基于水声对抗的内场半实物仿真实现方法研究*

吕海涛 管启亮 谭 鑫

(91439部队 大连 116041)



基于水声对抗的内场半实物仿真实现方法研究*

吕海涛 管启亮 谭 鑫

(91439部队 大连 116041)

对于目前外场试验受水文条件影响,难以达到预期效果的问题,提出了内场半实物仿真的应用方法。在内场建设一个不受海况及其他水文条件影响,近似外场海域的内场半实物仿真对抗实验室,运用半实物仿真技术模拟双方的对抗过程,并通过评估软件对对抗效果进行评估。该方法可以避免外场试验存在的人力、物力、财力和时间投入比较大,遇到突发事故无法及时处理,和不易重复试验弊端。对我军装设备的功能测试、及操作人员的能力检验提供极大的方便。而且可以为未来技术发展后的内场数字仿真对抗技术提供第一手的资料和经验。

复杂水声环境; 内场半实物仿真; 水声对抗; 仿真效能评估

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1 引言

随着信息化作战在现代实战中的作用越来越重要,电子战装备的信息化程度快速提高,战场水声环境也随之愈加复杂,且水下装备的试验受到外界环境及水文条件的制约较大,对装备的性能指标试验、检验面临着巨大的挑战。因此,以实装试验为主的外场物理靶场向以半实物仿真或数字仿真技术为主的内场逻辑靶场方向发展已经成为必然趋势。利用建模与仿真技术,既能逼真模拟典型复杂水声环境,又能解决实装试验技术成本高、耗时长、保密性差、易受环境制约等缺点。目前半实物仿真技术已经广泛地应用于雷达电子战装备的试验、训练、演练中,但是由于水下环境的复杂性和多变性,使得半实物仿真技术尤其是内场仿真技术还仅局限于单兵计量测试,在水声对抗演练方面还没有取得明显的效果。因此,在信息化作战条件下的复杂水声环境及水声对抗内场半实物仿真构建将是一个重要的发展方向。

2 水下战场半实物仿真的构建

2.1 复杂水声环境构建

1) 构建水下战场环境。我们以消声水池和消声变压罐为基础,搭建了一个近似的水声自由物理场,而变压消声水罐还可以提供不同的鱼雷等水中兵器工作深度水压,水下声学基阵可以很方便的考察水中兵器在不同压力下的相应特性以及对接收信号的影响。

2) 解决水声信道的有限性、不均匀性、时变性所带来的问题。在地面可以将传播介质看成一种纯净的单一介质,但是在水下,由于不同温度[1]、密度、盐度、甚至风浪的影响都使水声信号的阻抗、衰减变大,且由于声信道的有限性、不均匀性、时变性等特性,使得接收信号发生了变形、展宽、起伏、去相关、频移和时间频率及空间方位模糊等非常复杂的畸变。使得无法准确测量目标的非线性、干扰性、耦合性等具体特征,而内场半实物仿真既可以通过建好的数学模型模拟外场实际海况,又可以对目标的实际情况进行真实的反应。目前我军已拥有多套浮标式鱼雷固定靶、水下声纳检测靶,完全具有对水下声信号的检测和录取能力,只需提供一个相应的检测平台即可。

3) 避免水下自然噪声及无意干扰。包括海面、海底和体积在内的混响信号及其他水文气象条件的多样和复杂。由于大多数试验都在近海进行,所以包括岸边的地杂波、水下的海杂波,以及我方舰船、装设备产生的一些辐射信号、机械噪声、螺旋桨噪声、流噪声[2]都可能对测控设备产生一定的干扰,当这种干扰达到一定程度,将严重影响测量结果,甚至无法完成相应的试验测试项目。而内场半实物仿真由于处于消声水池或变压消声罐中,既可以消减不必要的地海杂波,还可以避免我方舰船、潜艇和大功率发射机对测量数据准确性的干扰。

4) 在外场实兵训练中,用简单类舰艇式拖拽目标、浮标靶、换能器组合等方式模拟已知敌方目标信号。而这些方法基本都可以通过半实物仿真在内场得到实现,用外场测试得到的数据通过数学模型将敌方目标各部位的反射信号真实的模拟出来,且可以更灵活地增加或改变目标的数目和特性。解决了外场难以一次性模拟多个敌方目标的瓶颈。

5) 模拟敌方多目标主动干扰。包括敌水声通信源、敌水面及空中反潜平台辐射噪声、敌水下作战平台辐射噪声、敌主动声纳信号、敌攻击鱼雷噪声和自导信号、敌反潜浮标主动信号及各种水声对抗装备。对水下威胁目标的测量主要考虑单枚线导+声自导鱼雷的轨迹测量,目前国内已具备测量加装合作目标鱼雷轨迹的能力,但对抗器材的定位比较复杂,还不完全具备噪声目标的被动定位测量能力,我军虽已尝试性的在水下布设固定光纤阵的研练场,但还受很多客观因素的制约,无法完全达到预想的效果。而内场半实物仿真试验中,我们只要拥有足够的干扰源,就可以通过建模的方式模拟多个敌方目标的主动干扰,丰富了试验的干扰样式。

2.2 水声环境及攻守双方平台的建模

1) 复杂水声环境的建模

(1)水下地形及地貌的建模;

(2)界面混响与体积混响模型[3];

(3)水温梯度及声速模型;

(4)声线模型与多途传播模型;

(5)其他海洋声学参数。

2) 目标模拟的建模

(1)水下兵器发射及接收基阵指向性与发射信号描述模型;

(2)目标反射模型;

(3)鱼雷航行噪声模型;

(4)聚焦系数与垂直方位角模型;

(5)水下航行体自导导引目标检测与识别模型[4](含对抗信号与信息处理);

(6)水下目标弹道控制模型。

3) 干扰模拟的建模

常见的水声对抗干扰按照信号形式可分为:压制干扰、宽带阻塞干扰、宽带瞄准干扰、回波重发或噪声诱饵干扰[5]与气幕弹干扰等。

(1)压制干扰模型;

(2)宽带噪声阻塞干扰模型;

(3)宽带瞄准干扰模型;

(4)噪声诱饵模型;

(5)气雾弹模型;

(6)无源干扰模型。

因为本文主要讨论的是水声对抗在内场的半实物仿真实现方法,而非具体的建模,因此对大量的模型不做具体的举例。

2.3 仿真软件的构建

仿真软件的构建主要依托仿真数据库,由控制软件将已知的数据通过数学模型来模拟真实战场环境,并图形化的显示在界面中,数据录取平台再将仿真试验中各部位接收到的信息存储起来,通过录入、分选、整理后存入仿真数据库,也可以在显示界面完成显示、比对的功能。其主要构成包括：

1) 仿真主机;

2) 实时控制软件;

3) 实时显示软件;

4) 仿真模型;

5) 数据录取及处理平台;

6) 仿真数据库。

3 水声对抗的实现方法

3.1 对抗平台的搭建

在消声水池为基础的模拟环境中,搭建一个水声内场半实物仿真平台,其中主要设备有变压消声水罐、水下目标角模拟装置、窄带目标背景信号生成与控制装置、自导信息处理仿真计算机系统、窄带目标/混响/噪声功率放大器组、多路大功率直流稳压电源、水下声学基阵(包括目标阵、混响阵和噪声阵)、数据采集系统等。通过数学模型来模拟这些设备模拟攻守两方的舰船、潜艇、鱼雷、水雷及其他水下兵器,通过红蓝对抗的方式来实现模拟真实战场敌我双方水声对抗的效果。

3.2 仿真对抗的具体实现流程

在对抗中一般设置红、白、蓝三方,红方代表我方,蓝方代表敌方,白方作为第三方进行评判。

首先由指挥控制系统对仿真对抗控制计算机下达命令,仿真对抗计算机对消声水池中的水声环境模拟设备、目标模拟设备,敌方干扰等设备下达信号收发指令,来模拟对抗效果,于此同时,各模拟设备通过水下声学基阵将各部位接收得到的数据实时传送到数据采集系统,这些数据经过数据处理后一路传输到显示计算机来直观的显示对抗的实时过程,另一路存入仿真数据库中进行保存。具体组成框图如图1所示。

图1 仿真对抗系统组成框图

3.3 水声对抗的效能评估

水声对抗评估中需要作战环境模拟设置、对抗平台、测控、通信、指挥等多个环节的支撑[5],在考虑人为因素的前提下,应侧重于定量评估中的技术因素。水声对抗效果的评估方法在国内尚属空白,目前尚未有一种合理的评估方法得到各方的广泛认同,某些机构的所谓方法也只是在内部使用,并不具有通用性,也不能在整个水声对抗领域形成权威。

因此,若要构建一个合理的评估方法,首先,我们要对整个战局拥有全局性的掌握,对红、蓝双方在何种条件下才算完成既定目标有一个明确的标准,因为仿真试验结果很可能出现某方无法完成全部指定动作和战术意图,那而这些指定动作和战术意图在真正实战中的作用又各不相同,比如同样是五个战术动作都完成四个,但是失败的动作不同,得到的结果很可能不同。这就要求白方评判方要对不同的试验、不同的情况做出准确的判断。

其次,必须有足够的理论依据。从总控指挥台开始,各部位的每一个动作都应该有规范化的模版,当各部位完成动作有偏差时,该如何评定？动作完成情况对仿真对抗和整个战局的影响大小都要量化处理。这就要求我们在仿真对抗之前对每一个部位的可能动作非常了解,

再次,必须将仿真对抗效果评估与海上对抗效果评估相结合,用海上实兵演练和外场试验结果来证明内场仿真评估方法的正确性,并建立比对数据库,通过大量的试验测量数据和结果来反证评估方法的正确性和通用性。

最后,要有错误分析机制,当失败动作产生后,不能放任不管,必须要能分析出失败的原因,和解决的方法,一可以提供宝贵经验,避免实战中出现类似错误。二可以对操作手的能力素质的提高起到促进作用。三可以找到我们某些装设备和试验设置中的缺陷。并通过及时总结,不断创新,逐步建立一套科学有效的评估体系和评估准则。当然这个工作不是一蹴而就的,需要逐步完善、丰富,随着时间和经验的积累,这种评估方法会得到更广泛的认可和更大的应用。

4 内场半实物仿真与外场实兵及数字仿真比较的有优缺点

如表1所示。

5 目前仍需解决的问题

目前内场半实物仿真水声对抗试验平台的方案已处于论证阶段,但还有很多需要解决的问题。

1) 缺乏海洋环境长期监测设备,无法得到各种水文条件下的第一手数据资料;

表1 内场半实物仿真与外场实兵及数字仿真比较

2) 缺少敌方相应舰船、潜艇、鱼雷、水雷等设备的详细资料,无法进行仿真模拟;

3) 消声水池的规格受场地和经费限制,无法建设的更大;

4) 部分浮标靶基于外场试验设计,导致体积过大,无法布放在内场水池中。

以上问题有的是因为现有技术水平和条件的限制还无法得到解决,有的是决策时未考虑内场半实物仿真造成的,着都需要相关方向的技术人员继续努力,早日攻克技术壁垒,当这些问题得到全部解决或者部分得到解决后,内场半实物仿真水声对抗试验效果也将会直接有益。

6 结语

水声对抗作为现代海战的一种重要手段已经得到世界各国的广泛认可,我国也已在该领域走出了关键的一步。目前在外场半实物仿真水声对抗领域还没有取得实质性突破的情况下,提出内场半实物仿真水声对抗技术确实略显突兀,但内场半实物仿真的优越性和高效性,使其成为未来试验科研发展的必然趋势,如果我们能在大力发展外场半实物仿真的同时竭力的提高内场半实物仿真的技术,并通过资料数据的共享,让内外场仿真技术进行互相的印证和互补,必将促进双方的发展,对水声对抗技术和海防事业提供更大的帮助。

[1] 阎福旺.水声对抗技术[M].北京:海洋出版社,2003.

[2] R. J. 尤立克.水声原理[M].洪申,译.哈尔滨:哈尔滨船舶工程学院出版社,1990:190-240.

[3] 杨云川,崔怀林,李志舜.[J].系统仿真学报,2005,17(3).

[4] M. A. 曼苏尔,B. V. 史密斯,J. A. 爱德华兹.基于PC的实时主动声纳模拟器[J].声纳导航,1997,144(4):227-233.

[5] 宋志杰,史秋亮.潜艇水声对抗原理与应用[M].北京:兵器工业出版社,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

吕海涛,男,工程师,研究方向:水声对抗技术。

DOI:10.3969/j.issn1672-9730.2015.01.025