呂海濤 管啟亮 譚 鑫

(91439部隊(duì) 大連 116041)

?

基于水聲對抗的內(nèi)場半實(shí)物仿真實(shí)現(xiàn)方法研究*

呂海濤 管啟亮 譚 鑫

(91439部隊(duì) 大連 116041)

對于目前外場試驗(yàn)受水文條件影響,難以達(dá)到預(yù)期效果的問題,提出了內(nèi)場半實(shí)物仿真的應(yīng)用方法。在內(nèi)場建設(shè)一個(gè)不受海況及其他水文條件影響,近似外場海域的內(nèi)場半實(shí)物仿真對抗實(shí)驗(yàn)室,運(yùn)用半實(shí)物仿真技術(shù)模擬雙方的對抗過程,并通過評估軟件對對抗效果進(jìn)行評估。該方法可以避免外場試驗(yàn)存在的人力、物力、財(cái)力和時(shí)間投入比較大,遇到突發(fā)事故無法及時(shí)處理,和不易重復(fù)試驗(yàn)弊端。對我軍裝設(shè)備的功能測試、及操作人員的能力檢驗(yàn)提供極大的方便。而且可以為未來技術(shù)發(fā)展后的內(nèi)場數(shù)字仿真對抗技術(shù)提供第一手的資料和經(jīng)驗(yàn)。

復(fù)雜水聲環(huán)境; 內(nèi)場半實(shí)物仿真; 水聲對抗; 仿真效能評估

Class Number

1 引言

隨著信息化作戰(zhàn)在現(xiàn)代實(shí)戰(zhàn)中的作用越來越重要,電子戰(zhàn)裝備的信息化程度快速提高,戰(zhàn)場水聲環(huán)境也隨之愈加復(fù)雜,且水下裝備的試驗(yàn)受到外界環(huán)境及水文條件的制約較大,對裝備的性能指標(biāo)試驗(yàn)、檢驗(yàn)面臨著巨大的挑戰(zhàn)。因此,以實(shí)裝試驗(yàn)為主的外場物理靶場向以半實(shí)物仿真或數(shù)字仿真技術(shù)為主的內(nèi)場邏輯靶場方向發(fā)展已經(jīng)成為必然趨勢。利用建模與仿真技術(shù),既能逼真模擬典型復(fù)雜水聲環(huán)境,又能解決實(shí)裝試驗(yàn)技術(shù)成本高、耗時(shí)長、保密性差、易受環(huán)境制約等缺點(diǎn)。目前半實(shí)物仿真技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于雷達(dá)電子戰(zhàn)裝備的試驗(yàn)、訓(xùn)練、演練中,但是由于水下環(huán)境的復(fù)雜性和多變性,使得半實(shí)物仿真技術(shù)尤其是內(nèi)場仿真技術(shù)還僅局限于單兵計(jì)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(zhàn)條件下的復(fù)雜水聲環(huán)境及水聲對抗內(nèi)場半實(shí)物仿真構(gòu)建將是一個(gè)重要的發(fā)展方向。

2 水下戰(zhàn)場半實(shí)物仿真的構(gòu)建

2.1 復(fù)雜水聲環(huán)境構(gòu)建

1) 構(gòu)建水下戰(zhàn)場環(huán)境。我們以消聲水池和消聲變壓罐為基礎(chǔ),搭建了一個(gè)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(xué)基陣可以很方便的考察水中兵器在不同壓力下的相應(yīng)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(shí)變性所帶來的問題。在地面可以將傳播介質(zhì)看成一種純凈的單一介質(zhì),但是在水下,由于不同溫度[1]、密度、鹽度、甚至風(fēng)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(shí)變性等特性,使得接收信號發(fā)生了變形、展寬、起伏、去相關(guān)、頻移和時(shí)間頻率及空間方位模糊等非常復(fù)雜的畸變。使得無法準(zhǔn)確測量目標(biāo)的非線性、干擾性、耦合性等具體特征,而內(nèi)場半實(shí)物仿真既可以通過建好的數(shù)學(xué)模型模擬外場實(shí)際海況,又可以對目標(biāo)的實(shí)際情況進(jìn)行真實(shí)的反應(yīng)。目前我軍已擁有多套浮標(biāo)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(gè)相應(yīng)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(nèi)的混響信號及其他水文氣象條件的多樣和復(fù)雜。由于大多數(shù)試驗(yàn)都在近海進(jìn)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(shè)備產(chǎn)生的一些輻射信號、機(jī)械噪聲、螺旋槳噪聲、流噪聲[2]都可能對測控設(shè)備產(chǎn)生一定的干擾,當(dāng)這種干擾達(dá)到一定程度,將嚴(yán)重影響測量結(jié)果,甚至無法完成相應(yīng)的試驗(yàn)測試項(xiàng)目。而內(nèi)場半實(shí)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(fā)射機(jī)對測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的干擾。

4) 在外場實(shí)兵訓(xùn)練中,用簡單類艦艇式拖拽目標(biāo)、浮標(biāo)靶、換能器組合等方式模擬已知敵方目標(biāo)信號。而這些方法基本都可以通過半實(shí)物仿真在內(nèi)場得到實(shí)現(xiàn),用外場測試得到的數(shù)據(jù)通過數(shù)學(xué)模型將敵方目標(biāo)各部位的反射信號真實(shí)的模擬出來,且可以更靈活地增加或改變目標(biāo)的數(shù)目和特性。解決了外場難以一次性模擬多個(gè)敵方目標(biāo)的瓶頸。

5) 模擬敵方多目標(biāo)主動(dòng)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(zhàn)平臺輻射噪聲、敵主動(dòng)聲納信號、敵攻擊魚雷噪聲和自導(dǎo)信號、敵反潛浮標(biāo)主動(dòng)信號及各種水聲對抗裝備。對水下威脅目標(biāo)的測量主要考慮單枚線導(dǎo)+聲自導(dǎo)魚雷的軌跡測量,目前國內(nèi)已具備測量加裝合作目標(biāo)魚雷軌跡的能力,但對抗器材的定位比較復(fù)雜,還不完全具備噪聲目標(biāo)的被動(dòng)定位測量能力,我軍雖已嘗試性的在水下布設(shè)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(dá)到預(yù)想的效果。而內(nèi)場半實(shí)物仿真試驗(yàn)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(gè)敵方目標(biāo)的主動(dòng)干擾,豐富了試驗(yàn)的干擾樣式。

2.2 水聲環(huán)境及攻守雙方平臺的建模

1) 復(fù)雜水聲環(huán)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(xué)參數(shù)。

2) 目標(biāo)模擬的建模

(1)水下兵器發(fā)射及接收基陣指向性與發(fā)射信號描述模型;

(2)目標(biāo)反射模型;

(3)魚雷航行噪聲模型;

(4)聚焦系數(shù)與垂直方位角模型;

(5)水下航行體自導(dǎo)導(dǎo)引目標(biāo)檢測與識別模型[4](含對抗信號與信息處理);

(6)水下目標(biāo)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(zhǔn)干擾、回波重發(fā)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(zhǔn)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?yàn)楸疚闹饕懻摰氖撬晫乖趦?nèi)場的半實(shí)物仿真實(shí)現(xiàn)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(gòu)建

仿真軟件的構(gòu)建主要依托仿真數(shù)據(jù)庫,由控制軟件將已知的數(shù)據(jù)通過數(shù)學(xué)模型來模擬真實(shí)戰(zhàn)場環(huán)境,并圖形化的顯示在界面中,數(shù)據(jù)錄取平臺再將仿真試驗(yàn)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(shù)據(jù)庫,也可以在顯示界面完成顯示、比對的功能。其主要構(gòu)成包括：

1) 仿真主機(jī);

2) 實(shí)時(shí)控制軟件;

3) 實(shí)時(shí)顯示軟件;

4) 仿真模型;

5) 數(shù)據(jù)錄取及處理平臺;

6) 仿真數(shù)據(jù)庫。

3 水聲對抗的實(shí)現(xiàn)方法

3.1 對抗平臺的搭建

在消聲水池為基礎(chǔ)的模擬環(huán)境中,搭建一個(gè)水聲內(nèi)場半實(shí)物仿真平臺,其中主要設(shè)備有變壓消聲水罐、水下目標(biāo)角模擬裝置、窄帶目標(biāo)背景信號生成與控制裝置、自導(dǎo)信息處理仿真計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、窄帶目標(biāo)/混響/噪聲功率放大器組、多路大功率直流穩(wěn)壓電源、水下聲學(xué)基陣(包括目標(biāo)陣、混響陣和噪聲陣)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。通過數(shù)學(xué)模型來模擬這些設(shè)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(lán)對抗的方式來實(shí)現(xiàn)模擬真實(shí)戰(zhàn)場敵我雙方水聲對抗的效果。

3.2 仿真對抗的具體實(shí)現(xiàn)流程

在對抗中一般設(shè)置紅、白、藍(lán)三方,紅方代表我方,藍(lán)方代表敵方,白方作為第三方進(jìn)行評判。

首先由指揮控制系統(tǒng)對仿真對抗控制計(jì)算機(jī)下達(dá)命令,仿真對抗計(jì)算機(jī)對消聲水池中的水聲環(huán)境模擬設(shè)備、目標(biāo)模擬設(shè)備,敵方干擾等設(shè)備下達(dá)信號收發(fā)指令,來模擬對抗效果,于此同時(shí),各模擬設(shè)備通過水下聲學(xué)基陣將各部位接收得到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),這些數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后一路傳輸?shù)斤@示計(jì)算機(jī)來直觀的顯示對抗的實(shí)時(shí)過程,另一路存入仿真數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行保存。具體組成框圖如圖1所示。

圖1 仿真對抗系統(tǒng)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(zhàn)環(huán)境模擬設(shè)置、對抗平臺、測控、通信、指揮等多個(gè)環(huán)節(jié)的支撐[5],在考慮人為因素的前提下,應(yīng)側(cè)重于定量評估中的技術(shù)因素。水聲對抗效果的評估方法在國內(nèi)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(rèn)同,某些機(jī)構(gòu)的所謂方法也只是在內(nèi)部使用,并不具有通用性,也不能在整個(gè)水聲對抗領(lǐng)域形成權(quán)威。

因此,若要構(gòu)建一個(gè)合理的評估方法,首先,我們要對整個(gè)戰(zhàn)局擁有全局性的掌握,對紅、藍(lán)雙方在何種條件下才算完成既定目標(biāo)有一個(gè)明確的標(biāo)準(zhǔn),因?yàn)榉抡嬖囼?yàn)結(jié)果很可能出現(xiàn)某方無法完成全部指定動(dòng)作和戰(zhàn)術(shù)意圖,那而這些指定動(dòng)作和戰(zhàn)術(shù)意圖在真正實(shí)戰(zhàn)中的作用又各不相同,比如同樣是五個(gè)戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作都完成四個(gè),但是失敗的動(dòng)作不同,得到的結(jié)果很可能不同。這就要求白方評判方要對不同的試驗(yàn)、不同的情況做出準(zhǔn)確的判斷。

其次,必須有足夠的理論依據(jù)。從總控指揮臺開始,各部位的每一個(gè)動(dòng)作都應(yīng)該有規(guī)范化的模版,當(dāng)各部位完成動(dòng)作有偏差時(shí),該如何評定？動(dòng)作完成情況對仿真對抗和整個(gè)戰(zhàn)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(gè)部位的可能動(dòng)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(jié)合,用海上實(shí)兵演練和外場試驗(yàn)結(jié)果來證明內(nèi)場仿真評估方法的正確性,并建立比對數(shù)據(jù)庫,通過大量的試驗(yàn)測量數(shù)據(jù)和結(jié)果來反證評估方法的正確性和通用性。

最后,要有錯(cuò)誤分析機(jī)制,當(dāng)失敗動(dòng)作產(chǎn)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(jīng)驗(yàn),避免實(shí)戰(zhàn)中出現(xiàn)類似錯(cuò)誤。二可以對操作手的能力素質(zhì)的提高起到促進(jìn)作用。三可以找到我們某些裝設(shè)備和試驗(yàn)設(shè)置中的缺陷。并通過及時(shí)總結(jié),不斷創(chuàng)新,逐步建立一套科學(xué)有效的評估體系和評估準(zhǔn)則。當(dāng)然這個(gè)工作不是一蹴而就的,需要逐步完善、豐富,隨著時(shí)間和經(jīng)驗(yàn)的積累,這種評估方法會(huì)得到更廣泛的認(rèn)可和更大的應(yīng)用。

4 內(nèi)場半實(shí)物仿真與外場實(shí)兵及數(shù)字仿真比較的有優(yōu)缺點(diǎn)

如表1所示。

5 目前仍需解決的問題

目前內(nèi)場半實(shí)物仿真水聲對抗試驗(yàn)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(huán)境長期監(jiān)測設(shè)備,無法得到各種水文條件下的第一手?jǐn)?shù)據(jù)資料;

表1 內(nèi)場半實(shí)物仿真與外場實(shí)兵及數(shù)字仿真比較

2) 缺少敵方相應(yīng)艦船、潛艇、魚雷、水雷等設(shè)備的詳細(xì)資料,無法進(jìn)行仿真模擬;

3) 消聲水池的規(guī)格受場地和經(jīng)費(fèi)限制,無法建設(shè)的更大;

4) 部分浮標(biāo)靶基于外場試驗(yàn)設(shè)計(jì),導(dǎo)致體積過大,無法布放在內(nèi)場水池中。

以上問題有的是因?yàn)楝F(xiàn)有技術(shù)水平和條件的限制還無法得到解決,有的是決策時(shí)未考慮內(nèi)場半實(shí)物仿真造成的,著都需要相關(guān)方向的技術(shù)人員繼續(xù)努力,早日攻克技術(shù)壁壘,當(dāng)這些問題得到全部解決或者部分得到解決后,內(nèi)場半實(shí)物仿真水聲對抗試驗(yàn)效果也將會(huì)直接有益。

6 結(jié)語

水聲對抗作為現(xiàn)代海戰(zhàn)的一種重要手段已經(jīng)得到世界各國的廣泛認(rèn)可,我國也已在該領(lǐng)域走出了關(guān)鍵的一步。目前在外場半實(shí)物仿真水聲對抗領(lǐng)域還沒有取得實(shí)質(zhì)性突破的情況下,提出內(nèi)場半實(shí)物仿真水聲對抗技術(shù)確實(shí)略顯突兀,但內(nèi)場半實(shí)物仿真的優(yōu)越性和高效性,使其成為未來試驗(yàn)科研發(fā)展的必然趨勢,如果我們能在大力發(fā)展外場半實(shí)物仿真的同時(shí)竭力的提高內(nèi)場半實(shí)物仿真的技術(shù),并通過資料數(shù)據(jù)的共享,讓內(nèi)外場仿真技術(shù)進(jìn)行互相的印證和互補(bǔ),必將促進(jìn)雙方的發(fā)展,對水聲對抗技術(shù)和海防事業(yè)提供更大的幫助。

[1] 閻福旺.水聲對抗技術(shù)[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(xué)院出版社,1990:190-240.

[3] 楊云川,崔懷林,李志舜.[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),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(shí)時(shí)主動(dòng)聲納模擬器[J].聲納導(dǎo)航,1997,144(4):227-233.

[5] 宋志杰,史秋亮.潛艇水聲對抗原理與應(yīng)用[M].北京:兵器工業(yè)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(shù)。

DOI:10.3969/j.issn1672-9730.2015.01.025