水声建模与仿真

蔡志明 曹宦植 译； 许  斌 主审

水声建模与仿真研究海洋声场的物理描述向数学模型的转换，而基于数学模型可实现海洋声传播、海洋噪声和海洋混响的模拟。这些逐渐精确化的模型可深刻地应用于声学海洋学的正向问题与逆向问题研究。所谓正向问题，是关于海洋介质、海面、海底的声学特性问题；所谓逆向问题，是借助声学方法研究有关海洋问题，比如，在许多深海区域探知人类还无法通过直接原位测量而掌握的海底沉积层，在大尺度范围的海洋盆地区域监测平均海流、海面波浪谱，甚至海洋温度气候变化趋势。水声实验所观测的、水声模型所度量的物理量精度均在不断进步。除了模型精度上的进步，模型的适用性更加接近真实海洋的复杂三维物理结构，尤其是随距离变化的声速剖面与海底地形。

海洋声学环境与声呐使用乃至海军作战有直接的和强烈的关联。水声建模与仿真就是用数学模型与相应的驱动数据定量地反映上述这种关联。水声建模课题研究如何准确细致地解读海洋声场的物理规律，并用数学规则或数值方法加以描述。水声仿真是基于模型的过程模拟，用于声呐系统性能评估与测试，用于声呐操作训练与作战效能分析，用于战术决策辅助（TDA），甚至用于海军战术任务有效性评估，以及国防采办、兵力计划分析、预算分析等高层决策支持。

声呐性能建模是水声建模与仿真领域的重要课题，是水声传播模型、海洋噪声与混响模型的集总运用。声呐性能建模包括两个方面：首先是先进声呐方案的最佳设计，使之能利用作战海洋环境；其次是现有声呐的优化，使之能最好地工作在任何给定的海洋环境中。性能预报产品可嵌入声呐系统，向声呐员提供设备模式选择的现场指导。这些信息产品与现代战术条令的结合，通常被称为TDA。

性能预报产品对部队指挥员也有帮助，使他们从战术的观点更好地认识和利用海洋环境。当然，声呐性能预报还须掌握各种声呐信号处理所产生的增益。除了常规处理增益的讨论，本书增加了高级信号处理要点，反映有关新的信号检测处理的数学建模主题，具体包括共轭方法、随机共振、脉冲传播、多重输入/多重输出（MIMO）、杂波环境、向量和簇以及高频声学。另外，还增加了多基地声呐建模内容。更严格地说，声呐性能预报还依赖于目标模型，这是本书之外的重要课题，也是敏感课题。由此可见，可靠地创建声呐TDA产品或声呐训练模拟器产品，是十分不容易的挑战。从另外一个角度看，所谓声呐性能标称指标，不能被理解为实际作战能力，而仅仅是便于考核声呐设计与工程制造的典型值。如何更好地考核声呐（在所有海区以实际场景进行遍历是不现实的），以及如何预报声呐在特定海区及作战场景中针对特定目标的性能不确定度，同样是个艰巨任务。在这其中，水声建模与仿真担负关键角色。

仿真正迅速地成为海上现场测试与训练的一种相对准确、有效和经济的替代手段。但是，还有一种令人瞩目的混合手段，即海上定点的现场测试基地或“天然实验室”，具有基于实验室的仿真测试平台所不可及的特点。例如，海上现场允许建模与观测系统的持续使用，以便模型可在真实的环境中被连续地测试和精炼。而且，现场测试基地上可以并列地安排作战训练，以便获取现实经验。由于所选择的定点海区的环境可以被很好地掌握，实验控制性与重复性方面的缺陷将被限制。本书涉及这方面的内容，也有些简单的示例，尽管篇幅不大，但极具启发，值得读者进一步思考，因为这或许是水声学的正确发展策略。

声呐性能建模问题的复杂性，缘于这些模型所支持的海军作战行动。例如，在现代海战编队行动中，必须沿多种路径计算传播损失TL，而这些路径连接相隔很远的若干声源和接收机。来自附近友舰的噪声干扰必须与远处的商船和本地天气导致的环境噪声一起加入到声呐性能的计算中。此外，由海底特征结构和海水中假目标引起的散射和混响，也必须被有效且实际地建模。计算效率和数据库管理方面的要求也是巨大的。水声建模专家在现有数学方法方面面临许多挑战。更有甚者，随着包含多组分置声源和接收机的多基地方式的出现，真正的三维建模已不再是理论上的奢望，而是一种现实的需要。随着对浅海声呐作战的日益关注，上述情况还将变得更为复杂。声波与强变异性海底地貌及组成的交互作用，进一步复杂化原本已是高强度的散射计算与混响计算。而且，浅海区域的声速场具有强时空变异性。因此，为了获得浅海环境中富有意义的主动声呐性能预报结果，已经使用了统计的方法。另外，所谓模型操作系统（MOS）被特别地予以关注。MOS针对不同建模技术建立了标准化的框架，使复杂的声呐性能建模问题可规范地分解成一组通用函数，每个通用函数解决有明确定义的、可解算的子问题，通过应用自动化数据系统，实现数据驱动计算。

模型评估就是系统地收集与颁布模型信息，以便确定模型的局限与适用范围。模型开发是一个进化过程。任何特定版本的模型很快地变为过时，其伴随的评估结果也变得陈旧。因此，模型精确度的比较仅对受测试的特定版本而言是有效的。美国海军声呐建模研究界在这个方向上处于领先，即建立了配置管理规程。这些规程为模型变更控制与模型分发提供一个规范程序。美国通用计算局将模型评估分解为五个基本成分：文档、验证、确认、可维护性与可用性。本书专门就此介绍了模型评估指南。

水声建模与仿真是一项系统工程。美国国防建模与仿真局（DMSO），现称建模与仿真协调局（M&SCO），于1991年组建，提供有关建模与仿真研究的关键动态信息，管理建模与仿真的标准，引导有关方法并协调大型计划。美国海军作战部于1984年设立海洋与大气主库（OAML），负责向舰队用户提供标准模型和数据库，同时保障环境服务产品的一致性与通用性。美国国家研究委员会将建模与仿真描绘成海军未来几十年中许多热点研究的基础技术。本书继续跟踪这些宏观信息，并修订了有关信息来源的变化。

这本书仍是迄今为止唯一的水声建模与仿真领域专著，被公认为“权威的精细级模型之纲要”。鉴于水声建模与仿真技术对海军作战的重要性，也由于第三版中译本受到读者的欢迎，本书（第四版）中译本继续被纳入海军新军事变革丛书系列，以飨读者。