面向操作人員的聲納裝備運用演示驗證系統設計研究*

湯曉迪 韓慶偉 張 芮

（海軍士官學校 蚌埠 233012）

1 引言

當前，反潛戰的發展正經歷著新一輪的革命性變化。世界各海軍強國在不斷研制新體制聲納，不斷提升聲納裝備探測性能的同時，愈發重視對海洋水聲環境的勘測與研究[1]。由于受溫度、鹽度、靜壓力以及海底地形等因素的影響，海洋水聲環境復雜多變，對聲納的探測效果影響很大，同一部聲納在不同的水聲環境下其探測效果可能完全不同乃至相反[2]。如何有效利用復雜的海洋水聲環境，營造水聲環境有利于我，而不利于敵的作戰態勢，成為了聲納裝備作戰運用研究必須重點研究解決的問題。

作為聲納裝備操作人員，只有熟練掌握并合理運用水聲環境，才能最大程度發揮聲納裝備的探測效能。聲納裝備操作人員必須強化復雜水聲環境下的作戰意識，通過仿真訓練等手段弄清海洋水聲傳播原理、復雜水聲環境基本特征以及對武器裝備作戰效能的影響，弄清作戰對手潛艇裝備的基本聲學特性和作戰運用方法，弄清未來反潛作戰面臨的典型水下作戰場景，弄清復雜水聲環境下作戰訓練的特點規律和開展復雜水聲環境下作戰訓練的要求[3]。

因此，為了能夠提供有效的基于復雜水聲環境的訓練手段，有效提升聲納操作人員裝備運用能力，提出基于水聲環境仿真面向操作人員的聲納裝備運用演示驗證系統設計研究需求。

2 系統功能設計

針對典型作戰場景中復雜水聲環境仿真條件下，面向聲納操作人員的裝備運用，立足于聲納裝備的操作使用與水聲環境的有機結合，開發設計基于水聲環境仿真面向操作人員的聲納裝備運用演示驗證系統。該系統以聲納裝備的實際運用為演示驗證的研究對象，以仿真建模技術構設滿足實戰條件的戰術水聲環境，實現海區水下聲場分析、裝備探測性能預報，不同探測方案的演示驗證，聲納探測案例的復盤分析等功能，既可為聲納裝備在復雜水聲環境下作戰運用的最優化研究提供實驗、演示和驗證手段，進而為裝備的性能改進和界面優化提供方向性建議，更可應用于聲納操作人員的教學訓練，為聲納操作人員作戰能力的提升提供有效助力。系統主要功能包括以下幾個方面。

2.1 聲場分析

提供復雜水聲環境下水聲場的仿真實時分析預報和聲學數據信息，具體包含傳播損失、聲線軌跡、聲線到達信息以及會聚區預報等。

2.2 聲納性能預報

綜合考慮聲納裝備性能設計、預報的使用經驗和需求，利用傳播損失、聲納參數、作戰平臺參數、目標參數等實現聲納探測概率和探測距離的評估。

2.3 聲納探測方案演示驗證

在已給定的典型仿真水聲環境條件下，將聲納操作人員擬采取的不同的聲納探測方案輸入系統，對各方案的探測效果進行演示驗證，以評估各探測方案的科學合理性，實現典型水聲環境下聲納裝備的最優化運用，從而促進聲納操作人員作戰能力的提升。

2.4 聲納探測案例復盤

將聲納探測實際案例中的真實水聲環境數據輸入到系統中，利用系統仿真重構實戰水聲環境，將實戰中的聲納探測數據輸入系統，實現聲納探測案例的復盤分析，從而為裝備的性能改進和聲納操作人員的實際操作提供參考和建議。

3 系統模塊設計

基于水聲環境仿真面向操作人員的聲納裝備運用演示驗證系統設計主要包括數據支持模塊、聲場分析模塊、聲納性能預報模塊、演示驗證模塊、探測案例復盤模塊等五個模塊。系統總體組成結構圖如圖1所示，系統各模塊間數據支持關系如圖2所示。

圖1 系統組成結構圖

3.1 數據支持模塊

數據支持模塊由海洋水聲環境歷史數據庫、作戰平臺庫、目標庫、聲納參數庫和通信接口組成，通過數據通信接口和信令通信接口同其他模塊連接，以海洋水聲環境歷史數據庫為基礎為其他模塊提供環境數據，是實現仿真水聲環境構設的基礎。

3.2 聲場分析模塊

聲場分析模塊在數據支持模塊提供海洋水聲環境數據信息的基礎上，結合聲納、作戰平臺、目標等參數，利用典型聲場模型實現聲場預報。該模塊采用的聲場模型將充分考慮水聲作戰的需求，最大程度實現聲場范圍覆蓋廣、高效并行以及全方位性能分析的設計目的。

3.3 聲納性能預報模塊

聲納性能預報模塊由探測概率預報和探測距離預報兩個子功能模塊組成。該模塊在聲場分析模塊提供的分析預報結果基礎上，結合聲納裝備性能設計等相關參數進行滿足作戰需求的聲納性能預報。

3.4 演示驗證模塊

演示驗證模塊在聲場分析模塊和聲納性能預報模塊提供的分析預報結果基礎上，依托數據支持模塊提供的一系列相關參數，對聲納操作人員擬采取的具體聲納裝備的探測方案進行仿真驗證，以驗證判斷方案的合理性。

3.5 探測案例復盤模塊

探測案例復盤模塊利用聲場分析模塊和聲納性能預報模塊的數據分析模型，對聲納探測案例的水聲環境進行復現，在數據支持模塊的支撐下，將案例中的聲納探測數據導入系統，以實現探測案例的復盤。

4 關鍵技術分析

設計開發基于水聲環境仿真面向操作人員的聲納裝備運用演示驗證系統，涉及到的關鍵技術主要包括以下幾個方面。

4.1 數據庫構建

構建包含海洋歷史水聲環境數據、作戰平臺參數、目標參數以及聲納參數的數據庫，以支撐數據支持模塊的構建。數據庫擬采用SQLite輕量級嵌入式數據庫，它包含在一個僅十三萬行的C庫中，運行時內存僅需幾百k，其工作效率能夠滿足一般程序的數據存儲要求，具有不需獨立進程，可按程序需要進行動態或靜態連接的優點[4]。數據庫的開發分為三步：

一是使用Python建立數據源，將海洋歷史水聲環境數據、作戰平臺參數、目標參數、聲納參數等方面內容，分別作為獨立的單類庫建立各子數據庫，注重梳理清晰各子庫之間的相互支撐關系，使用Python新建數據源，包括各類信息相關的若干記錄表[5]。

二是數據源的配置。數據支持模塊操作的對象是數據源，首先要建立數據庫程序和數據源的連接，通過使用ODBC驅動程序來完成連接[6]，創建C database對象。為了增加數據庫程序的靈活性以及便用度，本系統在程序中采取動態配置數據庫的方式。

三是數據庫的管理。在本系統中，數據庫的管理主要包括對數據的讀取、搜索、添加和刪除等操作。所有的演示驗證數據包括基本參數、演示驗證結果等都放在數據庫中，主程序運用MySQL數據庫管理系統讀取數據庫中的相應記錄[7]，執行相應操作，完成相應的演示驗證任務。

4.2 聲場計算模型構建

構建聲場模型是實現有效聲場計算和分析的基礎，也是實現聲納性能預報的前提。本系統設計擬采用的聲場模型包括射線、拋物方程和簡正波三種。

射線模型假定聲能量沿聲線傳播，在各聲線束之間無能量之間的交換，每根射線所攜帶的能量是守恒的，射線強度由射線管的截面變化決定[8]。利用射線模型進行聲場計算具有直觀簡捷的特點，適用于描述深海模型。

拋物方程模型可不受復雜地表和非均勻媒質環境的限制，通過分步傅里葉變換算法后，具有計算速度快且精度高的優勢，廣泛應用于大尺度情況下聲傳播特性問題的分析預測[9]。

簡正波模型是經典的聲場模型，適合分層介質中的點聲源場，其假設聲場環境與距離無關，然后利用分離變量法求解波動方程。簡正波模型考慮了邊界條件的影響，具有物理意義明確且精度高的優點，適用于研究淺海、低頻的聲傳播問題[10]。

本系統設計提供的三種典型聲場計算模型能夠滿足各種復雜海洋環境下聲場計算需求，同時能夠實現根據環境與應用場景自動選擇最佳計算模型，或通過接口指定相應模型，從而為聲場分析模塊和聲納性能預報模塊提供計算結果。

4.3 人機交互設計

本系統設計的研究是面向操作人員的，因此，人機交互設計必須充分考慮聲納操作人員的需求。人機交互設計按照用戶、任務和環境分析，界面設計，界面實現和界面確認四個步驟循環迭代[11]。

1）用戶、任務和環境分析。考慮聲納操作人員、聲納裝備、聲納作戰任務和聲納工作環境等具有典型水聲探測特色的典型要素，分析系統界面的基本組成與結構。

2）界面設計。考慮不同的聲場模型條件下系統界面的顯示特點，確保聲場分析、聲納性能預報、演示驗證和復盤分析等功能的直觀顯示[12]。

3）界面實現。項目開發采用扁平化的結構，擬采用基于Java的Eclipse平臺，進行各軟件模塊及交互界面開發，利用Matlab技術對復雜水聲環境進行仿真并展示。

4）界面確認。通過系統地廣泛試用，對人機交互設計進行迭代改進，最終實現人機交互的最優化設計。

5 應用前景分析

本系統設計研究旨在解決聲納操作人員作戰訓練中缺乏復雜水聲環境支撐、實戰化訓練條件不足、實戰能力提升慢的問題。該系統的應用前景分析如下。

5.1 為聲納操作人員的作戰訓練提供支撐

本系統設計能夠為聲納操作人員的作戰訓練提供近真實的仿真水聲環境，使其日常訓練擺脫了海上作戰環境這一關鍵條件的限制，能夠幫助聲納操作人員實現典型水聲環境下典型聲納裝備探測效能的反復演示與驗證，有效提高聲納操作人員作戰訓練的頻次、效率和效益。

5.2 為聲納裝備的性能改進提供參考建議

通過基于仿真水聲環境的聲納性能預報和聲納作戰使用的演示驗證，可在近真實的水聲環境下反復驗證裝備的探測性能，為裝備的性能改進積累數據和經驗。

5.3 為演習研練的復盤評估提供新的手段

通過本系統設計能夠將演習研練復盤評估工作向更深層次再推一步，達到裝備級和操作人員級，提高演習研練復盤評估的精準度，對于改進反潛演習研練評估方法，提升反潛訓練效果，具有一定的探索意義。

6 結語

依據復雜水聲環境，營造有利于我，而不利于敵的作戰態勢，是取得水下作戰主動權的關鍵前提與基礎支撐。研究設計基于水聲環境仿真面向操作人員的聲納裝備運用演示驗證系統，通過構設仿真復雜水聲環境，真實復現空域、時域、頻域、能域對戰場態勢的影響，可實現復雜水聲環境下的高水平作戰訓練，促進聲納操作人員加深掌握海洋聲學環境對裝備操作和目標判別的影響，合理地進行裝備參數設置、工況調整、態勢掌控，以發揮最優的裝備作戰效能，提升反潛作戰能力。