潜艇训练虚拟水声目标仿真研究

王永洁,田立业,周佳玉

(海军潜艇学院,山东 青岛 266199)

声呐探测是潜艇发现目标的主要手段,由于水声环境的特殊性,声呐探测目标具有不确定性,水声目标的探测与目标运动要素解算是潜艇训练的重要内容,虚拟水声目标的逼真度对潜艇实装训练至关重要。文献[1]提出利用模拟训练软件，通过一体化网络，把虚拟目标信息发送给舰艇探测系统,文献[2]提出利用嵌入式仿真设备为舰艇提供虚拟目标信息,但没有对虚拟水声目标的逼真度做进一步研究。文献[3]提出利用舰载综合训练仿真器，通过专用电缆把目标信息发送给舰艇传感器模拟器,但只有目标的方位、距离、航向和海域的海况、海深、流向等基本信息,虚拟水声目标的逼真度较低。文献[4]提出了一种基于实测信号重构的船舶航行辐射噪声信号仿真方法,文献[5]分析了海洋环境对声呐使用性能的影响,文献[6]设计了水声探测信号级仿真通用模型库。虚拟水声目标的逼真度不仅与目标声学特性和海洋环境紧密相关,也与目标的运动状态紧密相关[7]。

本文研究了目标舰艇(水面舰艇和潜艇)声学特征、海洋环境特征和目标舰艇战术机动特征的仿真计算方法,并利用嵌入式训练系统，把目标的水声特征仿真信息注入潜艇作战系统,为潜艇实装训练提供较为逼真的虚拟水声目标。

1 虚拟水声目标注入方式

虚拟水声目标信息由嵌入式训练系统生成并注入潜艇实装,嵌入式训练系统由导演台、蓝方台和接口装置组成,并与潜艇作战系统连接,其结构如图1所示。

图1 潜艇嵌入式训练系统结构

导演台、蓝方台采用便携式计算机,接口装置固定安装在潜艇上,各设备之间采用网线连接。接口装置1号线连接到潜艇作战系统声呐模拟器,2号线连接到作战系统交换机。其中,声呐模拟器是声呐系统的附属设备,可以根据目标水声特征信息、声呐工况以及海洋环境条件模拟生成阵元级噪声信号,驱动声呐系统运行。导演台虚拟生成水声目标信息和海洋环境信息,通过接口装置1号线发送至潜艇作战系统声呐模拟器,完成对潜艇实装的水声目标注入。蓝方台模拟目标的作战行为,包括战术决策和航行机动等,并把目标运动控制信息发送至导演台。这样,潜艇作战系统就可以获取含有水声特征和运动特征的目标信息以及海洋环境特征信息,进而展开相关的作战训练。在训练过程中,导演台通过接口装置2号线获取潜艇实装的武器发控信息和导航信息,用于模拟潜艇作战过程。

2 虚拟水声目标探测仿真

2.1 目标的声学特性仿真

2.1.1 目标辐射噪声计算模型

舰艇目标的辐射噪声SL由机械噪声、螺旋桨空化噪声和水动力噪声组成。由于舰艇辐射噪声理论计算十分复杂,本文采用数据拟合模型计算典型目标的辐射噪声声源级[8]。

大型水面舰艇目标辐射噪声声源级计算模型:

SL=51lgV+15lgT-20lgf-20lgD-86.4

(1)

中小型水面舰艇目标辐射噪声声源级计算模型:

SL=60lgK+9lgT-20lgf-20lgD-47

(2)

式中,SL为辐射噪声谱级(dB),V为螺旋桨叶尖速度(m/s),K为目标航速(m/s),T为排水量(t),f为频率(kHz),D为距离(m)。

潜艇辐射噪声与潜艇航速、航深和舷角有关,国外潜艇6 kn时辐射噪声的谱级大致可以表示为[9]

(3)

式中,f为噪声频率(Hz)。

潜艇目标辐射噪声声源级计算模型:

SL=SL(6)+s×(V-6)

(4)

式中,SL为辐射噪声谱级(dB),V为航速(kn),SL(6)为潜艇航速为6 kn时的辐射噪声,s为辐射噪声与航速的比值(dB/kn),即航速每增加一节辐射噪声的增大值。

2.1.2 目标主动声呐声源级计算模型

主动声呐的发射声源级反映了其发射基阵辐射声功率的大小,主动声呐定向发射信号,发射声源级与发射指向性指数有关,其计算模型[10]:

SL=70.8+10logW+DI

(5)

式中,W为主动声呐发射声功率(kW),DI为发射指向性指数。

2.1.3 目标反射强度计算模型

目标反射强度描述的是目标对声波的反射能力,主要与目标的几何特性、声波入射方向以及入射声波信号特征有关,其中，只有声波入射方向是能够变化的。目标反射强度与目标的几何形状密切相关,对于舰艇目标来说,目标反射强度还随声波入射角变化而变化,目标反射强度可以近似表示为

TS=TS0(16.17-2.98cos 2β-3.083cos 6β)/22.233

(6)

式中,β为声波入射舷角,TS0为目标正横反射强度。

2.2 水声传播损失仿真

水声传播损失仿真是根据潜艇训练所在海域的环境条件和水文条件，按特定的模型计算声场。本文采用平滑平均场与WKBZ相结合的声场数值预报方法,即在浅海条件下,采用平滑平均场预报声场,在深海条件下,采用WKBZ简正波模型预报声场。

WKBZ声场计算过程:首先根据声速剖面,计算出海面、海底相移以及相位积分,利用频散方程,可以确定波导简正波及海底反射简正波的最大号数,进而再通过频散方程,用迭代法求出各号简正波对应的本征值;根据振幅函数公式，可求出不同收发深度下各号简正波对应的振幅函数,再根据水声传播损失计算模型，进一步求解出不同声源深度、接收深度和距离上的传播损失[11]。计算流程如图2所示。

图2 WKBZ声场计算流程

与WKBZ模型相比,平滑平均场模型省去了本征值、相积分的计算[12],声线跨度和边界声吸收的计算同WKBZ模型一致。平滑平均场模型数值计算流程如图3所示。

图3 平滑平均场计算流程

2.3 背景噪声级仿真

计算声呐工作的背景噪声级,需要综合考虑海洋环境噪声级和平台自噪声级。一般认为海洋环境噪声和平台自噪声相互独立,对于两个相互独立的噪声源,其共同作用的背景噪声级计算模型:

(7)

式中,NL1为海洋环境噪声级,NL2为平台自噪声级。

2.3.1 海洋环境噪声级计算模型

本文采用Knudsen模型,假定海洋环境噪声服从Knudsen谱,在频段(f1,f2)内的海洋环境噪声级为

NL1=109.2+20lgn+10lg(f2-f1)-8.3lg(f1×f2)

(8)

式中,n为海况等级,f1、f2为频率(Hz)。根据声呐的工作频段和海况，计算对应声呐工作时的海洋环境噪声级。

2.3.2 平台自噪声级计算模型

平台自噪声是一种特殊的背景干扰,与潜艇型号、航行状态、频率相关,是由潜艇的机械振动、螺旋桨空化和水动力产生的。平台自噪声受潜艇速度变化影响很大,低速时自噪声主要由机械振动引起,中速时主要以水动力噪声为主,高速时主要以螺旋桨空化噪声为主。当航速很低时,平台自噪声和环境噪声接近,自噪声随航速增加而急剧增加,平台自噪声级计算模型[10]:

(9)

式中,NL1为海洋环境噪声级(dB),v为平台航行速度(kn)。

3 虚拟水声目标机动仿真

由前文可知,目标的辐射噪声和速度、距离息息相关,反射强度和声波入射舷角相关,所以目标的战术机动会直接影响目标的声学特性。此外,目标战术机动会影响潜艇对目标的运动要素解算。通过模拟目标的战术机动,可以增加水声目标探测与目标运动要素解算的逼真度。

3.1 虚拟水声目标运动仿真

3.1.1 舰艇平面运动计算模型

本文把目标舰艇视为一个质点,由水平面内变速变向非线性操纵运动方程组计算目标运动轨迹[13]。根据下式逐点推算,可求得目标舰艇在水平面内匀速直线运动时的位置坐标及航向:

(10)

式中,dt为仿真时间步长。t时刻舰艇坐标为(x(t),y(t)),航向为c(t),航速v(t)。变速变向符号分别为Kv、Kc,其定义域均为{-1、0、1},Kv=0表示速度不变,Kv=1表示加速,Kv=-1表示减速;Kc=0表示航向不变,Kc=1表示右转,Kc=-1表示左转。

设t时刻舰艇开始变速,则在t+ndt时刻,舰艇航速为

(11)

式中,C为舰艇机动系数,C越小,则舰艇的机动性能越好,V0为开始变速时的航速,即V0=V(t),V为变速后的航速。计算出变速过程中每一时间点的航速值后代入式(10),可递推求得舰艇在变速过程中的位置坐标。

设t时刻舰艇开始转向,舰艇转向过程中t时刻的角速度为

(12)

式中,α为转向时的速降比,r为舰艇旋回半径。

舰艇转向过程中,航向为

c(t+dt)=c(t)+ω(t)·dt

(13)

将上式与式(10)结合,可递推求出舰艇在旋回过程中的平面位置坐标。

3.1.2 潜艇垂直运动计算模型

对于潜艇目标在垂直方向的运动,这里简化处理,根据下式逐点推算:

z(t+dt)=z(t)+KHvH(t)·dt

(14)

式中,dt为仿真时间步长,t时刻潜艇深度坐标为z(t),垂直速度vH(t),KH=0表示深度不变,KH=1表示上浮,KH=-1表示下潜。

3.2 虚拟水声目标战术机动仿真

在嵌入式训练系统蓝方台软件中,构建目标(水面舰艇和潜艇)兵力Agent,并根据舰艇战术原理,采用模糊推理机制,建立舰艇智能机动决策模块,如图4所示。

图4 舰艇智能机动决策模块

图4中,知识库存储舰艇战术机动的相关知识,对于模糊推理机可以采用将产生式规则表示成模糊关系矩阵的方法表示知识[14]。动态数据库建立短期存储器模型,存放问题事实和由规则推理出的新事实,数据库中的问题事实和新事实以模糊集的形式出现。模糊推理机对产生式知识的推理是搜索加匹配,对数学模型的推理是计算,通过定量与定性结合分析求解问题。解释机对系统的推理过程提供解释,它依赖于动态数据库和知识库。解模糊器把推理系统输出的模糊集合映射成精确输出。机动参数输出执行推理机做出战术机动决策。人工干预是对智能机动决策方案进行修正和干预,必要时可以完全由人工进行战术机动决策。由舰艇战术原理构建的知识库,包含了舰艇机动的规则,比如舰艇接敌机动、占位机动、规避机动、搜索机动和防御机动等行为,具体的战术机动规则这里不再赘述,可参考文献[15]。

4 仿真实验验证

某潜艇作战系统的实验室仿真系统组成如图5所示。

图5 潜艇作战系统仿真系统示意图

在该仿真系统网络中嵌入一个训练系统,包括导演台和蓝方台,因为是仿真实验,所以没有连接潜艇实装的接口装置,由导演台通过以太网把虚拟水声目标信息、海洋环境信息和背景噪声信息发送至声呐仿真台,驱动潜艇作战系统仿真训练。

由于虚拟水声目标的声呐信号与实际声呐信号之间存在随机因素,在声呐方程[10]中加入随机分布特征的信号余量E,修正后的声呐方程为:

SL-2TL+TS-(NL-DI)=DT+E

SL-TL-(NL-DI)=DT+E

(15)

式中,设定信号余量E满足正态分布,均值为0,在仿真实验过程中,按照仿真周期抽取信号余量值随机数,加入声呐方程,可计算出当前时刻目标的声呐信号幅值水平。

在某次仿真训练中,导演台生成的虚拟目标包括1号目标A型潜艇和2号目标B型驱逐舰。A型潜艇不同舷角的反射强度的计算结果如图6所示,不同航速的辐射噪声计算结果如图7所示。

图6 A型潜艇反射强度

图7 A型潜艇辐射噪声

B型驱逐舰在航速17 kn时,不同频率下的辐射噪声计算结果如图8所示,在频率3 000 Hz时,不同航速条件下的辐射噪声计算结果如图9所示。

图8 B型驱逐舰辐射噪声

图9 B型驱逐舰辐射噪声

在当前海域,水深80 m,海底类型为硬底,海况2级,声源深度7 m,接收深度30 m,在不同距离上水声传播损失计算结果如图10所示。频率为1 000～3 000 Hz,海洋环境噪声计算结果为94.4 dB,本艇自噪声级在不同航速下的计算结果如图11所示。

图10 水声传播损失

图11 本艇自噪声级

潜艇作战系统声呐仿真台发现1号潜艇目标和2号驱逐舰目标,并发送至指控仿真台,由指控仿真台解算目标运动要素,目标参数如图12所示。

图12 水声目标参数

在训练过程中,当1号潜艇目标进行战术规避,航速由9 kn减至2 kn时,1号潜艇目标丢失,当2号驱逐舰目标进行曲折机动时,2号驱逐舰目标只有动态方位信息,没有其他运动要素,如图13所示。当本艇模拟机动次数明显高于2号目标的机动次数时,指控仿真台能够解算出2号目标的运动要素。

图13 水声目标参数

5 结束语

采用嵌入式训练系统生成虚拟水声目标并注入潜艇实装作战系统,可以驱动潜艇实装训练。在嵌入式训练系统中，建立虚拟水声目标声学特性计算模型、水声传播损失计算模型和背景噪声计算模型,能够为潜艇作战系统提供逼真的目标水声特征信息、海洋环境信息和背景噪声信息。在嵌入式训练系统中构建目标智能机动决策模块,可以丰富目标的战术机动样式,通过目标声学特性计算模型，能够把目标战术机动特征反映到目标水声特征中。仿真实验验证表明,本文的仿真方法能够有效提高虚拟水声目标的训练逼真度,可满足潜艇实装训练要求。