半实物仿真在水声对抗中的实现方法探讨

吕海涛，谭 鑫，管启亮

（中国人民解放军91439部队，辽宁 大连116041）

0 引言

随着现代科学技术的飞速进步，水下作战中的水声对抗也在向集群化、一体化的方向发展，作战环境将更为复杂、方式将更为灵活、目标和类型将更加多样，所以如何在复杂水声环境中实现水声对抗将是未来水下战争的关键。基于成本、技术条件及实现难度等综合因素，多目标、复杂干扰的实航试验环境是难以构建的，因此以实装和实测数据为依托的半实物仿真对抗技术应运而生，并在水中兵器的测试、批检和实兵演练中起到了越来越大的作用。如何将半实物仿真技术与水声对抗技术有机地结合起来并应用于实战，已经成为该技术应用的一个重要课题。

1 半实物仿真的实现与构建

1.1 复杂水声环境构建及功能

1）构建水下战场环境。水下战场环境的构建主要是对目标背景环境的模拟。目标背景生成系统由水下基阵、可控目标／背景信号生成器、目标／背景生成计算机等组成。水下基阵包括目标、混响、人工干扰、自噪声等，用于模拟目标的声学特性、混响背景和人工干扰，由可控目标／背景信号生成器驱动。目标／背景生成计算机接收海洋环境参数、鱼雷和目标的状态参数，完成对目标、混响、自噪声等的声学特性和人工干扰信号的实时解算和生成［1］。

目标背景环境模拟以消声水池、消声变压罐和水下声学基阵为基础，搭建一个近似的水声自由物理场，变压消声水罐可以提供不同的鱼雷等水中兵器的工作深度水压，水下声学基阵可以很方便地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。水下声学基阵可以在内场消声水池中进行小范围的搭建，用以测试、测量单个目标在简单环境下的指标，也可以在外场真实海域海底搭建，但由于环境和经费的制约，这种外场水下声学基阵还没有广泛地应用于水声对抗试验中。

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，不同温度［2］、密度、盐度、甚至风浪的影响都使水声信号的阻抗、衰减变大，且声信道具有有限性、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畸变，因此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。

3）避免水下自然噪声及无意干扰。由于大多数试验都在近海进行，所以岸边的地杂波、水下的海杂波，以及己方舰船、设备产生的一些辐射信号、机械噪声、螺旋桨噪声、流噪声［3］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，还可以避免己方舰船、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实现，即可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地模拟出来，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问题。

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。内场半实物仿真试验中，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。目前应用比较广泛的主要是目标辐射噪声信号模拟。

①舰船噪声信号模拟

目标辐射噪声信号仿真模型根据普遍采用的假设，舰船噪声近似服从高斯分布，其统计特性可通过二阶距来描述。因此，对舰船噪声的仿真可归结为对随机信号相关特性或功率谱特性的仿真。舰船噪声时变功率谱可表示为［4］：G（t，f）＝GX（f）＋GL（f）＋M（t）·M（f）GX（f），其中GX（f）为平稳各态历经高斯过程的连续谱，GL（f）为在频率上离散分布的线谱，M（t）·M（f）GX（f）是谱级受到周期调制的时变功率谱。M（t）称为调制函数，代表连续谱所受到的周期时变调制；M （f）为调制深度谱，反映不同频率成份所具有的不同调制程度。

②目标强度模型

这里选定的标准目标是具有Urick 提出的典型“蝶形”曲线强度的目标［3］。目标强度通过目标等效椭球体的投影面积和声反射系数确定。具体应用中，主要考虑了目标强度随目标形状、大小及入射声波方位（舷角）的变化，即由下式给出［4］：

式中，S 为目标沿入射声波方向的投影面积；V 为入射声波方位上的声反射能力。有：

式中，a、b、c为目标潜艇等效椭球体的半轴长度；φ 为舷角弧度。当目标等效椭球体取长100m、宽10m、高8m 的典型值（即a＝50、b＝5、c＝4）时，则根据上式计算的目标强度与Urick提出的“蝶形”曲线一致。

③目标辐射噪声SL 及其方向性

目标的辐射噪声与目标吨位、速度、航行深度等因素有关，其经验公式为：

式中，Vm为目标航速（节）。

式（3）也可用下面的方向性函数描述［2］：

1.2 水声环境及攻守双方平台的建模

1）复杂水声环境的建模

包括：水下地形及地貌的建模；界面混响与体积混响模型［5］；水温梯度及声速模型；声线模型与多途传播模型；其他海洋声学参数。

2）目标模拟的建模

包括：水下兵器发射及接收基阵指向性与发射信号描述模型；目标反射模型；鱼雷航行噪声模型；聚焦系数与垂直方位角模型；水下航行体自导导引目标检测与识别模型［6］（含对抗信号与信息处理）；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［7］与气幕弹干扰等。干扰模拟的建模包括：压制干扰模型；宽带噪声阻塞干扰模型；宽带瞄准干扰模型；噪声诱饵模型；气雾弹模型；无源干扰模型。

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。

1.3 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，并图形化地显示在界面中，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：仿真主机；实时控制软件；实时显示软件；仿真模型；数据录取及处理平台；仿真数据库。

2 基于半实物仿真的水声对抗实现方法

2.1 水声对抗的科目设置和方案设计

水声对抗研练科目是根据研练的计划进行设置，其作战想定针对性很强，而研练方案则是根据设置的科目确定。研练方案一般包括测控、作战环境模拟设置等方案内容，在实航试验中这些方案的设计受到海况、兵力部署和其他外在因素的影响而无法完全实现。但半实物仿真试验却可以排除这些影响，依据若干种具有真实作战背景的水声对抗系统作战想定，在保证研练方案作战背景真实的前提下，根据测控、靶标、海洋环境测量、指控等实际情况，通过系统仿真等手段来研究确定。这将在一定程度上解决部队研练和实战要求差距大的问题，又能有效解决水下对抗研练效果评估的数据来源问题。

2.2 水声对抗仿真训练与研练过程仿真推演

基于半实物的模拟仿真训练和仿真推演是提高研练效果的有效手段。在实兵研练前，对水声对抗研练实施方案进行仿真推演，将有利于作战人员进一步熟悉和完善研练实施方案。但这种推演和仿真训练既要贴近实际情况又要控制成本，所以无论是单一的数字化仿真还是实航训练都无法很好地达到效果。而半实物仿真训练和推演却可以很好地将这两点要求完成。半实物仿真依托实装和实测数据，可以模拟出真实的工作状态，同时辅以多媒体演示的手段，对水下试验过程进行展示，为理解不可见的水下对抗过程起到了一定的作用。其比实航训练节省人力、物力，且不受自然条件制约，所以已经成为未来水声对抗操作手的主要训练、测试手段。

2.3 半实物仿真平台的构建

半实物仿真平台的建立，是依托现有模拟设备和实测数据，在特定区域营造一个近似于实战的环境。通过多部模拟器的目标环境的模拟，完成红蓝双方对抗的目的。其主要分为内场和外场。内场可以在消声水池和消声变压罐内，搭建一个近似的水声自由物理场。外场可以依托海底声学基阵，很方便地考察水中兵器在真实海域的相应特性以及对接收信号的影响。

2.4 对抗效果评估

“水声对抗作战效能评估”需要对作战方案、目标背景环境模拟逼真度、平台对抗效果、测控、通信、指挥等多个环节进行综合评定，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。可以采用并行仿真开发环境及高性能集群机，满足复杂研练方案推演所要求的“超实时”、“大计算量”和“协同并行”的要求。

目前国内尚未有一家机构能够对水声对抗的效果进行全面的评估，也没有一种合理的评估方法能够得到各方的广泛认同，并在整个水声对抗领域形成权威。因此本文探索构建一个合理的评估方法：

首先，对整个战局进行全局性的掌握，对对抗双方在何种条件下才算完成既定目标制定明确的标准。对作战方案中的动作完成，按照重要性制定具体的分数。

其次，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，而当各部位完成动作有偏差时，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，用海上实兵演练和内、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，必须分析失败的原因和解决的方法，一来可以提供宝贵经验，避免实战中出现类似错误；二来可以对操作手能力素质的提高起到促进作用；三来可以找到某些装备和试验设置中的缺陷。通过及时总结，不断创新，逐步建立一套更加科学有效的评估体系和评估准则。

3 目前面临的问题和难点

1）由于模拟条件的局限，无论是半实物仿真还是全数字仿真，无论是内场仿真还是外场仿真，所模拟的环境都是在最佳条件下的简单环境，无法将不同温度、密度、盐度及水声信号的阻抗、衰减，和声信道的有限性、不均匀性、时变性导致的接收信号发生的变形、展宽、起伏、相关、频移等畸变全部模拟出来。所以和真实海战场还是存在一定的差异。

2）海底声学基阵布设存在一定困难。

3）缺少敌方目标的第一手资料，对敌方目标模拟的逼真度无法得到证实。

4）目前国内尚未有一款通用性强的软件能够将大部分战术、技术模型与实装进行接轨。

4 结束语

虽然在目前技术水平上存在诸多问题，但是在水声对抗领域中试验、测量由实航测试向内、外场半实物仿真发展已经势不可挡，尤其是随着声学外场基阵的不断布设和内场模拟物理场的不断完善，基于半实物仿真的水声对抗试验将得到更多的应用。而各型装备的一体化、集成化程度不断加深，使得未来的水中兵器必将具备更广泛的兼容性和通用性，这也为半实物仿真和水声对抗的有机结合提供了更大的方便。所以如何更好地将半实物仿真技术应用于水声对抗领域，将是未来水声对抗发展的重中之重。■

［1］刘永丰，关国枢，张西建，等.鱼雷声寻的制导半实物仿真系统研究与实现［J］.舰船科学技术，2003（3）.

［2］阎福旺.水声对抗技术［M］.北京：海洋出版社，2003.

［3］Urick RJ.水声原理［M］.洪申，译.哈尔滨：哈尔滨船舶工程学院出版社，1990.

［4］杜功焕.声 学 基 础［M］.上 海：上 海 科 学 技 术 出 版社，1981.

［5］杨云川，崔怀林，李志舜.基于水声物理场的鱼雷制导半实物仿真方法及应用［J］.系统仿真学报，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.潜艇水声对抗原理与应用［M］.北京：兵器工业出版社，2002.