确性，并建立比对数据库，通过大量的试验测量数据和结果来反证评估方法的正确性和通用性。

最后，要有错误分析机制，当失败动作产生后，不能放任不管，必须要能分析出失败的原因和解决的方法，一来可以提供宝贵经验，避免实战中出现类似错误。二来可以对操作手的能力素质的提高起到促进作用。三来可以找到某些装设备和试验设置中的缺陷。并通过及时总结，不断创新，逐步建立一套更加科学有效的评估体系和评估准则。当然这个工作不是一蹴而就的，需要逐步完善、丰富，随着时间和经验的积累，这种评估方法会得到更广的认可和更大的应用。

3目前面临的问题和难点

1) 由于模拟条件局限，无论是半实物仿真还是全数字仿真，无论是内场仿真还是外场仿真，所模拟的环境都是在最佳条件下的简单环境，无法将不同温度[2]、密度、盐度及水声信号的阻抗、衰减，和由于声信道的有限性、不均匀性、时变性导致的接收信号发生的变形、展宽、起伏、相关、频移等畸变全部模拟出来。所以和真实海战场还是存在一定的差异。

2) 海底声学基阵布设存在一定困难。

3) 缺少第一手敌方目标的资料，对敌方目标模拟的逼真度无法得到证实。

4) 目前国内尚未有一款通用性强的软件能够将大部分战术、技术模型与实装进行接轨。

4结束语

虽然在目前技术水平上，存在诸多问题，但是在水声对抗领域中的试验、测量由实航测试向内、外场半实物仿真发展已经势不可挡，尤其随着声学外场基阵的不断布设和内场模拟物理场的不断完善，基于半实物仿真的水声对抗试验将更多地得到应用。

而各型装设备的一体化、集成化程度不断加深，使得未来的水中兵器必将具备更广泛的兼容性和通用性，这也为半实物仿真和水声对抗的有机结合提供了更大的方便。所以如何更好地将半实物仿真技术应用于水声对抗领域将是未来水声对抗发展的重中之重。

参考文献：

[1]杜功焕.声学基础[M].上海:上海科学技术出版社,1981.

[2]阎福旺.水声对抗技术[M].北京:海洋出版社，2003.

[3]李宁,吉礼超,贾磊.某型装备声探测仿真建模[J].四川兵工学报,2003(6):11-13.

[4]刘永丰,关国枢,张西建,等.鱼雷声寻的制导半实物仿真系统研究与实现[J].舰船科学技术,2003(6):26-29.

[5]曹占启，孟华， 陈祥国. 基于贝叶斯网络的水声对抗效能评估方法[J].四川兵工学报，2013(12):31-34.

(责任编辑周江川)