CN103729535B - 一种舰船与磁性水雷对抗能力的评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及对抗能力的评估方法，具体涉及一种舰船与磁性水雷对抗能力的评估方法，该评估方法通过对实际测量条件的分析和计算机模拟，利用智能优化算法寻找边界面的最优剖分方案，从而在较差测量条件下，完成对舰船平面磁场的准确延拓，再利用边界积分法进行深度计算获得舰船下方磁场的深度分布；通过对水雷磁引信工作制、磁引信动作参数和对抗评估指标的综合分析，运用计算机模拟技术，建立舰船磁场与磁性水雷对抗仿真模型，实现对舰船磁性防护能力的综合评价，获得可信的评估结论。本发明的优点是，可有效改善较差测量条件下舰船平面磁场的延拓精度；通过建立触雷宽度和触雷区域的评估指标，能够直观有效的评估舰船对抗磁性水雷的能力。
Description
技术领域
本发明涉及对抗能力的评估方法，具体涉及一种舰船与磁性水雷对抗能力的评估方法。
背景技术
由于磁性水雷具有较大的隐蔽性、威胁性和破坏性，因而作为对抗磁性水雷武器的重要手段——舰船消磁技术一直受到各国海军的重视。同时，对于评估舰船的消磁技术水平、预测舰船的磁性防护能力所进行的舰船与磁性水雷对抗能力方面的研究国内外也予以高度关注。
但国内外的有关研究主要针对动磁引信水雷，这时舰船磁场与水雷的对抗能力取决于在布雷深度上舰船磁场曲线的变化率（即磁场的梯度）。而从上世纪80年代初开始，水雷磁引信发生了巨大进步，尤其是随着磁场测量技术和微电子技术的进步，静磁引信在磁性水雷中被广泛采用，在水雷有效作用范围内，磁引信对舰船的探测能力显著增强，舰船磁场与水雷对抗研究等相对滞后了。
另外，在舰船与磁性水雷对抗的研究中，磁场深度计算必不可少。一方面，磁体模拟法等传统换算模型在实船磁场计算应用中往往数据要求高、精度低，在实船应用中受到限制；另一方面，边界积分法应用于磁场深度计算时，需要无限大平面的磁场测量值，实际测量难以满足，虽然利用平面磁场延拓方法可以通过对有限测量范围的磁场进行延拓得到大平面磁场，但往往对“有限测量范围”的测量条件要求较高，在实际中很难实现，需要对相关的延拓计算方法进行适当改进，才能在实船中应用。
总之，随着水雷磁引信和舰船消磁技术的发展，有关舰船和磁性水雷对抗的研究，已不能满足现代舰船磁性防护能力评估的需求。
发明内容
本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种舰船与磁性水雷对抗能力的评估方法，该评估方法通过实际测量条件下的磁场测量值准确计算出舰船磁场的深度分布，利用所建立的舰船磁场与磁性水雷对抗的仿真分析模型和所提出的评估指标，对实际舰船磁场与磁性水雷的对抗能力做出综合评价。
本发明目的实现由以下技术方案完成：
一种舰船与磁性水雷对抗能力的评估方法，其特征在于所述磁场评估方法至少包括如下步骤：
磁场测量计算：（1）选定所述舰船下方深度为h0的平面为测量平面，并通过若干磁传感器进行磁场测量，所述测量平面的长度大于所述舰船的长度，宽度为所述舰船宽度的2倍；（2）利用计算机，对所述磁传感器的测量条件进行模拟，通过公式opt(div)=min(Econ)确定最优剖分方案，以将所述测量平面所在的大平面剖分为测量区域Sm以及位于所述测量区域Sm横向两侧的延拓区域Sc，其中所述opt(div)表示边界面最优剖分方案，所述Econ表示磁场延拓误差；（3）基于所述最优剖分方案，计算出所述延拓区域Sc的矢量磁场，并由所述延拓区域Sc的矢量磁场计算得到所述测量平面所在的大平面的矢量磁场，之后计算所述舰船下方各深度的磁场；
水雷参数设置：设置其磁引信工作制和磁引信动作参数；
对抗评估：通过计算机模拟获取所述舰船在各不同深度的触雷宽度以及在整个对抗水深范围内的触雷区域，并将所述触雷宽度和触雷区域作为对抗评估的指标，建立仿真分析模型，以对所述舰船的对抗能力进行评估。
所述磁引信工作制具体包括含时间因素的单脉冲工作制、双脉冲异符号工作制以及寻找目标峰值工作制。
通过计算机模拟获取所述舰船在各不同深度的触雷宽度以及在整个对抗水深范围内的触雷区域的具体步骤为：（1）获取水下某一深度平面上的所述舰船磁场△H，即及d△H/dt的分布；（2）令所述舰船从所述水雷的一侧通过，所述舰船的竖向中心线与所述水雷之间的正横距离为Y0，在所述舰船磁场△H的分布中取出Y=Y0的一组数据，根据该数据判断此时是否满足所述水雷磁引信动作的所有参数条件，若不满足则将所述正横距离Y0减少dy，令所述舰船再次通过，依此类推直到所述水雷磁引信动作的所有参数条件全部得到满足，获得所述舰船竖向中心线一侧的最大正横距离为YL；（3）令所述舰船从所述水雷的另一侧通过，并按照步骤（2）中所述的方法，获得所述舰船竖向中心线另一侧的最大正横距离为YR，以此获取所述舰船在该深度平面上的触雷宽度，以Y=YL+YR表示；（4）调用所述舰船在各不同深度的磁场，并按步骤（1）～（3）中所述的方法，获取所述舰船在不同深度上的触雷宽度，之后将不同深度上的触雷宽度相互叠加以构成触雷区域。
本发明的优点是，将基于智能优化算法的边界面剖分方案最优化方法应用于平面磁场延拓后，可有效改善较差测量条件下舰船平面磁场的延拓精度；所采用的舰船磁场与磁性水雷对抗的计算机仿真方法，与“实船、实雷海上对抗试验”、“磁场模拟器对抗试验”等方法相比，不受场地限制、不需动用舰船，并可根据实际需求，在任选舰船航速、水雷深度和磁引信工作制的条件下，获得更多、更广泛的对抗数据；所采用的“触雷宽度”、“触雷区域”等评估指标，能够更直观、更有效的评估舰船对抗磁性水雷的能力。
附图说明
图1为本发明中评估方法的步骤示意图；
图2为本发明中舰船磁场实际测量示意图；
图3为本发明中边界面剖分最优化示意图；
图4为本发明中磁场深度计算方法示意图；
图5为本发明中舰船的触雷宽度和触雷区域示意图。
具体实施方式
以下结合附图通过实施例对本发明的特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：
如图1-5，图中标记1-4分别为：舰船1、磁传感器2、触雷区域3、触雷宽度4；
W0为实际舰船磁场测量区域的宽度，L0为实际舰船磁场测量区域的长度；
Sm为测量区域，Sc为延拓区域；
H为水雷所在的深度，YL为舰船左侧最大正横距离，YR为舰船右侧最大正横距离。
实施例：如图1所示，本实施例具体涉及一种舰船与磁性水雷对抗能力的评估方法，该评估方法主要包括三个步骤单元，分别为磁场测量计算单元、水雷参数设置单元以及对抗评估单元，各单元依序进行，并以此获得最终的综合评估结论。
（一）如图1所示，磁场测量计算单元主要包括实际舰船磁场测量、边界面剖分最优化、磁场延拓和深度计算这三步：
①实际舰船磁场测量：舰船磁场测量如图2所示，本实施例中所指的磁场测量依托某些消磁站进行，其测量区域为距舰船1以下深度h0平面，所用传感器为磁通门式三分量磁传感器2，由若干列磁传感器2组成磁传感器阵列。测量区域长度为L0，宽度为W0，其中，L0一般较舰船1长大得多，而W0则相对较小，一般为2倍船宽左右，因此所测磁场具有如下特点：在舰船1的纵向上，区域两端的磁场值已经基本衰减到零，而在舰船1的横向上，两条边缘测量线的磁场则还远没有衰减到零。
由于实际舰船磁场的测量只能在较浅、较窄的平面上进行，而水雷对抗计算则要有一个较大的深度范围内较大的平面的磁场数据，因而需要对磁场测量数据进行深度计算。由于磁场测量平面较窄（2倍船宽左右），而利用基于边界矢量积分的磁场延拓方法一般要求测量宽度在6倍船宽以上，因此本实施例需要对边界面进行剖分最优化处理，以使延拓方法能在较窄测量面上进行应用，然后再利用边界积分法进行磁场深度计算。
②边界面剖分最优化：如图3所示，将该实际舰船磁场的测量平面所在的大平面分为两部分，较窄的磁场测量区域为Sm，延拓区域为Sc，Sc位于Sm的横向两侧，由于一般情况下Sm横向两边的磁场均包含非零值，因此Sc一般为分布在Sm两侧的非连通域。
平面磁场延拓方法在实验室测量条件下能够满足精度要求，但在实际消磁站测量条件（测量面宽度较窄，且测量线间距不均匀）下，则难以保证精度。通过对延拓方法的分析可知，影响延拓精度的最主要因素就是对大平面（包括测量区域和延拓区域）的剖分情况，包括剖分单元的数量、形状及中心坐标选取等。所采用的做法是，对消磁站的测量条件进行计算机模拟，通过下式（1）寻找确定最佳剖分方案，使得延拓误差达到最小，然后利用该剖分方案对实际测量磁场进行延拓计算，得到大平面磁场分布。
opt(div)=min(Econ) （1）
式（1）中，opt(div)表示边界面最优剖分方案，Econ表示磁场延拓误差。
在剖分方案的寻优过程中，采用了智能优化算法。通过最佳剖分方案的寻优计算，降低了实际应用中的磁场测量要求，可以在测量平面较窄、测量间距不均匀等较差测量条件下，保证磁场延拓的精度。
采用智能优化算法寻找边界面最佳剖分方案，是对平面磁场延拓方法的重大改进，是保证实船磁场计算精度的关键，也是本实施例的重要特征之一。
③磁场延拓和深度计算：在实际舰船磁场的测量平面所在的大平面边界上，除Sm和Sc外的区域，磁场都为零。对Sc内的点，有如下关系：
式（2）等号左边为延拓区域的未知矢量磁场的积分，右边为测量区域的矢量磁场积分，Bc（x,y,z）表示延拓区域内点(x,y,z)的磁场。
根据对边界面剖分的最优化处理结果，由式（2）对大平面边界进行离散化求得数值积分，进而准确获得延拓区域的矢量磁场。
本实施例所利用的磁场深度计算方法为边界积分法，如图4所示，舰船所在的区域可以看作场源所在的半空间区域V，下方测量面（z=0）可以看作V的边界面，则舰船在测量面下方空间的磁场可以用z=0边界面上的等效源表示。
舰船在z>0（舰船测量面以下空间）区域内点(x0, y0, z0)处的磁场三分量为：
（3）
在x方向取m个测量点，y方向取n个测量点进行离散化得到：
（4）
其中，△Si,j=△xg△y，△x为x方向测量点间距，△y为y方向测量点间距。
式（4）即为利用边界积分法进行磁场深度计算的一般公式。
磁场深度计算的精度同样受到边界面（z=0）剖分的影响，在上述边界面（大平面）最优剖分的基础上，不仅平面磁场延拓的误差最小（延拓磁场最接近实际磁场分布），同时也能保证磁场深度计算的精度。因此，在较差的测量条件下，寻找边界面的最优剖分方案是保证平面磁场延拓和磁场深度计算精度的关键。基于边界面剖分最优化的磁场延拓和深度计算是本实施例中磁场测量计算单元的主要特征。
综上，在舰船磁场的实际测量条件下，平面磁场延拓和深度计算的主要步骤为：确定测量区域和延拓区域；计算机模拟实际测量条件，利用智能优化算法寻找整个边界面（包括测量区域和延拓区域）的最佳剖分方案；利用最佳剖分方案对大平面进行剖分，由式（1）延拓计算得到大平面矢量磁场，由式（4）计算得到各深度磁场。
（二）如图1所示，水雷参数设置单元主要包括磁引信工作制选定和磁引信动作参数设置，这是进行舰船磁场和磁性水雷对抗计算机仿真的必要前提。
其中磁引信工作制包括含时间因素的单脉冲工作制、双脉冲异符号工作制和寻找目标峰值工作制三种，既包括了动磁引信，又包括了静磁引信。
其中磁引信动作参数设置主要是指水雷磁引信灵敏度的设置。使用水雷的战术目的是使敌方的舰船受到创伤以致丧失战斗力，因此希望引信的动作距离为目标的杀伤距离（对于中等装药量的水雷应距目标50-60米范围内爆炸）。若灵敏度设置过高，目标未进入杀伤范围就爆炸，达不到战术目的，灵敏度设置过低，将使目标的触雷概率变小，降低了水雷的使用效果。当目标壳体为非磁性材料或目标内安装有消磁系统时，其信号变得很弱，若以此种目标的磁场设置水雷的灵敏度，必将导致灵敏度设置过高，因而在一般情况下应以未进行消磁处理的目标在距其50-60米处产生的磁场作为水雷灵敏度设置的依据。根据实际条件合理设置水雷磁引信灵敏度，也是本实施例的特征之一。
（三）如图1所示，对抗评估单元主要包括评估指标和对抗仿真分析模型的建立，其中评估指标具体指“触雷宽度”和“触雷区域”。
如图5所示，设在Z0=h的深度上有雷，采用舰船磁场深度计算模型可以得到在该深度平面上磁场△H,即及d△H/dt的分布。令舰船1以速度V在某雷的右侧通过，并假设雷与舰船1竖向中心线之间的正横距离为Y0，在上述磁场的分布中取出Y=Y0的一组数据，利用水雷引信动作模拟软件判断是否满足水雷引信动作的所有参数条件，若不满足则将正横距离减少dy，令船再通过一次，直到水雷引信动作的所有参数条件全部得到满足为止，设此时的正横距离为YL（如图5所示）。考虑到舰船磁场的横向分布规律是随着正横距离的减少磁场而增大，所以当雷距船的正横距离小于YL时，水雷引信的动作条件更容易满足，故认为YL是舰船1左侧磁引信动作的最大正横距离。
令船以相同的速度逐个航次地在该雷的左侧通过，则可以找到舰船1右侧水雷引信动作的最大正横距离YR，显然在舰船左YL到舰船右YR的这段宽度之内，若有磁性水雷存在，水雷引信将动作，对舰船构成严重威胁，称此宽度为深度h平面上的“触雷宽度”，以Y=YL+YR表示。Y越小，触雷的可能性越小，舰船1的安全程度越高。
在整个对抗水深范围内，对于每个深度设定值都可以找到相应的触雷宽度（水雷不动作时为零），由此可以描述出一个区域，称之为“触雷区域”，其含义可理解为：如果在此区域内布设有水雷，则将对舰船安全带来威胁。显然，该区域越小，则舰船的对抗能力越强。
综上，本实施例中评估方法的总体特征为，在舰船磁场实际测量的基础上，利用智能优化算法寻找最佳剖分方案，并据此进行平面磁场延拓和磁场深度计算，获得各个深度磁场分布，根据实际情况设置水雷参数，利用对抗仿真分析模型计算机软件分析各个深度的评估指标，最终获得综合评估结论，从而掌握舰船对抗磁性水雷的能力。
Claims (3)
1.一种舰船与磁性水雷对抗能力的评估方法，其特征在于所述评估方法至少包括如下步骤：
磁场测量计算：（a）选定所述舰船下方深度为h0的平面为测量平面，并通过若干磁传感器进行磁场测量，所述测量平面的长度大于所述舰船的长度，宽度为所述舰船宽度的2倍；（b）利用计算机，对所述磁传感器的测量条件进行模拟，通过公式opt(div)=min(Econ)确定最优剖分方案，以将所述测量平面所在的大平面剖分为测量区域Sm以及位于所述测量区域Sm横向两侧的延拓区域Sc，其中所述opt(div)表示边界面最优剖分方案，所述Econ表示磁场延拓误差；（c）基于所述最优剖分方案，计算出所述延拓区域Sc的矢量磁场，并由所述延拓区域Sc的矢量磁场计算得到所述测量平面所在的大平面的矢量磁场，之后计算所述舰船下方各深度的磁场；
水雷参数设置：设置其磁引信工作制和磁引信动作参数；
对抗评估：通过计算机模拟获取所述舰船在各不同深度的触雷宽度以及在整个对抗水深范围内的触雷区域，并将所述触雷宽度和触雷区域作为对抗评估的指标，建立仿真分析模型，以对所述舰船的对抗能力进行评估。
2.根据权利要求1所述的一种舰船与磁性水雷对抗能力的评估方法，其特征在于所述磁引信工作制具体包括含时间因素的单脉冲工作制、双脉冲异符号工作制以及寻找目标峰值工作制。
3.根据权利要求1所述的一种舰船与磁性水雷对抗能力的评估方法，其特征在于通过计算机模拟获取所述舰船在各不同深度的触雷宽度以及在整个对抗水深范围内的触雷区域的具体步骤为：（1）获取水下某一深度平面上的所述舰船磁场△H，即 及d△H/dt的分布；（2）令所述舰船从所述水雷的一侧通过，所述舰船的竖向中心线与所述水雷之间的正横距离为Y0，在所述舰船磁场△H的分布中取出Y=Y0的一组数据，根据该数据判断此时是否满足所述水雷磁引信动作的所有参数条件，若不满足则将所述正横距离Y0减少dy，令所述舰船再次通过，依此类推直到所述水雷磁引信动作的所有参数条件全部得到满足，获得所述舰船竖向中心线一侧的最大正横距离为YL；（3）令所述舰船从所述水雷的另一侧通过，并按照步骤（2）中所述的方法，获得所述舰船竖向中心线另一侧的最大正横距离为YR，以此获取所述舰船在该深度平面上的触雷宽度，以Y=YL+YR表示；（4）调用所述舰船在各不同深度的磁场，并按步骤（1）～（3）中所述的方法，获取所述舰船在不同深度上的触雷宽度，之后将不同深度上的触雷宽度相互叠加以构成触雷区域。
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