（水声工程专业论文）si144目标模拟器研制.pdf

耍些三些盔堂塑主堂堡堡壅一 a b s t r a c t s o n a rs y s t e me m u l a t o ri so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tt e s te q u i p m e n t s i ti s o f t e nu s e dt o e m u l a t ea l lk i n d so f s y s t e m e c h os i g n a la n ds y s t e mr a d i a t i o no f s o n a rh y d r o p h o n ea r r a y a n d i tc a np r o v i d es i g n a lt os o n a rs y s t e mf o rt h eu s eo ff u n c t i o nc h e c ka n dc a p a b i l i t yt e s t - t h i s k i n do fe m u l a t o ri sw i d e l yu s e di ns o n a rs y s t e mr e s e a r c h ，p r o d u c t i o n ，r o u t i n e ，a n dp e r s o n n e l t r a i n t h et h e s i sf i r s t l yi n t r o d u c e st h ed e s i g ni n d e xo f s o n a rs y s t e me m u l a t o r t h e ni tn a r r a t e s t h es o n a rs y s t e me m u l a t o r ss c h e m a t i cs t r u c t u r ea n ds i m u l a t e st h ew o r kp r o c e s s i n t h e m e a n w h i l et h eh a r d w a r ep r o j c o tf o rt h ee m u l a t o ri sd e s c r i b e d t h et h e s i sf o c u s e so nt h e w i n d o w s9 8o p e r a t i n gs y s t e ma n dt h es c h e m a t i cd e s i g no fp c ib u s t h ef l o wd i a g r a mo f d a t as i g n a lp r o c e s sa n du s e r ss o f t w a r ed e s i g na r eg i v e n f i n a l l y , t h ev i s u a lc + + s o f t w a r e p r o g r a m m i n g o f c o m p u t e r i n t e r f a c e ，a n d t h ei n t e r f a c e s p e c i f i c a t i o n b e t w e e n a n a l o g p r e p r o c e s s i n g m o d u l ea n d d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g m o d u l ea r ed e s c r i b e d t h ew a t e rp o o lt e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h es o n a rs y s t e me m u l a t o rh a sm e tt h es y s t e m s r e q u i r e m e n t s k e y w o r d s ：s o n a r s y s t e m e m u l a t o rp c ib u sc p l d 西北工业大学硕1 学位论文 1 i 目标模拟器的应用背景 第一章绪论 声纳系统在军事上有着广泛的应用，例如水下目标的探测、定位及跟踪、水下武器 的射击指挥、水下通讯、水雷探测、水下导航、目标识别、水下武器制导、侦察与干扰 等。然而声纳系统在投入使用之前，甚至在研制、验收阶段，都必须在实验室、消声水 池或者在湖泊、海洋上完成一系列的功能调试和参数测定；在声纳系统使用期内，也需 要定期对系统进行维护和保养；与此同时也需要培训一定数量的声纳操作人员。 然而，经常花费大量的人力物力去对声纳系统进行现场的调试和测量，是不太现实 的；并且培养大批的声纳操作人员，光靠现场环境下的培训也远远不够，因此如何有效 利用现代1 t 技术实现简洁的声纳测定方案也就成为了一个课题。 s i 一1 4 4 目标模拟器就是专门为h s k d 一1 4 4 声纳系统配套设计的目标仿真器，该仿真 器模拟了不同现场环境下为h s k d 一1 4 4 声纳系统提供的信号源。 1 2 目标模拟器的现状 声纳技术是随着军用与民用发展的需要而逐渐发展起来的。迄今为止，国内外已经 使用或f 在研制的声纳系统不下百种，然而为声纳系统配套设计的目标模拟系统也不相 同。 s i 一1 4 4 声纳目标模拟器主要为h s k d 一1 4 4 声纳系统的信号处理分机提供仿真的信 号源。在现场环境中，信号处理分机根据海洋中的1 2 路水听器接收到的信号，判断出一 定范围内是否存在目标，如果发现目标，则计算出目标相对于基阵的方位、距离、速度等 参数，然后送显控分机显示。目前研究的主要内容就是如何利用高速p c 机以及其它电子 器件模拟出已知目标运动轨迹( 即已知目标的方位、距离、速度等参数) 的情况下1 2 路水听器所接收到的目标信号。 该模拟器在声纳系统研制、生产、使用维护和人员培训等方面也具有广泛的用途。 西北t 业人学颂f ：学位论殳 1 3 论文的主要工作 论文研究的主要内容是分析早期目标模拟器由于软件、硬件更新换代所带来的问 题，研究如何利用现代高速p c 机和新一代的复杂可编程逻辑器件，设计新的软件、硬 件系统来模拟目标信号，从而满足技术发展的需求。 具体研究内容如下： 各种信号生成的算法： 包括海洋噪声生成、目标轨迹生成、回波生成、p i n g e r 信号生成、信号合成、传感 器组信息生成。其中海噪声采用一般的白噪声；目标轨迹采用静止、圆、直线三种轨迹 状态；针对慢起伏点目标模型和无失真信道，完成矩形包迹、c o s 2 包迹、双曲调频信 号的回波算法：完成1 2 路回波和海噪声的迭加。 系统操作界面生成及算法实现： 利用v c + + 6 0 实现上述算法、完成图形化操作界面的设计，通过界面可以显示 出目标的方位、距离、速度、运动轨迹等各种信息并能用鼠标和键盘进行监控。 利用p c i 总线实现信号输出： 工作内容包括p c i 总线驱动程序的开发以及p c i 板卡的设计与制作。 系统控制电路设计： 主要完成收发转换电路和同步电路的设计，以保证目标模拟系统和声纳系统的 工作时序同步。 数据变换电路设计： 目标模拟系统输出信号给接口分机，其信号必须要符合接1 ：3 分机的接1 ：3 规约， 因此必须对计算机输出的1 2 路信号进行一系列的处理，如串并转化、编码、调制、 驱动等。 两北t 业大学顾卜学位论文 第二章目标模拟器的技术要求 2 1 目标模拟器的功能 目标模拟器的主要功能是产生一种与声纳工作期间在解调单元输入端相同的信号。 这些信号包含d o m e 信息、海洋噪声、回波、p i n g e r 信号、声纳信号的格式化以及缆长 信号等。目标模拟器还显示本身生成的各种信息。 d o m e 信息设置与生成。 设置并生成罗盘、温度、入水深度( 湿缆长度) 、倾斜、漏水、自检总结果和 预处理各通道自检结果等信息，并且这些信息可以重新设置。 1 2 路水听器通道的海洋噪声生成。 包括生成主动方式下的窄带噪声和p i n g e r 方式下的宽带噪声，而且噪声电平 可以改变。 1 2 路水听器通道的回波生成 回波信号可以反映目标运动轨迹( 静止、直线、圆等) 的影响，即回波的距离、 方位和多普勒频移随轨迹变化作相应的修改。回波波形、频率及信号电平可以改变。 p i n g e r 信号生成 p i n g e r 信号的频率、方位和电平可以改变 缆长信号 可以设置干缆长度和湿缆长度，并生成总缆长信号。 声纳信号格式化 实现1 2 路水听器通道信号按规定的d o m e 信息序列与d o m e 信息混合，p s 转换， 完成二相编码、调制及放大。 目标模拟器本身各种信息的显示 显示内容包括： 操作菜单 目标运动轨迹及参数：初始距离与方位、航向与航速 两北工业大学硕士学位论文 目标轨迹运动参数：距离、方位、多普勒频移 波形参数：调制形式、频率、脉宽、信号电平 海洋噪声参数：噪声性质与噪声电平 p i n g e r 参数：频率、方位和输出电平 d o m e 信息：罗盘、温度、入水深度、倾斜、漏水、自检总结果、预处理通道白 检结果。 缆长 提供声纳与“发射机假负载”之间的连接通路 2 2 目标模拟器的主要技术指标 1 ) d o 舾信息 罗盘( 航向) ：0 3 6 0 度，任意设置 温度：摄氏( 0 2 0 ) 度，任意设置 入水深度( 湿缆长度) ：0 2 0 0 米，任意设置 倾斜：正常倾斜，任意设置 漏水：正常漏水，任意设置 自检总结果；正常故障，任意设置 预处理通道自检结果：通道号l ，2 ，1 2 结果正常故障，任意设置 2 ) 目标运动轨迹 目标轨迹：静止、直线、圆 初始距离：在相应距离量程内任意设置 初始方位：0 3 6 0 度，任意设置 目标速度：一4 0 + 4 0 节内可适当的任意设置 目标航向：0 3 6 0 度，任意设置 3 ) 回波 回波波形：c w c o s 2 f m 距离量程：1 0 2 0 4 0 8 0 链 4 西北t 业大学顿卜学位论文 中心频率：1 2 4 0 0 1 2 8 0 0 1 5 2 0 0 0 h z ，i 脉冲宽度：1 9 0 1 毫秒 信号强度：1 6 级 1 2 路回波信号相对相位差：与理论值比较 频率：7 0 0 0 2 0 0 0 0 h z 内任意设置，l 信号强度：1 6 级 信号源方位：0 2 6 0 度内任意设置 1 2 路p i n g e r 信号相对相位差：与理论值比较 宽带噪声带宽：7 0 0 0 2 0 0 0 0 h z 噪声电平：对应于l 2 2 4 6 6 + 1 0 分贝 1 2 路噪声相互独立 6 ) 缆长信号 干缆长度：0 2 0 0 米，任意设置 湿缆长度：0 2 0 0 米，任意设置 总缆长= 干缆长度+ 湿缆长度 缆长信号变化斜率：一2 0 毫伏米 7 ) 格式化 采样频率：2 5 0 千赫兹( 4 毫秒) 位速率：2 2 5 兆赫兹( 0 2 0 7 7 毫秒) 西北t 业大学坝卜学位论文 编码方式：差分曼彻斯特码 调制频率：2 2 5 兆赫兹( 0 2 0 7 7 毫秒) 同步字：0o 0 0 10 1 0 11 i 1 0 ( 1 3 位) 帧频：2 8 4 6 千赫兹( 2 6 0 毫秒) 帧格式：6 5 字节每帧( 同步字开始，后接6 4 个信息字) 1 3 b i t 每字( 前1 2 位为1 2 个水听器通道的信息，最后l 位为辅传信息字) 辅传信息排序： 字序1234567891 01 11 21 31 41 51 61 71 81 92 0 定义蛊晷i否ip著：赢古古l簋 道导白 誉 一 接堵 植 收暴 培 字序2 12 2 2 3 2 42 5 蓥62 72 8 2 93 03 l3 2 定义_ i n 订i _ i 一 图2 1 辅传信息排序图 操作与显示 操作方式：菜单操作，基于w i n d o w s 9 8 的图形方式 v ，显示格式：分类实时显示，包括菜单显示页和系统实时运行显示页 夺菜单操作显示页：主菜单和弹出式参数选择菜单 夺实时运行显示：分区显示，左半面显示目标运动轨迹，右半面为参数显 示窗口。 8 ) 使用特性 全部参数和状态信息通过菜单选择、直接输入 主动静止目标、p i n g e r 方式或d o m e 方式，为手动操作。 主动圆或直线轨迹为自动操作 9 ) 环境适应性 工作环境温度：o ( 一l o ) + 4 5 1 0 ) 电源适应性 直流2 8 伏( 与声纳联机) 交流2 2 0 伏，5 0 h z ( 实验室工作) 两北t 业大学顾j 学位论义 1 1 ) 与外部的连接 与声纳解调单元的连接( 同轴电缆，输出多路水听器声纳信号) 与假负载的连接( 传送发射机发射的功率信号) 与接线盒的连接( 接收d c 2 8 v 供电电源) 与绞车控制盒的连接( 输出缆长信号) 西北工业太学硕卜学位论文 第三章目标模拟器的工作原理 3 11 4 4 声纳工作原理 为了设计1 4 4 声纳目标模拟系统，有必要先了解1 4 4 声纳的工作原理。1 4 4 声纳属 于航空吊放声纳的一种，它安装在直升飞机上，直升机低飞至各预定点悬停后，通过电 缆将换能器吊入水中逐点进行探测。下图即为1 4 4 声纳的工作原理图。 训业。强 ，儡声蓐德呐器藩鑫鬟墨墨悻f 海洋 一 图3 11 4 4 声纳工作原理图 该声纳系统由收发换能器基阵及传感器、信号预处理、接口分机、信号处理机、显 示器及声纳控制台、发射机等组成。除了收发基阵及传感器组和信号预处理模块在工作 时必须放入海水中工作，其余各个系统均安装在直升机的甲板上。声基阵及传感器组和 信号预处理与机上各系统的联接是通过吊放电缆沟通的。 吊放声纳的主要功能是完成目标检测、参数定位、跟踪识别以及海洋环境特性的测 量。声纳通过四种工作方式：主动、被动、p i n g e r 、b - t 实现上述目的。 两北工业大学顾l 学位论文 3 1 1 主动方式 声纳发射机通过声基阵发射声波，目标反射形成回波，声基阵在接收回波的同时还 接受混响和环境噪声。传感器组包括罗盘、温度、深度、倾斜、漏水等传感器。信号预 处理分系统处理来自基阵和传感器组的信号，经过放大、滤波、限幅、采样、格式化编 码、调制、收发转换等一些处理，然后通过吊缆将处理过的信号发送给机上的解调单元。 解调单元完成信号解调、频移与再采样等。其后的信号处机进一步处理信号( 例如：波 束形成、频谱分析、脉冲压缩等) ，将结果送到数据缓冲区或实时送至声频处理板。显 控台显示声纳图像，完成目标录取及参数( 方位、距离、多普勒) 计算。对应于主动方 式显示器有多种显示格式，如删全景与扇面显示、f m 全景与扇面显示、c o s 2 显示。 缆长及入水信号传送给飞行控制系统( a f c s ) ，声频信号送至耳机。声纳锁定后的目标参 数送给雷达和与鱼雷火控系统。 3 1 2 被动或p i n g e r 方式 声纳本身不发射信号，目标辐射的噪声或p i n g e r 信号被声纳基阵接收。其后的声 纳信号处理过程基本上同主动方式。对于被动方式和p i n g e r 方式，显示器有相应的被 动显示格式和p i n g e r 显示格式，此时声纳可以测定目标方位和频率。 3 1 3 检测原理 声纳用来进行水下目标探测是指利用目标自身发出的声波( 包括自身的噪声或主动 发出的声信号) 或目标的回波来确定目标的存在。定位则是利用上述声波来确定目标的 位置，包括目标的距离、方位以及深度。对水中感兴趣的目标进行连续不间断的跟踪探 测成为跟踪。区分目标的类型和性质就是通常所指的识别。在这些检测原理中，最常用 的就是测向和测距等理论，在这部分中就分别对他们进行简要的介绍。 定向的基本原理 声纳系统的重要任务之一是测定目标的位置，目标在水平面的位置出目标的方向角 ( 或方位角) 和距离来确定。本小节主要讨论目标方位的测定问题。 西北丁业大学颁b 学位论文 测向方法和声学系统的结构有关。采用单个换能器，两个换能器或多个换能器阵元组成 的系统，则可有不同的测向方法。然而不论采用何种具体方法测向，其本质上均有共同 之处，都是利用声波到达水听器系统的声程差和相位差进行。例如一个如图3 2 所示的 二元基阵，若其间距为d ，则平面波到达两阵元的声程差为： 乞2 ds i n 口 其中口为目标的方位角，定义为声线和基阵法线方向的夹角。两接收器接受声压或输出 声压的时间差为： 相位差为 孝。d u r = 盐= s i n 口 cc 九：2 斫：丝：2 矿鱼s i n 口：2 7 d s i n 口 ccl 其中口( o ，三) 。由此可知，两基元信号的时间差和相位差与目标的方位角一一对应。 可见，只要测量出反应声程差的时间差或相位差，就可测出目标方位。 图3 2二元阵系统 测距的基本原理 声纳系统的主要任务之一是在测向的同时完成对目标距离的测定。在主动声纳中， 测定目标的距离要利用目标的回波或应答信号，而在被动声纳中，目标距离的测定只能 1 0 两北工业大学项仁学位论文 利用目标发出的信号或噪声。两类声纳对目标距离的测量方法有本质的不同，因而测距 的精度也大不相同。然而，不论何种测距方法都是利用距离不同引起信号的各种变化来 进行间接测量。 主动测距方法主要分为脉冲测距法、调频信号测距法和相位测距法。 脉冲测距法是利用接受回波与发射脉冲信号间的时间差来测距的方法。若有以目标 与换能器的距离为r ，在已知声速c 的情况下，可求得目标的距离与时间t 的关系为： r ：竺 2 在使用扫描显示时，扫描线起始时刻与发射时刻同步。即在信号发射的同时，扫描 器同时产生扫描电压，加到显示器水平偏转板上，光点自左至右扫描，周期等于发射脉 冲的周期t ，接收信号经检波后送到垂直偏转板上。在有回波信号时，屏上扫描线会出 现相应的跳动。设光点移动的最大的线度为厶，光亮移动的速度为v 。，则 v ：l _ 2 _ o ：生 。丁2 了 其中l 为出现目标信号时，光点移动的长度。由以上两式得知目标距离为： r ：! c f ；三c 丝；碰 22 l 0 其中 石：旦 2 o 是一个比例常数，它与显示器的灵敏度、水中声速、发射脉冲周期有关。若光点在屏上 以匀速运动，则r 与l 的关系为线性关系，在屏上可以直接读出距离，也可利用计数器 来测出收发信号脉冲间的时间差，算出目标距离。 3 2 目标模拟器的定义 由上面的各种声纳工作方式的分析可知，进入声纳系统等待处理的信号有来自声基 阵的多个水听器通道的声信号( 回波、海洋噪声、混响、目标辐射噪声、p 1 n g e r 信号 等) 和来自传感器组的罗盘、温度、深度、倾斜、漏水等信号。 西北工业大学硕上学位论文 利用计算机仿真方法可以实现人们想做的一切声纳功能测试与参数测量工作。假定 一个计算机仿真系统包括以下几个部分： d o m e 声基阵及传感器组和信号预处理分系统 目标( 回波、辐射噪声、p 1 n g e r 信号) 信号 海洋f 混响、环境噪声) 信号 回波信号 这个计算机仿真系统生成的信号不仅包括基阵接收的声信号( 回波、目标辐射噪声、 p i n g e r 信号、混响、海洋噪声) 和传感器生成的信号( 罗盘、温度、深度、倾斜、漏水 等信号) ，而且产生信号的格式与实际声纳系统的格式一致。此外这个仿真系统在一定 程度上还必须反映出声纳d o m e 、目标和海洋环境的动态特性。 现在可以比较准确的定义目标模拟器了。目标模拟器是一个计算机仿真系统，该系 统能生成一组水听器声信号( 包括目标回波、辐射噪声或p i n g e r 信号以及混响和环境 噪声) 和一组传感器信号( 罗盘、温度、深度、倾斜、漏水等信号) ，且信号格式与后 端接口分级信号格式一致。 简而言之，目标模拟器就是一个声纳接收信号发生器。由于该系统所生成的信号是 模拟实际声纳探头d o m e ( 声基阵及传感器组加预处理) 放在海洋中所敏感的各种信号， 所以，从这个角度说可以把目标模拟器视为一个假探头。 3 3 目标模拟器的理论基础 现代目标模拟器基本上是一个计算机仿真系统。它的理论基础是计算机仿真理论与 数字信号处理理论。技术理论的核心是建模，即由系统物理模型导出数学模型。一般应 包括以下几个数学模型： 声纳信号模型：描述主动声纳信号波形或p i n g e r 信号波形： 信道模型：描述海洋( 海水) 作为传播介质对声信号传播的影响； 目标模型：描述目标结构及其对声波的影响； 目标动力学模型：描述目标运动特征及其对声波的影响： 环境噪声模型：描述海洋噪声的性质； 声基阵模型：描述接收基阵的结构及其对声信号的回应。 西北t 业人学硕 j 学位论文 图3 3 可以视为基本的声纳目标系统物理模型，因为它描述了吊放声纳在实际使用 中声纳与目标对象和环境的关系。图3 - 4 是由图3 3 导出的声纳应用网络模型结构。 敞射体 图3 - 3 声纳目标系统物理模型 图3 - 4 声纳应用网络模型结构 3 4 目标模拟器的工作原理 计算机包括主板、键盘、软驱、显示器，它是模拟器系统构成的核心。它要完成包 括目标轨迹计算、回波生成、p i n g e r 信号生成、d o m e 信号生成( 罗盘，温度，深度，倾斜， 漏水，自检结果模拟) 等很多系统功能。除此之外，该计算机还为用户提供方便的操作特 性，用户只需按照显示器提供的操作菜单，操作很少的几个键或用鼠标就能很灵活的控 制整个模拟器系统的运行。 西北丁业大学硕f + 学位论文 3 4 1 目标轨迹算法 目标模拟器的主要任务是产生仿真信号，所以各类信号的仿真算法在整个系统中占 有极其重要的地位，主要包括：目标轨迹算法、回波算法、传感器组信号算法、p i n g e r 信号算法、格式化处理几个核心部分。其中目标轨迹算法包括：静止、圆和直线三种轨 迹算法。目标轨迹被定义为发射声波打中目标时目标所在的地理位置( 距离、方位) 及 多谱勒速度。下面分别计算三种目标轨迹： ( 1 ) 静止轨迹 此时目标是静止的。一旦给定目标的初始距离与方位( r o ，00 ) ，该目标轨迹就完 全确定了。显然对于此种轨迹有： 多谱勒径向速度 v r = o 目标距离 r t ( o ) = r o 目标方位 0t ( o ) = e o ( 2 ) 圆周运动 对于圆周运动轨迹，目标距离固定不变，但方位有变化。径向多谱勒速度恒等于零。 假定目标的初始距离和方位分别是r o ，0o ，匀速圆周运动速度为v t ，相继的轨迹次序为 k ，k = o ，l ，2 ， 显然 v r = o r t = r o 0 t ( k ) i k ：0 = 00 假定声纳的距离扫描周期是t p 一个距离扫描周期内目标的步距角为0 s 0s = ( v t r t ) t p 目标在相继轨迹点的方位角： 两北1 二业大学碳i ：学位论文 8t ( k ) = e t ( 0 ) + k0 s ( 3 ) 直线运动 假定目标的初始距离和方位分别是r t ( 0 ) ，et ( 0 ) 爨糠靛邃： ￥t 目标航向： 出 声纳距离扫描周期t p 相继的轨迹点次序为k ， k = o ，i ，2 程一令声维蹉麓扫攒躅麓趵蠹匀速直线滚动豹步长为l s l s = v t t p 转换到直角地理坐标系中，假定目标的初始位臀是x o ，y o ，运动步长分别是l s x 和l s y 剿商： x o = r t ( 0 ) s i no t ( 0 ) y o = r t ( 0 ) c o so t ( o ) l s x = l s s i n 审 l s y = l s c o s 电 t x ( k ) 2 x o + k l “ r y ( k ) = y o + k l s y 撼女) = t o ，( 七) 一a r c s i n ( r x ( k ) t r , ( 七) ) 孝缡穗继发袈澍( 帮k = o ，1 ，2 ) ，磊标所在位置 假定t k 代表从声纳第k 次发射到声波打中目标所花的时间，则耨目标轨迹点的位嚣是： x ( 七) = t x ( k ) + 正ls i n b y ( 纛) = r y ( k ) + 曩以e o s b 转换残投坐标，予是耱鼹嚣禄鞔逶是 目标距离： _ _ - 。_ _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ 一 嚣 = p ( 七) 一， 嚣标方俊： 馥( 女) = a r c s i n ( x ，( ) r ，( 女) ) 西北工业大学硕士学位论文 多谱勒速度 _ ( k ) = lc o s ( 一0 ，( 七) ) 由此可以得到直线轨迹的迭代算法： 给定初始目标位置( r t ( 0 ) ，ot ( 0 ) ) ，航速( v t ) 和航向( 中) ，由以上公式可以算 出每次发射时目标所在位罱( t x ( k ) ，t y ( k ) ) ，再算出轨迹新一点的位置( x ( k ) ，y ( k ) ) ， 进而算出轨迹新一点的极坐标参数：r t ( k ) ，ot ( k ) ，v t ( k ) 。 3 4 2 回波算法 针对慢起伏点目标模型和无失真信道，回波表达式如下 鼬) = w 0 0 1r ) c o s 【2 丌( 丢) 0 1 ，( e ) ) 】 j = 1 ，2 ， ，1 6 式中n - 一信号包络 对于矩形包迹一一d 0 ) = r 。c 蛸 对于c o 矿包迹一。o ) ：。矿罢。一与 z 一脉冲长度 - 一载频 露一多谱勒频移= n z 屉 1 j 一目标距离时延= 2 r t c 为声速 1 ，( o 。- 一阵元位置不同引入的时延 a 一声波入射舷角 w 一一基阵遮蔽因子 对于双曲调频信号： 啪酬字徊啦啡吲卅2 州一半t h 西北t 业大学硕f ：学位论文 3 4 3p i n g e r 信号算法 影：懈。，= r e p f 。 r e c f ( 专) c 。s 2 厅厂。+ 。( 臼) ) 】 t 。重复周期 w 、脉冲持续时间 3 4 4 传感器组信号算法 罗盘 假定d o m e 航向角为v 以= c o s q u ，= s i n 甲 温度= k t f k 为比例常数、t 为温度 深度k = 丽1 5 = 3 8 6 4 k h z = + d k 。为比例常数、d 为深度 缆长 u c = k ( 工d + d ) 巧为比例常数、l o 为干缆长度、d 为探头入水深度 3 4 5 格式化处理( f o r m a t ) 格式化处理功能包括：p 叶s 、编码、调制、驱动放大、格式化等。 p j s ： 将1 2 路水听器信号( 1 2 位) 和外加1 位d o m e 信息信号共1 3 位组成一个字 然后转换成串行信号，以为二进制数字序列，即丽瓯 编码： 丽北丁业大学硕f 学位论史 完成二相差分曼彻斯特编码，其编码算法入下： d 女= d b k o d 阮 调制： 将两项差分编码信号调制到某个适当的载频上传输，其算法如下 d p s k o u t = d io f 啪d 驱动放大： 以获得足够的输出功率驱动传输电缆 格式化： 所谓格式化就是使传输信号符合规定的帧格式 声纳数据传送帧定义如图3 - 5 所示。格式规定声纳数据 童 i 毳b n l 离。l i 共6 和f 事 2 6 d u 尊 幽3 5 声纳数据传输帧格式定义示意图 传输以帧为单位，每帧以同步字开头，接下去相继传送6 4 个信息字，所以1 帧包含6 5 个字，每字1 3 b i t 。 图中格式化一些列参数如下： 采样频率厶2 i 1 脚2 2 5 0 k h z 位速率肛乃) 。3 2 5 胞 帧频 f f r a r a 。丽1 卢s = 3 - 8 6 4 k h z 同步字00 0 0 10 1 0 11 1 1 0 每个信息字均包括1 2 个水听器通道信息( 占1 2 b i t ) 和l b i t 的d o m e 信息。 d o m e 信息包含3 2 位，其传输格式如图3 - 6 所示 西北工业大学硕士学位论文 宁f 1234567891 01i1 21 31 41 51 61 71 81 92 0 定池；l 冢i 一：锰一一 接培 篓 收采 萎 川】2 l2 22 32 42 52 62 72 82 93 03 l3 2 定义 辅传信息 图3 - 6d 0 虹信息传输格式定义 由于d o m e 信息传输格式仅3 2 位，所以规定它在1 帧中要循环传送两遍。又由于d o 1 4 e 信息传输格式中每次只能纳于一个辅助传感器的信息( 1 2 位) ，故多个传感器的信息需 要多帧才能传一遍。 辅助信息的编号应符合表3 一i 辅传编号辅传信息名称 0 0 0d o m e 地电平 0 0 1罗盘x 0 1 0 罗盘y 0 l l深度 1 0 0温度 表3 - 1 辅传编号规定 两北工业大学硕卜学位论文 第四章目标模拟器的技术方案 4 1 目标模拟器的组成 s i 一1 4 4 目标模拟器是专门为h s k d 1 4 4 声纳配套设计的目标模拟系统，其组成如 图4 - 1 所示。它包括海洋噪声生成、目标轨迹生成、回波生成、p i n g e r 信号生成、信 号合成、1 2 路水听器通道信号生成、d o m e 信息生成、格式化、收发转换控制与同步 电路及缆长信号生成模块。 n g s s f o r m a t 图4 - 1 目标模拟器组成原理框图 图4 一l 所示的s i 一1 4 4 目标模拟器的具体实现是通过一个精心设计的计算机仿真系 统。 s i 1 4 4 目标模拟器系统包括一部计算机和其它模块，其中的海噪声生成模块( n g ) 和信号合成模块( s s ) 均由计算机仿真系统完成，并在系统中作为主机处于主导地位， 其余模块相对来说处于从属地位，整个系统是一个主从结构。从外形结构上看，s i 1 4 4 目标模拟器由两个部分一高速p c 机和扩展箱组成。组成s i 一1 4 4 目标模拟器的各模块 的详细功能如表4 1 西北t 业大学颁f 一学位论文 序号模块名称代号功能 目标轨迹生成、回波生成、p i n g e r 信号生成、 1信号生成s i g n a ld o m e 信息生成、缆长信号生产、系统操作 控制、统信息显示 2海噪声生成n g窄带宽带噪声信号生成 3信号合成s s 实现回波或p i n g e r 信号与噪声的迭加和 信噪比的控制 4格式化f o r m a t 1 2 路水听器信号、格式化、p s 、编 码、调制、驱动放大 5系统控制c t l t r 转换及其控制，系统控制，同步 6 底板b a s e建立主机和各个功能模块之间的信号联系 7 电源s o r c e将d c 2 8 v 转换成d c + 一5 v 和d c + 1 2 v 4 2 模拟器的一般构造 表4 - 1 系统模块划分及其功能说明 目标模拟器的基本概念就是用一些人工仿真的信号发生器去模拟真实世界存在 的声纳信号，例如回波、混响、目标辐射噪声、海噪声以及其他传感器的信号，并将 它们适当组合，使之在模拟的界面上获得与真实世界相同的效果。从功能模拟角度考 虑，目标模拟器应该有如下的一般结构： 西北工业大学硕卜学位论文 图4 2 目标模拟器的一般功能结构图 目标模拟器的组成功能模块 模块名称仿真功能 声纳信号生成仿真生成各种主动声纳发射波形，包括包迹、脉宽、频 率、调制、重复周期等 目标轨迹生成仿真生成各种所需的耳标运动轨迹 回波信号生成仿真生成目标轨迹( 回波的方位、距离和多普勒与目标 一致) 混晌生成仿真生成主动声纳发射引起的混响信号 目标辐射噪声生成仿真生成被动声纳目标辐射的噪声信号 p i n g e r 信号生成仿真生成主动声纳发射的p i n g e r 信号 海洋环境噪声生成仿真生成声纳工作的环境噪声 水听器通道信号生成仿真生成水听器接收的声信号( 信号+ 噪声+ 混响) 传感器组信号生成仿真生成磁罗盘、温度、深度、倾斜、漏水等信号 其他信息生成仿真生成预处理通道自检结果，a d 自检结果及总自检 结果以及缆长信号 信号预处理仿真信号预处理的各种处理能力，例如格式化、p s 、编 码、调制、驱动放大、收发转换等 表, i - 2 功能模块图 两北丁业大学硕l 学位论文 4 3 目标模拟器的实现技术 既然现代目标模拟器是基于数学建模、计算机仿真和信号处理的原理，那么它的 构造及运行必然建立在计算机与微电子技术的基础上。为了建立一个具体的目标模拟 器，首先是要建立该目标模拟器的系统算法，然后构造一个计算机系统以实现该系统 算法。能够圆满的完成这个任务的计算机系统就是所需要的目标模拟器。 由于计算机系统实现目标模拟器是一个比较复杂的计算机工程问题其复杂性表 现在两个方面：一个方面是目标模拟器( 计算机仿真系统) 的体系结构要匹配于复杂的 仿真算法的载荷要求和用户的使用要求；另一个方面是，系统需要有大量的应用软件 的支持才能运行。单个计算机无法完成复杂的目标模拟任务。显然，必须开发出扩展 的硬件、软件模块来完成仿真的功能。 西北1 二业大学硕 + 学位论文 第五章目标模拟器硬件实现方案 5 1 原目标模拟器硬件方案 图5 - 1 目标模拟器硬件体系结构图 原目标模拟器系统包括一部笔记本计算机和八块模块，其中的海噪声生成模块( n g ) 和信号合成模块( s s ) 均含有高速c p u 芯片。所以这个系统实际上是由多个处理器( c p u ) 组成的多处理器系统，其中笔记本计算机完成较多的功能，并在系统中作为主机处于主 导地位，其余模块相对来说处于从属地位。整个系统是一个主从式结构。 从外形结构上看，由一个笔记本电脑和一个扩展箱组成。扩展箱中安装有八块功能 模块。主要硬件模块部分介绍如下： 笔记本计算机 包括主板、键盘、软驱、l c d 显示器。完成目标轨迹、回波、p i n g e r 信号、d o m e 信息生成( 罗盘、温度、深度、倾斜、漏水、自检结果模拟) 以及缆长信号生成等系 统功能。 海噪声生成( n g ) 把各水听器接收的海噪声视为彼此独立的窄带或宽带高斯噪声，所以可以利用 白噪声激励带通滤波器的方法产生，即 u ( c o ) = r g ( c o ) h ( c o ) 铮n ( t ) = w ( f ) h ( t ) 西北工业大学硕扛学位论文 图52 表示海噪声生成的原理框图，其中带通滤波器的传递函数h ( c o ) 决定了 所需海噪声的谱结构。 h t ) n l “) n 2 “) 图5 2 海噪声生成原理图 分路处理实现由一个噪声源同时获得1 2 个不相关的噪声源。 n g 模块以高性能数字信号处理器( t m s 3 2 0 c 2 5 ) 为核心构成。包括程序存储器 p r a m 、双端口存储器( d d r a m ) 、译码器( d e c o d e ) 以及总线传送接收器。c 2 5 被编程完 成三种信号处理功能：自噪声生成、f i r 滤波器、噪声分路。 信号合成( s s ) 信号合成主要包括三个功能：系统定时和波形定时、信号与噪声叠加、信号分 路。s s 模块也是以t m s 3 2 0 c 2 5 为核心构成的，除了包括程序存储器( p r a m ) 、数据存 储器( d r a m ) 、译码器( d e c o d e ) 和总线传送接收器( b u s t r l 、b u s t r 2 ) 之外，还包括一 个系统定时器( t i m e r ) 和水听器通道译码器( h c d e d o d e ) 。 c 2 5 被编程并在定时器t i m e r 的控制下完成波形综合。波形定时是由c 2 5 的内 部定时器实现的。在定时器t i m e r 控制下，c 2 5 从d d r a m 取噪声，从d r a m 取信号， 并将合成的信号送入后级的十二路水听器信号生成模块。 十二路水听器信号生成( h s g ) 水听器信号生成模块的主要功能是完成十二路水听器信号模拟波形的重建。以 d a c l 2 1 0 芯片为基础构成。一共1 2 个平行的这种处理通道。水听器信号数字样本由 s s 模块的c 2 5 按水听器通道号顺序写入对应的d a c l 2 1 0 的缓冲区中，每写完1 2 个通道信号就等待波形定时一旦产生波形定时中断，1 2 个d a c 通道同时完成数模 转换。 格式化处理( f o r m a t e ) 格式化处理模块以限幅器、移位寄存器、帧频计数器、电子丌关等中小规模数 字电路为基础构成。 西北1 = 业大学顾l 学位论文 系统控制( c t l ) 系统控制功能包括： 主机对各功能模块的控制 主机访问各功能模块存储器或寄存器的译码 v ，模拟器与声纳同步 收发转换及其控制 缆长信号产生 系统控制模块由五个部分组成： 译码电路 控制寄存器 缆长信号产生电路 收发转换及其控制 v ，同步信号生成电路 5 2 原硬件方案出现的问题 随着计算机技术的飞速发展，如今的计算机处理速度和总线传输速度与设计目标模 拟器时相比，已不在同一个量级。无论是在软件或硬件方面，都出现了本质性的技术革 新，造成了不可逾越的技术瓶颈。 c p u 速度成为瓶颈 早期的模拟器主机是一台2 8 6 的笔记本而如今c p u 的处理速度已经达到了 2 5 g ，处理能力得到大幅度的提升，因此不但可以完成以前主机部分的任务，还可 以完成噪声生成，信号叠加的功能。 t m s 3 2 0 c 2 5 芯片停产 德州仪器公司( t i ) 的t m s 3 2 0 c 2 5 芯片已经停产，而t m s 3 2 0 c 5 4 x x 是一个优秀的 1 6 咱i t 定点d s p 系列，在工程界得到广泛的应用。c 5 4 x x 有高度的操作灵活性和几 百m h z 的运行速度，使用改进的哈佛结构，具有专用硬件逻辑的c p u ，片内存储器， 片内外设，以及一个高度专业化的指令集。因此如果用来产生噪声、叠加信号，可 谓是大材小用，而且该部分功能也可以由主机部分完成。如果采用t m s 3 2 0 c 5 4 x x 系 西北t 业大学硕。学位论文 列芯片，无疑会增加模拟器的开发成本和开发周期。 i s a 总线技术即将被淘汰 早期的模拟器采用了i s a 总线传输数据，而目前i s a 总线已面临被淘汰的局面， 微机一致采用p c i 总线，可以获得更好的传输速率。发展中的u s b 技术逐步成熟， 市场占有率及其普及率不断提高，u s b l 1 、u s b 2 0 版本已经得到了广泛的应用。这 些技术都可以取代i s a 总线传输数据。 d o s 操作系统已被淘汰 早期模拟器是在d o s 系统下开发的客户应用软件。可以直接编程控制d o s 系统 的中断、内存、i o 端口。而现在都是使用w i n d o w s 系统，由于w i n d o w s 系统采用了 虚拟机技术，所以控制系统的中断、i o 端口，已不再像d o s 系统下那样简单，需要 涉及到v x d 、w d m 之类的驱动开发工作。 出现了c p l d f p g ac a d 技术 在p a l 、g a l 等逻辑器件的基础之上，发展出了c p l d 、f p g a 芯片。同以往的p a l 、 6 a l 相比，这些芯片规模较大，适合于时序、组合等逻辑电路应用场合，它可以替 代几十甚至上百块通用i c 芯片。因此可以大大简化以往的电路系统。 从这些方面看出，完全可以采用新技术开发出功能相当，而系统更加简洁的目标模 拟器系统。 5 3 改进的硬件方案 1 ) 由于微机c p u 处理能力大大增强，因此可以让主机部分承担如下功能 轨迹生成 回波计算 p i n g e r 信号生成 噪声生成 = ；l ，信号叠加 2 ) 放弃i s a 总线，采用p c i 总线传输数据。 p c i 总线的出现打破了p c 数据传送的瓶颈，她定义了3 2 位数据总线，并可扩展为 6 4 位，使用3 3 m h z 时钟频率，最大数据传输率为1 3 2 2 6 4 m b s ，支持无限读写猝发操 作，支持即插即用，支持并发工作方式。p c i 总线以其优良性能和适应性已成为现代微 机的主流总线。现在开发微机接e 1 设备，通常采用p c i 总线。相比之下，u s b 技术还显 得不够成熟和稳定，加之u s b 开发的复杂程度，所以采用p c i 总线开发目标模拟器比较 稳妥。 3 ) 采用c p l d 技术完成格式化部分的功能。 s 4 硬件方案的扩展 由于模拟器主要用于实验室环境，因此对模拟器的可移动性要求不高。首先在模拟 器的基础上可以开发出比较完善的信号产生系统，为信号处理机提供前端信号：其次，为 了提高模拟器的可移动性，可以采用u s b 技术结合高速的笔记本计算机，开发出便携 式声纳目标模拟器。 两北丁业大学硕卜学位论文 第六章基于p c i 总线的系统硬件设计 现代微机的扩展槽通常有两种接1 3 标准，一种是过去微机常用的i s a 总线，另一种 是i n t e l 公司推出的p c i 总线。p c i 总线的出现打破了p c 数据传送的瓶颈，它定义了 3 2 位数据总线，并可扩展为6 4 位，使用3 3 m h z 时钟频率，最大数据传输率为1 3 2 2 6 4 m b s ，支持无限读写猝发操作，支持即插即用，支持并发工作方式。p c i 总线以其优 良性能和适应性己成为现代微机的主流总线。现在开发微机接口设备，通常采用p c i 总 线。 6 1 系统硬件设计原理 目前p c i 卡的设计一般采用两种方案，一种是根据p