朱辉庆 ，褚福照



水声探测信号级仿真通用模型库设计

朱辉庆1，褚福照2

(1. 海军驻上海地区水声导航系统军事代表室，上海 201108；2. 上海船舶电子设备研究所，上海 201108)

信号级仿真以其能更真实地模拟装备作战性能且可进行统计仿真等显著优点成为完成水下作战效能评估任务较为理想的平台之一，而诸如舰艇辐射噪声模型等水下作战实体的声学模型则是构成水下作战评估体系的基础。在对水下作战过程进行深入分析的基础上，设计了水声探测信号级仿真通用模型库。该模型库以鱼雷为声学模型，通过数据库将八类水下作战实体和环境模型进行分类管理，支持离线和在线仿真，模型库中的各模型均经过实测数据进行验证。该模型库的建成，为水下作战系统的总体设计、性能测试、方案验证以及声兼容性研究提供了工程化的研究基础和较为真实的试验环境。

水声探测；信号级仿真；模型库；作战效能

0 引言

2015年1月22日，美国智库组织-战略与预算评估中心(Center for Strategic and Budgetary Assessments, CSBA)发布《The Emerging Erain in Undersea Warfare (水下战新纪元)》报告，指出水下战是指潜艇以及其他水下系统在水下(或者来自水下)的军事部署。该报告分析了未来水下作战的复杂性和潜艇及水下无人系统的发展趋势，提出了加快研发新技术、构建新型水下战装备体系和作战模式的战略思考[1-2]。

伴随着新技术的发展和作战模式的转变，对于水下作战系统作战性能的评估方法也亟需改进。虽然参数级仿真仍然是进行性能评估的主要手段，但由于水下作战实体的规模不断扩张，构成要素不断丰富，装备类型和组织形式日趋复杂。同时对作战评估的精度要求不断提高，使得原有参数级仿真方法越来越不能满足对作战性能的精细化描述需求。而并行计算以及计算机硬件技术的发展使得原本受制于计算量过大而主要用于装备性能仿真的信号级仿真方法逐渐应用到系统作战性能评估领域。

信号级仿真是将仿真中涉及的装备性能和行为模式通过信号级模型进行描述，使模型能够尽可能地逼近装备的实际能力，因此得出的仿真结果更能体现装备的实际使用效果。具体到水下作战层面，就需要建立参与水下作战各装备的声学模型并将公共模型统一进行管理和使用，以确保仿真能够在同一标准下实施。本文在对水下作战过程进行深入分析的基础上，设计了水声探测信号级仿真通用模型库。该模型库以鱼雷为研究对象和声学模型，通过数据库将八类水下作战实体和环境模型进行分类管理，支持离线和在线仿真，模型库中的各模型均经过实测数据进行验证。该模型库的建成，为水下作战系统的总体设计、性能测试、方案验证以及声兼容性研究提供了工程化的研究基础和较为真实的试验环境。

1 水下作战

水下作战大体上可以分为反潜作战和反舰作战两类，潜艇是水下作战的主要平台。随着现代无人技术的进步和广泛应用，无人潜航器(Unmanned Underwater Vehicle, UUV)等无人平台也逐渐成为水下作战中不可或缺的重要组成部分。

1.1 反潜作战

现代反潜作战是综合性、立体化的作战过程。它利用卫星、水面舰艇、反潜机、海底固定探测系统以及潜艇等携带的声学/非声学探测装备，对敌潜艇进行探测、监视、跟踪；在必要的条件下，使用鱼雷武器对敌潜艇实施打击并根据现场情况对打击效果进行评估，以确定下一步行动方向，这些均构成了现代反潜作战的基本要素。

借助于海水的掩蔽，潜艇长时间处于潜航状态，对潜艇进行探测主要是依靠声学手段，即主、被动声呐进行探测，诸如磁、激光、废气、红外等非声探测手段目前仍作为声学手段的补充而存在；如使用鱼雷对潜艇进行攻击时，则鱼雷同样使用主、被动声自导系统对潜艇进行探测、跟踪和定位；潜艇觉察到自身受到跟踪或攻击实施对抗作战时，使用的水声对抗器材仍是通过产生强噪声干扰或模拟潜艇辐射噪声、回波特性等声特征对声呐和来袭鱼雷进行干扰、诱骗。

UUV等无人装备近年来呈快速发展态势，具有目标小、续航时间长、使用方式更灵活等显著优点。潜载UUV目前使用主、被动声呐执行反潜搜索与侦查、通信中继、反水雷探测与定位等任务[3]。

因此，在对反潜作战过程进行仿真时，对各种装备声学和运动学特征的模拟是仿真的主要因素。

1.2 反舰作战

潜艇在进行反舰作战时，主要依靠艇载声呐对舰艇方位进行探测或通过天线接收目标的指示信息，使用鱼雷或潜射反舰导弹对水面舰实施打击[4]。对于潜射反舰导弹的仿真不在本文的讨论范围之内，而潜艇在使用鱼雷进行反舰作战时按照鱼雷制导类型可以分为如下三种情况：

(1) 直航鱼雷

潜艇使用声呐对目标进行定位后，通常按照一定的扇面齐射多枚直航鱼雷对目标进行打击，最大程度地遮盖由于目标运动要素估计误差导致的目标位置散布区域，保证至少有一条鱼雷命中目标。

(2) 线导+主被动声自导鱼雷

潜艇使用线导+主被动声自导鱼雷对水面舰实施攻击时，首先利用潜艇声呐对水面目标进行定位，发射鱼雷后利用导引声呐对鱼雷进行远程导引，鱼雷声自导系统发现目标后，由声自导系统接替线导系统控制鱼雷对目标进行跟踪和攻击。在实施反舰作战时，鱼雷通常采用被动声自导方式。

(3) 线导+尾流自导鱼雷

潜艇使用线导+尾流自导鱼雷对水面舰实施攻击的过程与使用声自导鱼雷类似，潜艇根据对目标运动要素的估计结果，利用线导系统将鱼雷导引至目标尾流区域内，而后鱼雷利用自身的尾流自导系统控制鱼雷沿舰船尾流对目标实施攻击。尾流自导系统本质上仍是声自导系统(磁尾流技术尚不成熟)，只是采用了高频窄脉冲的方式对舰艇的尾流反射特性进行检测。

由以上对反舰过程的描述可以看出，在对反舰作战过程进行仿真时，各种装备的声学和运动学特征的模拟仍是仿真的主要因素，而声学模拟是确保仿真是否具有参考价值的核心要素。

2 模型库设计

根据对反潜和反舰作战过程的分析，针对实际应用场景，提取其中的共用模型，构成通用模型库。

2.1 组成与功能

通用模型库组成如图1所示，通用模型库由水下目标特性模型库和海洋环境模型库组成，其中水下目标特性模型库主要包含舰艇目标声反射模型等5种水下目标的声特性模型，海洋环境模型库主要包含水声传播模型等3种海洋环境声特性模型。通用模型库软件结构如图2所示，通用模型库软件主要由基本算法模型库等功能模块组成，除具体模型外，其余提供人机交互等的模块共同组成了模型库的管理软件。通用模型库采用Oracle数据库对模型进行管理，并对有关仿真和实测数据按照关系模式进行存储；提供数据库管理员对用户管理、数据分区管理、权限管理以及对库表的扩展、修改，对数据记录的增、删、改等功能，支持基于C/S、B/S的查询检索、全文查询和web service服务方式。

图1 通用模型库组成框图

图2 通用模型库软件结构图

模型库软件可以通过人机界面读取用户输入，进而调用模型生成相应的仿真信号，同时也可以读取实测数据，利用模型对实测数据进行分析并提取特征参数供试验分析，模型库中各主要模型的功能如下：

(1) 舰艇目标声反射模型

具有声反射特性分析与模拟功能，能够模拟舰艇目标回波的时域波形、回波强度、脉冲展宽、频率特性、空间特性、亮点起伏以及多普勒频移等特性[5]。

模型库中，采用板块元方法对舰艇目标声反射特性进行描述，实测结果和仿真模型输出对比如图3所示。

(2) 舰艇/鱼雷辐射噪声模型

具有目标辐射噪声特性分析与模拟功能，能够模拟舰艇/鱼雷辐射噪声连续谱形状、调制特性(轴频、叶片数、调制深度等)、低频线谱(频率、幅度)、空间特性等特性。

图3 声反射模型实测与仿真结果对比图

(3) 舰艇/鱼雷自噪声模型

具有目标自噪声特性分析与模拟功能，能够模拟舰艇/鱼雷自噪声连续谱形状、调制及低频线谱等特性。

舰艇/鱼雷的辐射噪声、自噪声模型均采用三参数模型实现，仿真生成的舰艇辐射噪声的LOFAR谱图如图4所示。

(4) 水声传播模型

具有声场传播特性分析与模拟功能，能够仿真预报声场传播损失。简正波模型提供声传播损失分布和信道传输函数；射线模型提供声轨迹、声传播损失分布、特征声线、时延等。

图4 舰艇辐射噪声仿真输出(a=100，f0=fm=200 Hz)

针对3 kHz以上频率，采用高频射线模型进行模拟(以Bellhop模型为核心进行二次开发)；针对3 kHz以下频率，采用低频简正波模型进行模拟(以Moatl模型为核心进行二次开发)。图5和图6分别是在海底为斜坡条件下高频射线模型传播损失仿真结果以及低频简正波模型与实测结果的对比。

图5 斜坡底条件下高频3 kHz以上射线模型传播损失仿真结果

图6 低频3 kHz以下简正波模型仿真与实测结果对比图

(5) 高频混响模型

具有混响特性分析与模拟功能，能够模拟主动鱼雷探测声呐和鱼雷主动发射信号的混响强度、频移及时间衰减等特性。

为确保精度，在模型库中的高频混响采用点散射模型进行模拟。根据海底地质参数(如介质密度、横波/纵波衰减系数、传播速率等)计算海底的散射强度，假设散射点满足均匀分布，获取散射点的位置、计算回波位置，采用线性叠加的方法获得混响的时域序列。依据生成的时域序列，提取混响包络。仿真结果与实测结果的对比如图7所示。

(6) 海洋环境噪声模型

具有海洋环境噪声时空特性分析与模拟功能，能够仿真预报海洋环境噪声功率谱、强度的空间分布和空间相关性等特性。

在模型库中，采用CANARY模型对海洋环境噪声进行模拟，仿真生成的海洋环境噪声功率谱如图8所示。

图7 海洋混响模型仿真与实测结果对比图

图8 海洋环境噪声功率谱

2.2 接口

模型库的对外接口包括控制指令接口与参数接口两种。控制指令接口主要负责接收外部调用的控制指令，同时根据模型库运行状态给出反馈信息。参数接口主要负责接收外部调用的相关参数，用以调用模型运算并返回运算结果。

由于各个模型对于输入参数的要求差异巨大，而且输入参数数量众多，因此模型库针对每个具体模型均设计了其输入/输出接口，同时通过界面输入参数时也设计有文件输入方式，以方便诸如声速梯度等长序列参数的输入。

3 结论

水声探测信号级仿真通用模型库是针对鱼雷信号级仿真中常用的信号级仿真模型而建立的，可为水下作战系统的总体设计、性能测试、方案验证以及声兼容性研究提供工程化的研究基础和较为真实的试验环境。在现有模型库的基础上，通过丰富模型类型，进一步对模型进行验证和改进完善，可为水下作战仿真提供内容更为丰富、结果更加可靠、使用更为灵活的信号级仿真服务。

[1] CLARK B. The emerging era in undersea warfare[R]. CSBA: Center for Strategic and Budgetary Assessments, 2015.

[2] 王汉刚, 刘智, 张义农, 等. 水下作战的发展分析与启示[J]. 舰船科学技术, 2015, 37(4): 241-245.

WANG Hangang, LIU Zhi, ZHANG Yinong, et al. The analysis and elicitation of development on undersea warfare[J]. Ship Science and Technology, 2015, 37(4): 241-245.

[3] 蒋荣华. 潜载UUV的作战使用分析[J]. 舰船电子工程, 2015, 35(10): 17-20.

JIANG Ronghua. Application analysis of submarine UUV[J]. Ship Electronic Engineering, 2015, 35(10): 17-20.

[4] 侯宝娥, 谭捷. 潜载鱼雷攻击方案仿真系统设计[J]. 火力与指挥控制, 2013, 38(9): 160-162.

HOU Bao’e, TAN Jie. Design on simulation system of submarine-borne torpedo attacking scenario[J]. Fire Control & Command Control, 2013, 38(9): 160-162.

[5] 赵罡, 岳青. 鱼雷尺度多目标多干扰半实物仿真环境设计与实现[J]. 鱼雷技术, 2012, 20(1): 63-68.

ZHAO Gang, YUE Qing. Design and implementation of hardware-in-the-loop simulation environment in scaling multi-target and multi-jamming of torpedo[J]. Torpedo Technology, 2012, 20(1): 63-68.

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

朱辉庆(1981－), 男, 江西临川人, 研究方向为水声及水声对抗。

朱辉庆, E-mail: assky@163.com