半實物仿真在水聲對抗中的實現方法探討

呂海濤，譚 鑫，管啟亮

（中國人民解放軍91439部隊，遼寧 大連116041）

0 引言

隨著現代科學技術的飛速進步，水下作戰中的水聲對抗也在向集群化、一體化的方向發展，作戰環境將更為復雜、方式將更為靈活、目標和類型將更加多樣，所以如何在復雜水聲環境中實現水聲對抗將是未來水下戰爭的關鍵。基于成本、技術條件及實現難度等綜合因素，多目標、復雜干擾的實航試驗環境是難以構建的，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。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，已經成為該技術應用的一個重要課題。

1 半實物仿真的實現與構建

1.1 復雜水聲環境構建及功能

1）構建水下戰場環境。水下戰場環境的構建主要是對目標背景環境的模擬。目標背景生成系統由水下基陣、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。目標／背景生成計算機接收海洋環境參數、魚雷和目標的狀態參數，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［1］。

目標背景環境模擬以消聲水池、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的工作深度水壓，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、測量單個目標在簡單環境下的指標，也可以在外場真實海域海底搭建，但由于環境和經費的制約，這種外場水下聲學基陣還沒有廣泛地應用于水聲對抗試驗中。

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，不同溫度［2］、密度、鹽度、甚至風浪的影響都使水聲信號的阻抗、衰減變大，且聲信道具有有限性、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畸變，因此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。

3）避免水下自然噪聲及無意干擾。由于大多數試驗都在近海進行，所以岸邊的地雜波、水下的海雜波，以及己方艦船、設備產生的一些輻射信號、機械噪聲、螺旋槳噪聲、流噪聲［3］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，還可以避免己方艦船、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實現，即可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地模擬出來，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問題。

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。內場半實物仿真試驗中，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。目前應用比較廣泛的主要是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［4］：G（t，f）＝GX（f）＋GL（f）＋M（t）·M（f）GX（f），其中GX（f）為平穩各態歷經高斯過程的連續譜，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，反映不同頻率成份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［3］。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，即由下式給出［4］：

式中，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。有：

式中，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，則根據上式計算的目標強度與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，其經驗公式為：

式中，Vm為目標航速（節）。

式（3）也可用下面的方向性函數描述［2］：

1.2 水聲環境及攻守雙方平臺的建模

1）復雜水聲環境的建模

包括：水下地形及地貌的建模；界面混響與體積混響模型［5］；水溫梯度及聲速模型；聲線模型與多途傳播模型；其他海洋聲學參數。

2）目標模擬的建模

包括：水下兵器發射及接收基陣指向性與發射信號描述模型；目標反射模型；魚雷航行噪聲模型；聚焦系數與垂直方位角模型；水下航行體自導導引目標檢測與識別模型［6］（含對抗信號與信息處理）；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［7］與氣幕彈干擾等。干擾模擬的建模包括：壓制干擾模型；寬帶噪聲阻塞干擾模型；寬帶瞄準干擾模型；噪聲誘餌模型；氣霧彈模型；無源干擾模型。

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。

1.3 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，并圖形化地顯示在界面中，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：仿真主機；實時控制軟件；實時顯示軟件；仿真模型；數據錄取及處理平臺；仿真數據庫。

2 基于半實物仿真的水聲對抗實現方法

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，其作戰想定針對性很強，而研練方案則是根據設置的科目確定。研練方案一般包括測控、作戰環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而無法完全實現。但半實物仿真試驗卻可以排除這些影響，依據若干種具有真實作戰背景的水聲對抗系統作戰想定，在保證研練方案作戰背景真實的前提下，根據測控、靶標、海洋環境測量、指控等實際情況，通過系統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

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。在實兵研練前，對水聲對抗研練實施方案進行仿真推演，將有利于作戰人員進一步熟悉和完善研練實施方案。但這種推演和仿真訓練既要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。而半實物仿真訓練和推演卻可以很好地將這兩點要求完成。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，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。其比實航訓練節省人力、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。

2.3 半實物仿真平臺的構建

半實物仿真平臺的建立，是依托現有模擬設備和實測數據，在特定區域營造一個近似于實戰的環境。通過多部模擬器的目標環境的模擬，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。外場可以依托海底聲學基陣，很方便地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。

2.4 對抗效果評估

“水聲對抗作戰效能評估”需要對作戰方案、目標背景環境模擬逼真度、平臺對抗效果、測控、通信、指揮等多個環節進行綜合評定，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。可以采用并行仿真開發環境及高性能集群機，滿足復雜研練方案推演所要求的“超實時”、“大計算量”和“協同并行”的要求。

目前國內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。因此本文探索構建一個合理的評估方法：

首先，對整個戰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明確的標準。對作戰方案中的動作完成，按照重要性制定具體的分數。

其次，從總控指揮臺開始，各部位的每一個動作都應該有規范化的模版，而當各部位完成動作有偏差時，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，必須分析失敗的原因和解決的方法，一來可以提供寶貴經驗，避免實戰中出現類似錯誤；二來可以對操作手能力素質的提高起到促進作用；三來可以找到某些裝備和試驗設置中的缺陷。通過及時總結，不斷創新，逐步建立一套更加科學有效的評估體系和評估準則。

3 目前面臨的問題和難點

1）由于模擬條件的局限，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，所模擬的環境都是在最佳條件下的簡單環境，無法將不同溫度、密度、鹽度及水聲信號的阻抗、衰減，和聲信道的有限性、不均勻性、時變性導致的接收信號發生的變形、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）缺少敵方目標的第一手資料，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試驗、測量由實航測試向內、外場半實物仿真發展已經勢不可擋，尤其是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得到更多的應用。而各型裝備的一體化、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展的重中之重。■

［1］劉永豐，關國樞，張西建，等.魚雷聲尋的制導半實物仿真系統研究與實現［J］.艦船科學技術，2003（3）.

［2］閻福旺.水聲對抗技術［M］.北京：海洋出版社，2003.

［3］Urick RJ.水聲原理［M］.洪申，譯.哈爾濱：哈爾濱船舶工程學院出版社，1990.

［4］杜功煥.聲 學 基 礎［M］.上 海：上 海 科 學 技 術 出 版社，1981.

［5］楊云川，崔懷林，李志舜.基于水聲物理場的魚雷制導半實物仿真方法及應用［J］.系統仿真學報，2005（3）.

［6］Mansour MA，Smith BV，Edwards JA.PC-based realtime active sonar simulator［J］.Sonar and Navigation，1997，144（4）：227-233.

［7］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.