朱輝慶 ，褚福照

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水聲探測(cè)信號(hào)級(jí)仿真通用模型庫設(shè)計(jì)

朱輝慶1，褚福照2

(1. 海軍駐上海地區(qū)水聲導(dǎo)航系統(tǒng)軍事代表室，上海 201108；2. 上海船舶電子設(shè)備研究所，上海 201108)

信號(hào)級(jí)仿真以其能更真實(shí)地模擬裝備作戰(zhàn)性能且可進(jìn)行統(tǒng)計(jì)仿真等顯著優(yōu)點(diǎn)成為完成水下作戰(zhàn)效能評(píng)估任務(wù)較為理想的平臺(tái)之一，而諸如艦艇輻射噪聲模型等水下作戰(zhàn)實(shí)體的聲學(xué)模型則是構(gòu)成水下作戰(zhàn)評(píng)估體系的基礎(chǔ)。在對(duì)水下作戰(zhàn)過程進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了水聲探測(cè)信號(hào)級(jí)仿真通用模型庫。該模型庫以魚雷為聲學(xué)模型，通過數(shù)據(jù)庫將八類水下作戰(zhàn)實(shí)體和環(huán)境模型進(jìn)行分類管理，支持離線和在線仿真，模型庫中的各模型均經(jīng)過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。該模型庫的建成，為水下作戰(zhàn)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)、性能測(cè)試、方案驗(yàn)證以及聲兼容性研究提供了工程化的研究基礎(chǔ)和較為真實(shí)的試驗(yàn)環(huán)境。

水聲探測(cè)；信號(hào)級(jí)仿真；模型庫；作戰(zhàn)效能

0 引言

2015年1月22日，美國(guó)智庫組織-戰(zhàn)略與預(yù)算評(píng)估中心(Center for Strategic and Budgetary Assessments, CSBA)發(fā)布《The Emerging Erain in Undersea Warfare (水下戰(zhàn)新紀(jì)元)》報(bào)告，指出水下戰(zhàn)是指潛艇以及其他水下系統(tǒng)在水下(或者來自水下)的軍事部署。該報(bào)告分析了未來水下作戰(zhàn)的復(fù)雜性和潛艇及水下無人系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，提出了加快研發(fā)新技術(shù)、構(gòu)建新型水下戰(zhàn)裝備體系和作戰(zhàn)模式的戰(zhàn)略思考[1-2]。

伴隨著新技術(shù)的發(fā)展和作戰(zhàn)模式的轉(zhuǎn)變，對(duì)于水下作戰(zhàn)系統(tǒng)作戰(zhàn)性能的評(píng)估方法也亟需改進(jìn)。雖然參數(shù)級(jí)仿真仍然是進(jìn)行性能評(píng)估的主要手段，但由于水下作戰(zhàn)實(shí)體的規(guī)模不斷擴(kuò)張，構(gòu)成要素不斷豐富，裝備類型和組織形式日趨復(fù)雜。同時(shí)對(duì)作戰(zhàn)評(píng)估的精度要求不斷提高，使得原有參數(shù)級(jí)仿真方法越來越不能滿足對(duì)作戰(zhàn)性能的精細(xì)化描述需求。而并行計(jì)算以及計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的發(fā)展使得原本受制于計(jì)算量過大而主要用于裝備性能仿真的信號(hào)級(jí)仿真方法逐漸應(yīng)用到系統(tǒng)作戰(zhàn)性能評(píng)估領(lǐng)域。

信號(hào)級(jí)仿真是將仿真中涉及的裝備性能和行為模式通過信號(hào)級(jí)模型進(jìn)行描述，使模型能夠盡可能地逼近裝備的實(shí)際能力，因此得出的仿真結(jié)果更能體現(xiàn)裝備的實(shí)際使用效果。具體到水下作戰(zhàn)層面，就需要建立參與水下作戰(zhàn)各裝備的聲學(xué)模型并將公共模型統(tǒng)一進(jìn)行管理和使用，以確保仿真能夠在同一標(biāo)準(zhǔn)下實(shí)施。本文在對(duì)水下作戰(zhàn)過程進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了水聲探測(cè)信號(hào)級(jí)仿真通用模型庫。該模型庫以魚雷為研究對(duì)象和聲學(xué)模型，通過數(shù)據(jù)庫將八類水下作戰(zhàn)實(shí)體和環(huán)境模型進(jìn)行分類管理，支持離線和在線仿真，模型庫中的各模型均經(jīng)過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。該模型庫的建成，為水下作戰(zhàn)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)、性能測(cè)試、方案驗(yàn)證以及聲兼容性研究提供了工程化的研究基礎(chǔ)和較為真實(shí)的試驗(yàn)環(huán)境。

1 水下作戰(zhàn)

水下作戰(zhàn)大體上可以分為反潛作戰(zhàn)和反艦作戰(zhàn)兩類，潛艇是水下作戰(zhàn)的主要平臺(tái)。隨著現(xiàn)代無人技術(shù)的進(jìn)步和廣泛應(yīng)用，無人潛航器(Unmanned Underwater Vehicle, UUV)等無人平臺(tái)也逐漸成為水下作戰(zhàn)中不可或缺的重要組成部分。

1.1 反潛作戰(zhàn)

現(xiàn)代反潛作戰(zhàn)是綜合性、立體化的作戰(zhàn)過程。它利用衛(wèi)星、水面艦艇、反潛機(jī)、海底固定探測(cè)系統(tǒng)以及潛艇等攜帶的聲學(xué)/非聲學(xué)探測(cè)裝備，對(duì)敵潛艇進(jìn)行探測(cè)、監(jiān)視、跟蹤；在必要的條件下，使用魚雷武器對(duì)敵潛艇實(shí)施打擊并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況對(duì)打擊效果進(jìn)行評(píng)估，以確定下一步行動(dòng)方向，這些均構(gòu)成了現(xiàn)代反潛作戰(zhàn)的基本要素。

借助于海水的掩蔽，潛艇長(zhǎng)時(shí)間處于潛航狀態(tài)，對(duì)潛艇進(jìn)行探測(cè)主要是依靠聲學(xué)手段，即主、被動(dòng)聲吶進(jìn)行探測(cè)，諸如磁、激光、廢氣、紅外等非聲探測(cè)手段目前仍作為聲學(xué)手段的補(bǔ)充而存在；如使用魚雷對(duì)潛艇進(jìn)行攻擊時(shí)，則魚雷同樣使用主、被動(dòng)聲自導(dǎo)系統(tǒng)對(duì)潛艇進(jìn)行探測(cè)、跟蹤和定位；潛艇覺察到自身受到跟蹤或攻擊實(shí)施對(duì)抗作戰(zhàn)時(shí)，使用的水聲對(duì)抗器材仍是通過產(chǎn)生強(qiáng)噪聲干擾或模擬潛艇輻射噪聲、回波特性等聲特征對(duì)聲吶和來襲魚雷進(jìn)行干擾、誘騙。

UUV等無人裝備近年來呈快速發(fā)展態(tài)勢(shì)，具有目標(biāo)小、續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)、使用方式更靈活等顯著優(yōu)點(diǎn)。潛載UUV目前使用主、被動(dòng)聲吶執(zhí)行反潛搜索與偵查、通信中繼、反水雷探測(cè)與定位等任務(wù)[3]。

因此，在對(duì)反潛作戰(zhàn)過程進(jìn)行仿真時(shí)，對(duì)各種裝備聲學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)特征的模擬是仿真的主要因素。

1.2 反艦作戰(zhàn)

潛艇在進(jìn)行反艦作戰(zhàn)時(shí)，主要依靠艇載聲吶對(duì)艦艇方位進(jìn)行探測(cè)或通過天線接收目標(biāo)的指示信息，使用魚雷或潛射反艦導(dǎo)彈對(duì)水面艦實(shí)施打擊[4]。對(duì)于潛射反艦導(dǎo)彈的仿真不在本文的討論范圍之內(nèi)，而潛艇在使用魚雷進(jìn)行反艦作戰(zhàn)時(shí)按照魚雷制導(dǎo)類型可以分為如下三種情況：

(1) 直航魚雷

潛艇使用聲吶對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位后，通常按照一定的扇面齊射多枚直航魚雷對(duì)目標(biāo)進(jìn)行打擊，最大程度地遮蓋由于目標(biāo)運(yùn)動(dòng)要素估計(jì)誤差導(dǎo)致的目標(biāo)位置散布區(qū)域，保證至少有一條魚雷命中目標(biāo)。

(2) 線導(dǎo)+主被動(dòng)聲自導(dǎo)魚雷

潛艇使用線導(dǎo)+主被動(dòng)聲自導(dǎo)魚雷對(duì)水面艦實(shí)施攻擊時(shí)，首先利用潛艇聲吶對(duì)水面目標(biāo)進(jìn)行定位，發(fā)射魚雷后利用導(dǎo)引聲吶對(duì)魚雷進(jìn)行遠(yuǎn)程導(dǎo)引，魚雷聲自導(dǎo)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后，由聲自導(dǎo)系統(tǒng)接替線導(dǎo)系統(tǒng)控制魚雷對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤和攻擊。在實(shí)施反艦作戰(zhàn)時(shí)，魚雷通常采用被動(dòng)聲自導(dǎo)方式。

(3) 線導(dǎo)+尾流自導(dǎo)魚雷

潛艇使用線導(dǎo)+尾流自導(dǎo)魚雷對(duì)水面艦實(shí)施攻擊的過程與使用聲自導(dǎo)魚雷類似，潛艇根據(jù)對(duì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)要素的估計(jì)結(jié)果，利用線導(dǎo)系統(tǒng)將魚雷導(dǎo)引至目標(biāo)尾流區(qū)域內(nèi)，而后魚雷利用自身的尾流自導(dǎo)系統(tǒng)控制魚雷沿艦船尾流對(duì)目標(biāo)實(shí)施攻擊。尾流自導(dǎo)系統(tǒng)本質(zhì)上仍是聲自導(dǎo)系統(tǒng)(磁尾流技術(shù)尚不成熟)，只是采用了高頻窄脈沖的方式對(duì)艦艇的尾流反射特性進(jìn)行檢測(cè)。

由以上對(duì)反艦過程的描述可以看出，在對(duì)反艦作戰(zhàn)過程進(jìn)行仿真時(shí)，各種裝備的聲學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)特征的模擬仍是仿真的主要因素，而聲學(xué)模擬是確保仿真是否具有參考價(jià)值的核心要素。

2 模型庫設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)反潛和反艦作戰(zhàn)過程的分析，針對(duì)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，提取其中的共用模型，構(gòu)成通用模型庫。

2.1 組成與功能

通用模型庫組成如圖1所示，通用模型庫由水下目標(biāo)特性模型庫和海洋環(huán)境模型庫組成，其中水下目標(biāo)特性模型庫主要包含艦艇目標(biāo)聲反射模型等5種水下目標(biāo)的聲特性模型，海洋環(huán)境模型庫主要包含水聲傳播模型等3種海洋環(huán)境聲特性模型。通用模型庫軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示，通用模型庫軟件主要由基本算法模型庫等功能模塊組成，除具體模型外，其余提供人機(jī)交互等的模塊共同組成了模型庫的管理軟件。通用模型庫采用Oracle數(shù)據(jù)庫對(duì)模型進(jìn)行管理，并對(duì)有關(guān)仿真和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)按照關(guān)系模式進(jìn)行存儲(chǔ)；提供數(shù)據(jù)庫管理員對(duì)用戶管理、數(shù)據(jù)分區(qū)管理、權(quán)限管理以及對(duì)庫表的擴(kuò)展、修改，對(duì)數(shù)據(jù)記錄的增、刪、改等功能，支持基于C/S、B/S的查詢檢索、全文查詢和web service服務(wù)方式。

圖1 通用模型庫組成框圖

圖2 通用模型庫軟件結(jié)構(gòu)圖

模型庫軟件可以通過人機(jī)界面讀取用戶輸入，進(jìn)而調(diào)用模型生成相應(yīng)的仿真信號(hào)，同時(shí)也可以讀取實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，利用模型對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并提取特征參數(shù)供試驗(yàn)分析，模型庫中各主要模型的功能如下：

(1) 艦艇目標(biāo)聲反射模型

具有聲反射特性分析與模擬功能，能夠模擬艦艇目標(biāo)回波的時(shí)域波形、回波強(qiáng)度、脈沖展寬、頻率特性、空間特性、亮點(diǎn)起伏以及多普勒頻移等特性[5]。

模型庫中，采用板塊元方法對(duì)艦艇目標(biāo)聲反射特性進(jìn)行描述，實(shí)測(cè)結(jié)果和仿真模型輸出對(duì)比如圖3所示。

(2) 艦艇/魚雷輻射噪聲模型

具有目標(biāo)輻射噪聲特性分析與模擬功能，能夠模擬艦艇/魚雷輻射噪聲連續(xù)譜形狀、調(diào)制特性(軸頻、葉片數(shù)、調(diào)制深度等)、低頻線譜(頻率、幅度)、空間特性等特性。

圖3 聲反射模型實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果對(duì)比圖

(3) 艦艇/魚雷自噪聲模型

具有目標(biāo)自噪聲特性分析與模擬功能，能夠模擬艦艇/魚雷自噪聲連續(xù)譜形狀、調(diào)制及低頻線譜等特性。

艦艇/魚雷的輻射噪聲、自噪聲模型均采用三參數(shù)模型實(shí)現(xiàn)，仿真生成的艦艇輻射噪聲的LOFAR譜圖如圖4所示。

(4) 水聲傳播模型

具有聲場(chǎng)傳播特性分析與模擬功能，能夠仿真預(yù)報(bào)聲場(chǎng)傳播損失。簡(jiǎn)正波模型提供聲傳播損失分布和信道傳輸函數(shù)；射線模型提供聲軌跡、聲傳播損失分布、特征聲線、時(shí)延等。

圖4 艦艇輻射噪聲仿真輸出(a=100，f0=fm=200 Hz)

針對(duì)3 kHz以上頻率，采用高頻射線模型進(jìn)行模擬(以Bellhop模型為核心進(jìn)行二次開發(fā))；針對(duì)3 kHz以下頻率，采用低頻簡(jiǎn)正波模型進(jìn)行模擬(以Moatl模型為核心進(jìn)行二次開發(fā))。圖5和圖6分別是在海底為斜坡條件下高頻射線模型傳播損失仿真結(jié)果以及低頻簡(jiǎn)正波模型與實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比。

圖5 斜坡底條件下高頻3 kHz以上射線模型傳播損失仿真結(jié)果

圖6 低頻3 kHz以下簡(jiǎn)正波模型仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比圖

(5) 高頻混響模型

具有混響特性分析與模擬功能，能夠模擬主動(dòng)魚雷探測(cè)聲吶和魚雷主動(dòng)發(fā)射信號(hào)的混響強(qiáng)度、頻移及時(shí)間衰減等特性。

為確保精度，在模型庫中的高頻混響采用點(diǎn)散射模型進(jìn)行模擬。根據(jù)海底地質(zhì)參數(shù)(如介質(zhì)密度、橫波/縱波衰減系數(shù)、傳播速率等)計(jì)算海底的散射強(qiáng)度，假設(shè)散射點(diǎn)滿足均勻分布，獲取散射點(diǎn)的位置、計(jì)算回波位置，采用線性疊加的方法獲得混響的時(shí)域序列。依據(jù)生成的時(shí)域序列，提取混響包絡(luò)。仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比如圖7所示。

(6) 海洋環(huán)境噪聲模型

具有海洋環(huán)境噪聲時(shí)空特性分析與模擬功能，能夠仿真預(yù)報(bào)海洋環(huán)境噪聲功率譜、強(qiáng)度的空間分布和空間相關(guān)性等特性。

在模型庫中，采用CANARY模型對(duì)海洋環(huán)境噪聲進(jìn)行模擬，仿真生成的海洋環(huán)境噪聲功率譜如圖8所示。

圖7 海洋混響模型仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比圖

圖8 海洋環(huán)境噪聲功率譜

2.2 接口

模型庫的對(duì)外接口包括控制指令接口與參數(shù)接口兩種?？刂浦噶罱涌谥饕?fù)責(zé)接收外部調(diào)用的控制指令，同時(shí)根據(jù)模型庫運(yùn)行狀態(tài)給出反饋信息。參數(shù)接口主要負(fù)責(zé)接收外部調(diào)用的相關(guān)參數(shù)，用以調(diào)用模型運(yùn)算并返回運(yùn)算結(jié)果。

由于各個(gè)模型對(duì)于輸入?yún)?shù)的要求差異巨大，而且輸入?yún)?shù)數(shù)量眾多，因此模型庫針對(duì)每個(gè)具體模型均設(shè)計(jì)了其輸入/輸出接口，同時(shí)通過界面輸入?yún)?shù)時(shí)也設(shè)計(jì)有文件輸入方式，以方便諸如聲速梯度等長(zhǎng)序列參數(shù)的輸入。

3 結(jié)論

水聲探測(cè)信號(hào)級(jí)仿真通用模型庫是針對(duì)魚雷信號(hào)級(jí)仿真中常用的信號(hào)級(jí)仿真模型而建立的，可為水下作戰(zhàn)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)、性能測(cè)試、方案驗(yàn)證以及聲兼容性研究提供工程化的研究基礎(chǔ)和較為真實(shí)的試驗(yàn)環(huán)境。在現(xiàn)有模型庫的基礎(chǔ)上，通過豐富模型類型，進(jìn)一步對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證和改進(jìn)完善，可為水下作戰(zhàn)仿真提供內(nèi)容更為豐富、結(jié)果更加可靠、使用更為靈活的信號(hào)級(jí)仿真服務(wù)。

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Design of general model library of signal level simulation for underwater acoustic detection

ZHU Hui-qing1, CHU Fu-zhao2

(1. Military Representative Office of Underwater Acoustic Navigation System of Navy in Shanghai Area, Shanghai 201108, China;2. Shanghai Marine Electronic Equipment Research Institute, Shanghai 201108, China)

Simulation method, especially the Signal Level Simulation (SLS), is a feasible way to evaluate the effectiveness of underwater warfare for its similarity to the real performance of equipment and operational environment. The acoustic models of underwater combat entities, such as ship radiated noise model, are the basis of underwater warfare evaluation system. Based on deep analysis of the operational process of underwater warfare, a general model library of SLS for underwater acoustic detection is presented. Eight types of acoustic models involved in torpedo-attack and anti-torpedo warfare are included and managed in the library, which support on-line and off-line simulation. All the models are verified by the measured data. The establishment of this library provides an engineering research foundation and real test environment for the overall design, performance test, scheme validation and acoustic compatibility research of underwater warfare system.

underwater acoustic detection; signal level simulation; model library; warfare effectiveness

TB56 TP391.9

A

1000-3630(2018)-03-0232-05

10.16300/j.cnki.1000-3630.2018.03.007

2017-07-04;

2017-08-17

朱輝慶(1981－), 男, 江西臨川人, 研究方向?yàn)樗暭八晫?duì)抗。

朱輝慶, E-mail: assky@163.com