基于水聲對抗的內場半實物仿真實現方法研究*

呂海濤 管啟亮 譚 鑫

(91439部隊 大連 116041)

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基于水聲對抗的內場半實物仿真實現方法研究*

呂海濤 管啟亮 譚 鑫

(91439部隊 大連 116041)

對于目前外場試驗受水文條件影響,難以達到預期效果的問題,提出了內場半實物仿真的應用方法。在內場建設一個不受海況及其他水文條件影響,近似外場海域的內場半實物仿真對抗實驗室,運用半實物仿真技術模擬雙方的對抗過程,并通過評估軟件對對抗效果進行評估。該方法可以避免外場試驗存在的人力、物力、財力和時間投入比較大,遇到突發事故無法及時處理,和不易重復試驗弊端。對我軍裝設備的功能測試、及操作人員的能力檢驗提供極大的方便。而且可以為未來技術發展后的內場數字仿真對抗技術提供第一手的資料和經驗。

復雜水聲環境; 內場半實物仿真; 水聲對抗; 仿真效能評估

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1 引言

隨著信息化作戰在現代實戰中的作用越來越重要,電子戰裝備的信息化程度快速提高,戰場水聲環境也隨之愈加復雜,且水下裝備的試驗受到外界環境及水文條件的制約較大,對裝備的性能指標試驗、檢驗面臨著巨大的挑戰。因此,以實裝試驗為主的外場物理靶場向以半實物仿真或數字仿真技術為主的內場邏輯靶場方向發展已經成為必然趨勢。利用建模與仿真技術,既能逼真模擬典型復雜水聲環境,又能解決實裝試驗技術成本高、耗時長、保密性差、易受環境制約等缺點。目前半實物仿真技術已經廣泛地應用于雷達電子戰裝備的試驗、訓練、演練中,但是由于水下環境的復雜性和多變性,使得半實物仿真技術尤其是內場仿真技術還僅局限于單兵計量測試,在水聲對抗演練方面還沒有取得明顯的效果。因此,在信息化作戰條件下的復雜水聲環境及水聲對抗內場半實物仿真構建將是一個重要的發展方向。

2 水下戰場半實物仿真的構建

2.1 復雜水聲環境構建

1) 構建水下戰場環境。我們以消聲水池和消聲變壓罐為基礎,搭建了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,水下聲學基陣可以很方便的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。

2) 解決水聲信道的有限性、不均勻性、時變性所帶來的問題。在地面可以將傳播介質看成一種純凈的單一介質,但是在水下,由于不同溫度[1]、密度、鹽度、甚至風浪的影響都使水聲信號的阻抗、衰減變大,且由于聲信道的有限性、不均勻性、時變性等特性,使得接收信號發生了變形、展寬、起伏、去相關、頻移和時間頻率及空間方位模糊等非常復雜的畸變。使得無法準確測量目標的非線性、干擾性、耦合性等具體特征,而內場半實物仿真既可以通過建好的數學模型模擬外場實際海況,又可以對目標的實際情況進行真實的反應。目前我軍已擁有多套浮標式魚雷固定靶、水下聲納檢測靶,完全具有對水下聲信號的檢測和錄取能力,只需提供一個相應的檢測平臺即可。

3) 避免水下自然噪聲及無意干擾。包括海面、海底和體積在內的混響信號及其他水文氣象條件的多樣和復雜。由于大多數試驗都在近海進行,所以包括岸邊的地雜波、水下的海雜波,以及我方艦船、裝設備產生的一些輻射信號、機械噪聲、螺旋槳噪聲、流噪聲[2]都可能對測控設備產生一定的干擾,當這種干擾達到一定程度,將嚴重影響測量結果,甚至無法完成相應的試驗測試項目。而內場半實物仿真由于處于消聲水池或變壓消聲罐中,既可以消減不必要的地海雜波,還可以避免我方艦船、潛艇和大功率發射機對測量數據準確性的干擾。

4) 在外場實兵訓練中,用簡單類艦艇式拖拽目標、浮標靶、換能器組合等方式模擬已知敵方目標信號。而這些方法基本都可以通過半實物仿真在內場得到實現,用外場測試得到的數據通過數學模型將敵方目標各部位的反射信號真實的模擬出來,且可以更靈活地增加或改變目標的數目和特性。解決了外場難以一次性模擬多個敵方目標的瓶頸。

5) 模擬敵方多目標主動干擾。包括敵水聲通信源、敵水面及空中反潛平臺輻射噪聲、敵水下作戰平臺輻射噪聲、敵主動聲納信號、敵攻擊魚雷噪聲和自導信號、敵反潛浮標主動信號及各種水聲對抗裝備。對水下威脅目標的測量主要考慮單枚線導+聲自導魚雷的軌跡測量,目前國內已具備測量加裝合作目標魚雷軌跡的能力,但對抗器材的定位比較復雜,還不完全具備噪聲目標的被動定位測量能力,我軍雖已嘗試性的在水下布設固定光纖陣的研練場,但還受很多客觀因素的制約,無法完全達到預想的效果。而內場半實物仿真試驗中,我們只要擁有足夠的干擾源,就可以通過建模的方式模擬多個敵方目標的主動干擾,豐富了試驗的干擾樣式。

2.2 水聲環境及攻守雙方平臺的建模

1) 復雜水聲環境的建模

(1)水下地形及地貌的建模;

(2)界面混響與體積混響模型[3];

(3)水溫梯度及聲速模型;

(4)聲線模型與多途傳播模型;

(5)其他海洋聲學參數。

2) 目標模擬的建模

(1)水下兵器發射及接收基陣指向性與發射信號描述模型;

(2)目標反射模型;

(3)魚雷航行噪聲模型;

(4)聚焦系數與垂直方位角模型;

(5)水下航行體自導導引目標檢測與識別模型[4](含對抗信號與信息處理);

(6)水下目標彈道控制模型。

3) 干擾模擬的建模

常見的水聲對抗干擾按照信號形式可分為:壓制干擾、寬帶阻塞干擾、寬帶瞄準干擾、回波重發或噪聲誘餌干擾[5]與氣幕彈干擾等。

(1)壓制干擾模型;

(2)寬帶噪聲阻塞干擾模型;

(3)寬帶瞄準干擾模型;

(4)噪聲誘餌模型;

(5)氣霧彈模型;

(6)無源干擾模型。

因為本文主要討論的是水聲對抗在內場的半實物仿真實現方法,而非具體的建模,因此對大量的模型不做具體的舉例。

2.3 仿真軟件的構建

仿真軟件的構建主要依托仿真數據庫,由控制軟件將已知的數據通過數學模型來模擬真實戰場環境,并圖形化的顯示在界面中,數據錄取平臺再將仿真試驗中各部位接收到的信息存儲起來,通過錄入、分選、整理后存入仿真數據庫,也可以在顯示界面完成顯示、比對的功能。其主要構成包括：

1) 仿真主機;

2) 實時控制軟件;

3) 實時顯示軟件;

4) 仿真模型;

5) 數據錄取及處理平臺;

6) 仿真數據庫。

3 水聲對抗的實現方法

3.1 對抗平臺的搭建

在消聲水池為基礎的模擬環境中,搭建一個水聲內場半實物仿真平臺,其中主要設備有變壓消聲水罐、水下目標角模擬裝置、窄帶目標背景信號生成與控制裝置、自導信息處理仿真計算機系統、窄帶目標/混響/噪聲功率放大器組、多路大功率直流穩壓電源、水下聲學基陣(包括目標陣、混響陣和噪聲陣)、數據采集系統等。通過數學模型來模擬這些設備模擬攻守兩方的艦船、潛艇、魚雷、水雷及其他水下兵器,通過紅藍對抗的方式來實現模擬真實戰場敵我雙方水聲對抗的效果。

3.2 仿真對抗的具體實現流程

在對抗中一般設置紅、白、藍三方,紅方代表我方,藍方代表敵方,白方作為第三方進行評判。

首先由指揮控制系統對仿真對抗控制計算機下達命令,仿真對抗計算機對消聲水池中的水聲環境模擬設備、目標模擬設備,敵方干擾等設備下達信號收發指令,來模擬對抗效果,于此同時,各模擬設備通過水下聲學基陣將各部位接收得到的數據實時傳送到數據采集系統,這些數據經過數據處理后一路傳輸到顯示計算機來直觀的顯示對抗的實時過程,另一路存入仿真數據庫中進行保存。具體組成框圖如圖1所示。

圖1 仿真對抗系統組成框圖

3.3 水聲對抗的效能評估

水聲對抗評估中需要作戰環境模擬設置、對抗平臺、測控、通信、指揮等多個環節的支撐[5],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。水聲對抗效果的評估方法在國內尚屬空白,目前尚未有一種合理的評估方法得到各方的廣泛認同,某些機構的所謂方法也只是在內部使用,并不具有通用性,也不能在整個水聲對抗領域形成權威。

因此,若要構建一個合理的評估方法,首先,我們要對整個戰局擁有全局性的掌握,對紅、藍雙方在何種條件下才算完成既定目標有一個明確的標準,因為仿真試驗結果很可能出現某方無法完成全部指定動作和戰術意圖,那而這些指定動作和戰術意圖在真正實戰中的作用又各不相同,比如同樣是五個戰術動作都完成四個,但是失敗的動作不同,得到的結果很可能不同。這就要求白方評判方要對不同的試驗、不同的情況做出準確的判斷。

其次,必須有足夠的理論依據。從總控指揮臺開始,各部位的每一個動作都應該有規范化的模版,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局的影響大小都要量化處理。這就要求我們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,一可以提供寶貴經驗,避免實戰中出現類似錯誤。二可以對操作手的能力素質的提高起到促進作用。三可以找到我們某些裝設備和試驗設置中的缺陷。并通過及時總結,不斷創新,逐步建立一套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泛的認可和更大的應用。

4 內場半實物仿真與外場實兵及數字仿真比較的有優缺點

如表1所示。

5 目前仍需解決的問題

目前內場半實物仿真水聲對抗試驗平臺的方案已處于論證階段,但還有很多需要解決的問題。

1) 缺乏海洋環境長期監測設備,無法得到各種水文條件下的第一手數據資料;

表1 內場半實物仿真與外場實兵及數字仿真比較

2) 缺少敵方相應艦船、潛艇、魚雷、水雷等設備的詳細資料,無法進行仿真模擬;

3) 消聲水池的規格受場地和經費限制,無法建設的更大;

4) 部分浮標靶基于外場試驗設計,導致體積過大,無法布放在內場水池中。

以上問題有的是因為現有技術水平和條件的限制還無法得到解決,有的是決策時未考慮內場半實物仿真造成的,著都需要相關方向的技術人員繼續努力,早日攻克技術壁壘,當這些問題得到全部解決或者部分得到解決后,內場半實物仿真水聲對抗試驗效果也將會直接有益。

6 結語

水聲對抗作為現代海戰的一種重要手段已經得到世界各國的廣泛認可,我國也已在該領域走出了關鍵的一步。目前在外場半實物仿真水聲對抗領域還沒有取得實質性突破的情況下,提出內場半實物仿真水聲對抗技術確實略顯突兀,但內場半實物仿真的優越性和高效性,使其成為未來試驗科研發展的必然趨勢,如果我們能在大力發展外場半實物仿真的同時竭力的提高內場半實物仿真的技術,并通過資料數據的共享,讓內外場仿真技術進行互相的印證和互補,必將促進雙方的發展,對水聲對抗技術和海防事業提供更大的幫助。

[1] 閻福旺.水聲對抗技術[M].北京:海洋出版社,2003.

[2] R. J. 尤立克.水聲原理[M].洪申,譯.哈爾濱:哈爾濱船舶工程學院出版社,1990:190-240.

[3] 楊云川,崔懷林,李志舜.[J].系統仿真學報,2005,17(3).

[4] M. A. 曼蘇爾,B. V. 史密斯,J. A. 愛德華茲.基于PC的實時主動聲納模擬器[J].聲納導航,1997,144(4):227-233.

[5] 宋志杰,史秋亮.潛艇水聲對抗原理與應用[M].北京:兵器工業出版社,2002.

Implementation for Infield HWIL Simulation Based on Acoustic Countermeasure

LV Haitao GUAN Qiliang TAN Xin

(No. 91439 Troops of PLA, Dalian 116041)

There are some impacts on outfield test because of the hydrological effects, so the expectant effects are difficult to be came true. Therefore the implementation method for infield HWIL simulation is advanced. The HWIL simulation laboratory is built in infield, which is not influenced by sea states and hydrological conditions and similar to outfield sea area, the counter course is simulated by HWIL simulation, besides the counter effects are evaluated by evaluation software. According to apply the method, the demand for people, material, money and time is reduced and the accident and difficult multi-tests are avoided. It is convenient to test the equipment and the capacity of operation people. In addition, the first-hand information and experience can be offered for the infield simulation counter techniques which will be developed in future.

complex acoustic environment, infield HWIL simulation, acoustic countermeasure, simulation for effectiveness evaluation

2014年7月11日,

2014年8月25日

呂海濤,男,工程師,研究方向:水聲對抗技術。

DOI:10.3969/j.issn1672-9730.2015.01.025