（水声工程专业论文）鱼探仪声纳显示软件的设计与实现.pdf

一一-一一一-一一一一一三j b s 1 r a b s t r a c t t h e f u n c t i o n o f s o n a r d i s p l a y s o f t wa r e d e v e l o p e d i n t h i s t h e s i s i s t o p r e s e n t t h e r e s u l t o f s i g n a l a n d i n f o r ma t i o n p r o c e s s e d b y t h e s u b s y s t e m o n t h e s c r e e n e x a c t l y , a n d t o s u p p l y t h e i n f o r ma t i o n a b o u t t h e o b s e r v i n g fi e l d t o t h e o p e r a t o r . s o t h e s o n a r d i s p l a y s o f t w a r e p l a y s a n i m p o r t a n t r o l e i n d i s p l a y i n g t h e r e s u l t o f s i g n a l a n d i n f o r m a t i o n p r o c e s s i n g s u i t a b l e _ f o r t h e o p e r a t o r s . s u p p o r t e d b y t h e p r o j e c t o f t h e d e s i g n i n g o f t h e d i s p l a y c o n s o l e s o ft w a r e o f f i s h fi n d e r , f i r s t l y , i n t h e s i s t h e t e c h n o l o g y a b o u t f i s h f i n d e r s o n a r d i s p l a y a n d t h e c o n s i s t o f i t h a d b e e n p r e s e n t e d , t h e d e s i g n o f s o n a r d i s p l a y , t r a c e - t o - t r a c e c o r r e l a t i o n a n d g r a y s c a l e d i s p l a y h a d b e e n p r e s e n t e d , a n e w m e t h o d o f g r a y s c a l e b a s e d o n s i g n a l n o i s e r a t i o i s d e v e l o p e d , d i s c u s s i ma g e p r o c e s s i n g t e c h n o l o g y i n o r d e r t o i m p r o v e t h e d i s p l a y ; a n d n e x t , d e v e l o p a s o f t w a r e o f f i s h f in d e r s o n a r d i s p l a y s o f t w a r e b a s e d o n t h e p o i n t s p r e s e n t e d a h e a d , a n d w i t h o b j e c t o r i e n t e d p r o g r a mm i n g ; f i n a l ly , c o m p u t e r s i m u l a t io n h a d b e e n u s e d t o t e s t t h e v a l i d i t y o f s o f t w a r e d e s i g n . t h e k e y p o i n t o f t h e r e s e a r c h i s t h a t , a l t h o u g h t h e d e t e c t i o n p e r f o r m a n c e o f s o n a r s i g n a l p r o c e s s i n g s u b s y s t e m h a s b e e n o p t i m i z e d , t h e r e i s s t i l l s p a c e o f i m p r o v e m e n t , w h i c h c a n b e a c h i e v e d b y t h e me a n s o f d i s p l a y a n d p o s t p r o c e s s i n g . k e y w o r d : f i s h f i n d e r s o n a r t r a c e - t o - t r a c e c o r r e l a t i o n g r a y s c a l e i ma g e e d g e d e t e c t i o n o b j e c t o r i e n t e d p r o g r a mm i n g a c t i v e x c o n t r o l 丁 丁 肠 北落 业 大 争 硕 士论 文 食 食 崔己! 性 旨 刁 寸 = r -廿 1 r 1 研究背景 海 洋 权 利是 国 家 陆 上 领 土向 海 洋 延 伸 形 成的 权 利， 属 于国 家主 权 的 范 畴。 “ 中 国威胁论” 始作俑者主张遏制中国 崛起， 其重点目 标是阻止中国自由 进出 海洋。 行使海洋权利，关系到中华民族未来的生存空间，具备战略上的政治、 经济、安 全和文化利益。 因此中国海洋利益和安全面临空前严峻的形势， 只有加快发展海 洋探测开发技术， 建设能够控制管辖海域及其毗连海域、 走入大洋的基本制海能 力，才 能有效地维 护最根本的国 家利益。 随着海洋探测开发事业的发展， 解决水下目 标的感知和 传递的问 题， 越来越 受到人们的重视。 水声学就是解决海洋中信息的传递和处理的科学。 水声学主要 研究声波在水下的辐射、 传播与接收， 用以解决与水下目标探测和信息传输过程 有关的各种声学问题。作为信息载体的声波， 在海洋中形成声场的时空结构， 成 为近代水声学的基础研究内 容， 而提取海洋中声 场信息的时空结构是我们用来进 行水下探测、识别、通讯及环境监测等的手段， 例如远距离目标探测海洋资源开 发及鱼群探测等。不言而喻， 这些对于国民经济国防建设和科学研究等方面都具 有重要的意义。 上个世纪后半叶， 潜艇等一些舰船的隐身降噪技术取得了巨大的发展， 所以 在低信噪比下的信号处理成为现代水声处理所要解决的问题之一。 如在上世纪六 十年代以后的三十多年中，潜艇的辐射噪声级大约降低了3 5 分贝，潜艇的目标 强度也由于消声瓦和吸声材料的使用降低了大约 1 0分贝。解决这个问题的一个 途径是使用声压水听器阵， 因为声 压水听 器阵能 够较直接且有效的提高水声系统 弱信号检测能力。 拖曳阵就是其成功的典范， 美国在八十年代就发展和部署了警 戒拖线阵系统和战术拖线阵系统。 这些声 压水听 器阵就是利用增大阵列孔径来提 高阵增益， 从而实现对低信噪比目 标的 检测和定向。 近几年来， 随着水下 目 标隐身技术的发展和对水下运动 目 标检测距离要求的 不断增加， 信号工作频率不断降低， 这使得声压水听器只能 在继续增大阵 列孔径 的情况下， 才能有效的对目 标进行估计。 而阵列孔径的增加会带来一系列的问 题， 如实际工程的限制， 成本的 加大， 硬件处理的数据量变大等等， 所有的 这一切都 给其具体的应用带来了困 难。 在民 用方面， 也需要一种既经济又有效的方法来进 肠 北落 业 大 争 硕 士论 文 食 食 崔己! 性 旨 刁 寸 = r -廿 1 r 1 研究背景 海 洋 权 利是 国 家 陆 上 领 土向 海 洋 延 伸 形 成的 权 利， 属 于国 家主 权 的 范 畴。 “ 中 国威胁论” 始作俑者主张遏制中国 崛起， 其重点目 标是阻止中国自由 进出 海洋。 行使海洋权利，关系到中华民族未来的生存空间，具备战略上的政治、 经济、安 全和文化利益。 因此中国海洋利益和安全面临空前严峻的形势， 只有加快发展海 洋探测开发技术， 建设能够控制管辖海域及其毗连海域、 走入大洋的基本制海能 力，才 能有效地维 护最根本的国 家利益。 随着海洋探测开发事业的发展， 解决水下目 标的感知和 传递的问 题， 越来越 受到人们的重视。 水声学就是解决海洋中信息的传递和处理的科学。 水声学主要 研究声波在水下的辐射、 传播与接收， 用以解决与水下目标探测和信息传输过程 有关的各种声学问题。作为信息载体的声波， 在海洋中形成声场的时空结构， 成 为近代水声学的基础研究内 容， 而提取海洋中声 场信息的时空结构是我们用来进 行水下探测、识别、通讯及环境监测等的手段， 例如远距离目标探测海洋资源开 发及鱼群探测等。不言而喻， 这些对于国民经济国防建设和科学研究等方面都具 有重要的意义。 上个世纪后半叶， 潜艇等一些舰船的隐身降噪技术取得了巨大的发展， 所以 在低信噪比下的信号处理成为现代水声处理所要解决的问题之一。 如在上世纪六 十年代以后的三十多年中，潜艇的辐射噪声级大约降低了3 5 分贝，潜艇的目标 强度也由于消声瓦和吸声材料的使用降低了大约 1 0分贝。解决这个问题的一个 途径是使用声压水听器阵， 因为声 压水听 器阵能 够较直接且有效的提高水声系统 弱信号检测能力。 拖曳阵就是其成功的典范， 美国在八十年代就发展和部署了警 戒拖线阵系统和战术拖线阵系统。 这些声 压水听 器阵就是利用增大阵列孔径来提 高阵增益， 从而实现对低信噪比目 标的 检测和定向。 近几年来， 随着水下 目 标隐身技术的发展和对水下运动 目 标检测距离要求的 不断增加， 信号工作频率不断降低， 这使得声压水听器只能 在继续增大阵 列孔径 的情况下， 才能有效的对目 标进行估计。 而阵列孔径的增加会带来一系列的问 题， 如实际工程的限制， 成本的 加大， 硬件处理的数据量变大等等， 所有的 这一切都 给其具体的应用带来了困 难。 在民 用方面， 也需要一种既经济又有效的方法来进 - - - - - - - - - r i 匕 t 态趁 f * l 一一 一 一一 一一 一 行水下目 标的 探测。 如如现代发展迅速的 海上产 业: 捕鱼业， 迫切要求找到一种 既经济又有效的探测 器来进行鱼群探测， 而一般的 线列阵孔径较大、 成本高， 而 且还存在左右弦模糊问题， 不适合于做探鱼设备。 目 前国际上应用声纳技术进行鱼类资 源评估的 应用 研究已经比 较普遍， 并 且 研 制了各种形式的 数据记 录和处理系统p l ， 但是， 对于我国的研究者来说， 国 外 成型 产品的价格昂 贵， 影响了 这项技术的实际应用。 我们购买了一些关键部件组 装了 一套 针对各类鱼群， 舰船等的声纳鱼探仪系统， 进行自 行设计、 开发数据记 录、处理和显示软件。 本文正是依托鱼探仪声纳系统的工程设计项目 ， 从声纳显示的功能和目的， 声 纳的 工作模式， 显示技术等角度出 发， 阐述了 鱼探仪声纳显示软件的设计和实 现过程。 1 . 2鱼探仪系统的组成及其工作流程 1 . 2 . 1鱼探仪系统的组成 本系统采用的硬件设备有数据采集仪，二维压差式矢量水听器， p c机( c r t 显示屏) ，罗盘等。 采用微处理机及其接口电 路将装备在渔船上的导航仪器、网 位仪、水 下 环境测量仪器连同鱼探仪声纳组成一个统一的系统。 1 . 2 . 1 . 1矢量水听器 矢量水听器技术是一种探测水中声能流方向与强度的新技术， 利用矢量水听 器可以获取水下声矢量信号， 为水下信号检测提供更丰富的声场信息。 俄罗斯在 矢量声学，矢量水听器技术及矢量声纳技术方面均处于领先水平、在应用方面， 俄罗斯发展了一系列新的测量技术， 例如可以利用检测海洋动力噪声来测量海浪 的传播方向， 利用矢量传感器精细测量深海环境噪声的垂直指向性等等。 俄罗斯 利用联合接收器的底站系统和浮标系统在日本海、 库页岛、 堪察加半岛以及南中 国海等领域的大陆架和深海深处进行了大量的声强测量，分析的频带多在 1 0一 1 0 0 0 h z ，研究结果表明，与单水听器相比，声强的信噪比可以提高约 1 0 - 2 0 d b . 美国在七十年代初的d i f a r声纳浮标采用偶极子指向性 传感器，就是最早 使用矢量传感器军用矢量声纳的先例。矢量水听器体积小、重量轻、布放方便， 适合于声纳浮标的要求。 而且浮标的自 噪声较低， 其实际性能甚至优于某些舰载 - - - - - - - - - r i 匕 t 态趁 f * l 一一 一 一一 一一 一 行水下目 标的 探测。 如如现代发展迅速的 海上产 业: 捕鱼业， 迫切要求找到一种 既经济又有效的探测 器来进行鱼群探测， 而一般的 线列阵孔径较大、 成本高， 而 且还存在左右弦模糊问题， 不适合于做探鱼设备。 目 前国际上应用声纳技术进行鱼类资 源评估的 应用 研究已经比 较普遍， 并 且 研 制了各种形式的 数据记 录和处理系统p l ， 但是， 对于我国的研究者来说， 国 外 成型 产品的价格昂 贵， 影响了 这项技术的实际应用。 我们购买了一些关键部件组 装了 一套 针对各类鱼群， 舰船等的声纳鱼探仪系统， 进行自 行设计、 开发数据记 录、处理和显示软件。 本文正是依托鱼探仪声纳系统的工程设计项目 ， 从声纳显示的功能和目的， 声 纳的 工作模式， 显示技术等角度出 发， 阐述了 鱼探仪声纳显示软件的设计和实 现过程。 1 . 2鱼探仪系统的组成及其工作流程 1 . 2 . 1鱼探仪系统的组成 本系统采用的硬件设备有数据采集仪，二维压差式矢量水听器， p c机( c r t 显示屏) ，罗盘等。 采用微处理机及其接口电 路将装备在渔船上的导航仪器、网 位仪、水 下 环境测量仪器连同鱼探仪声纳组成一个统一的系统。 1 . 2 . 1 . 1矢量水听器 矢量水听器技术是一种探测水中声能流方向与强度的新技术， 利用矢量水听 器可以获取水下声矢量信号， 为水下信号检测提供更丰富的声场信息。 俄罗斯在 矢量声学，矢量水听器技术及矢量声纳技术方面均处于领先水平、在应用方面， 俄罗斯发展了一系列新的测量技术， 例如可以利用检测海洋动力噪声来测量海浪 的传播方向， 利用矢量传感器精细测量深海环境噪声的垂直指向性等等。 俄罗斯 利用联合接收器的底站系统和浮标系统在日本海、 库页岛、 堪察加半岛以及南中 国海等领域的大陆架和深海深处进行了大量的声强测量，分析的频带多在 1 0一 1 0 0 0 h z ，研究结果表明，与单水听器相比，声强的信噪比可以提高约 1 0 - 2 0 d b . 美国在七十年代初的d i f a r声纳浮标采用偶极子指向性 传感器，就是最早 使用矢量传感器军用矢量声纳的先例。矢量水听器体积小、重量轻、布放方便， 适合于声纳浮标的要求。 而且浮标的自 噪声较低， 其实际性能甚至优于某些舰载 - - - - - - - - - r i 匕 t 态趁 f * l 一一 一 一一 一一 一 行水下目 标的 探测。 如如现代发展迅速的 海上产 业: 捕鱼业， 迫切要求找到一种 既经济又有效的探测 器来进行鱼群探测， 而一般的 线列阵孔径较大、 成本高， 而 且还存在左右弦模糊问题， 不适合于做探鱼设备。 目 前国际上应用声纳技术进行鱼类资 源评估的 应用 研究已经比 较普遍， 并 且 研 制了各种形式的 数据记 录和处理系统p l ， 但是， 对于我国的研究者来说， 国 外 成型 产品的价格昂 贵， 影响了 这项技术的实际应用。 我们购买了一些关键部件组 装了 一套 针对各类鱼群， 舰船等的声纳鱼探仪系统， 进行自 行设计、 开发数据记 录、处理和显示软件。 本文正是依托鱼探仪声纳系统的工程设计项目 ， 从声纳显示的功能和目的， 声 纳的 工作模式， 显示技术等角度出 发， 阐述了 鱼探仪声纳显示软件的设计和实 现过程。 1 . 2鱼探仪系统的组成及其工作流程 1 . 2 . 1鱼探仪系统的组成 本系统采用的硬件设备有数据采集仪，二维压差式矢量水听器， p c机( c r t 显示屏) ，罗盘等。 采用微处理机及其接口电 路将装备在渔船上的导航仪器、网 位仪、水 下 环境测量仪器连同鱼探仪声纳组成一个统一的系统。 1 . 2 . 1 . 1矢量水听器 矢量水听器技术是一种探测水中声能流方向与强度的新技术， 利用矢量水听 器可以获取水下声矢量信号， 为水下信号检测提供更丰富的声场信息。 俄罗斯在 矢量声学，矢量水听器技术及矢量声纳技术方面均处于领先水平、在应用方面， 俄罗斯发展了一系列新的测量技术， 例如可以利用检测海洋动力噪声来测量海浪 的传播方向， 利用矢量传感器精细测量深海环境噪声的垂直指向性等等。 俄罗斯 利用联合接收器的底站系统和浮标系统在日本海、 库页岛、 堪察加半岛以及南中 国海等领域的大陆架和深海深处进行了大量的声强测量，分析的频带多在 1 0一 1 0 0 0 h z ，研究结果表明，与单水听器相比，声强的信噪比可以提高约 1 0 - 2 0 d b . 美国在七十年代初的d i f a r声纳浮标采用偶极子指向性 传感器，就是最早 使用矢量传感器军用矢量声纳的先例。矢量水听器体积小、重量轻、布放方便， 适合于声纳浮标的要求。 而且浮标的自 噪声较低， 其实际性能甚至优于某些舰载 -一-一-一一一 一一f , 1 b .1 声纳系统。 美国 海洋信息技术研究所舰船物理实 验室在加利福尼亚附近海域利用 s w a l l o w浮体和矢量水听器的准垂直线阵测量水下次 声( 低于2 0 h z ) ， 把各阵元以 1 5 0 m的间 距垂直布放在4 0 0 - 1 3 0 0 m的 深度上， 分析频带。 . 6 - 2 0 h z . 结果表明， 对 于舰船辐射的次声分量，声强信噪比 的增益比 单纯的声压测量高3 - 6 d b a 为了 提高潜艇的隐蔽性， 必 须降低 水下航行辐射噪声， 为使噪声降 低到最低 限度， 各国都把减振降 噪置于 重要的 位置之上， 对于核潜艇和常规潜艇分 别实施 减振降噪的方案， 使潜艇的噪 声水平 大大降低， 噪声级基本接近甚至低于 三级海 况， 如美国的s s n 2 1 “ 海狼级” 和俄罗斯改进的“ 阿库拉级” 攻击型战略核潜艇。 以 往 研究实 艇辐射噪声测试问题， 分析处理所用的数据均采自 于 传统的声压水听 器或声 压水听器阵列输出的 信号。 随着减振降 噪技术的发展， 水下运动目 标的 辐 射噪 声水平不断下降， 对辐射噪声测试技术提出了 新的 挑战， 尤其是对低频辐射 噪声的测试。 国内 外的研究结果表明， 矢量水听 器技术是解决 这一问题的有效途 径。 在拖线阵中 使用 矢量水听器可以 改善拖线阵的噪声抑制能力， 消除单次定向 中的 左右舷模糊问 题， 切实改善目 标定位精度， 可以 进行水面舰艇和潜艇分类等。 据资料表明， 美国s u r t a s s 系统中己 经应用矢量水听器技术，并有效地解决了 左右舷模糊的问 题。 前苏联 在八十年代末开始研制矢量水听 器的拖线阵， 并月系 统地研究了 矢量水听器拖线阵的 姿态、 拖曳速度和流噪声对矢量水听器监测性能 的影响等。 在双基地声呐系统中， 矢量水听器得 到了 重视，可以 利用大功率发射 机或者高爆炸药产生的强声源级进行远程探测， 且传播损失相对收发 合置的双程 传播损失要小得多， 再借助于矢量水听器的干扰抑制能 力有可能实现水下弱 信号 检测。 八、 九十 年代俄罗斯在巴 伦支海进行了 多次矢量水听器双基地声纳系 统的 试验，据称取得了满意的结果。 国内矢量水听器及声压振速联合信息处理起步较晚。“ 七五” 期间曾开 展过 偶极子 水听器在航空定向声纳浮标应用上的研制工作( z “ 八五” 期间， 利 用声 压 梯度 水听器阵进行了声 强测量。 目 前正在开展矢量水听器及基阵在鱼雷报警等 方面的 研究。1 9 9 6 - 1 9 9 7 年哈尔滨工程大学的贾志富教授成功制作了同振球型矢 量水听器 3 ， 和双迭片式不动外壳型矢量水听器冈， 基于矢量水听器及联合信息 处理的广阔应用前景，近年来水声界对联合信息处理的关注明显加强。 矢量水听器按其所测量的物理量不同可分为声压梯度水听器、位移水听器、 振速水听器和加速度水听器。 而质点 振速的 测量可以 直接由 振速水听器或通过简 单的 微 积分 电 路由 加 速度 水 听 器 或 位移 水听 器 来 实 现; 质 点 振 速与 声 压 梯 度 ( 瞬 时声压随距离的变化率) 之间又可通过线性欧拉方 程联系起来，于是使用两个互 西儿工止大李硕士抢丈 相靠近并留有间距的声压传感器就可测量出声压梯度并由此导出质点振速。 矢量水听器按其与声场的相互作用方式可分为: 压差型和惯性型。 双声压水 听器和外壳静止型压力梯度水听器都属于压差式的， 压差式矢量水听器响应空间 两点位置上的相位差， 即是基于相位梯度的测量; 惯性型矢量水听器响应其所在 位置处 质点的矢量信息( 如位移、 振速或加速度) ， 依赖其外壳把声场质点的 振动 复 合到 敏感元件上， 从而引 起敏感元件振 动， 所以 惯性型矢量水听器也称为同 振 型矢量水听器。 以上矢量水听器无论是哪一种， 与常规的声压水听器相比最主要的特征和优 点是它的 “ 8 ”字形或称为 “ 余弦形”指向性图，此指向性图在一定的频段内是 与频率无关的，此频率范围 就是关于换能器尺寸的初始假设条件( 振速水听 器的 或两个声压水听器的尺寸比 介质中声波波长小 得多，其间 距也比波一长 小) 仍有效 的范围。“ 声压梯度水听器”和 “ 振速水听器, f 同属于偶极子型换能器，通常这 两种水听器是可互换使用的。 但这两种接收器之间也存在着差别， 例如振速接收 器的输出电压与质点振速成正比， 它的声压灵敏度在 自由场中是个常数， 也就是 说它的灵敏度频率特性曲线是平坦的， 而压力梯度接收器的输出电压 与 压力梯度 成正比， 它的声压灵敏度在自由 场中与 频率成正比， 亦即灵敏度频率特性曲 线具 有每倍频程 6 分 贝的倾斜。 除灵敏度特性曲 线外， 矢量接收器的另外几个重要的 指标是:内 阻抗、 工作 频带及重量尺寸等，如何选用哪一类的矢量水听器与我们所需的工作频段有关， 与背景噪声及系统的结构有关。 根据水听器的空间响应不同，也可将其分为一维、二维、三维 振速、 加速 度、 位移、声压梯度) 矢量水听器，介于运用矢量水听器的最终目的是 获取质点 振 速 信 息， 以 下我 们 将 ( 一 维、 二 维、 三 维 ) 矢 量 水 听 器 及 其与 声 压水 听 器 的 组 合 分别 记为: a v s - v , a v s - 2 v , a v s 一 3 v ; a v s - p v , a v s - p 2 v , a v s - p 3 v等。所有这 些多维组合矢量水听器都是由声压与相应的敏感元件如振速计( 加速度计、位移 计或声 压梯度传感器等) 对称且 相互正交 地组合成同 心的整体。 本文的鱼探仪声纳， 根据工作频带主要在2 0 0 -7 0 0 0 h z ， 我们选择了二 维压 差式矢量水听 器。这种声纳系统与传统的鱼探仪声纳系统相比它的主要优点有二 ( 1 ) 能 够从一个点 对目 标定位， 与频率范围 关系较小; ( 2 ) 能 够更加准确地识别水下目 标和水上目 标; ( 3 ) 具抗干扰性，同时水上航行干扰不减低探测水下目 标的距离; ( 4 ) 可获得水下目 标远距离的探测; 西儿工业大学硕士论又 1 . 2 . 1 . 2显示屏( c r t ) 阴 极射线 管( c a t h o d e r a y t u b e ) 简 称 c r t . 是大信息量显示发展历史 最久的 显示器。 其特殊的性能和成熟的制造t艺使它一直是显示技术中的 金流产品 近 年来，有一种观点认为，c r t将被平板型显示器，特别是液晶显示器所代替 作者认为: 从理论上长远看虽然是可能的，但在可预见的未来，暂时还看不a这 种可能，还没有任何一种显示器元件可以全面取代它。 首先， 它门 一 以用模拟方式驱动，在数字电路全面取代模拟电路以前， 这优 势也不会丧失。其次，它的显示效果极佳，工艺成熟，质量叮靠 ，这也是人所共 知的。最重要的是，近年来，c r t通过不断的自我更新，从不同角度克服了自 身的一些弱点，质量、性能不断提高，使自身的缺点不断被克服。其自身发展 f 要体现在以下几方面 l .提!高分辨率 要提高分辨率，就要提高像素密度，即减小像素尺寸，减小像索i a 1 距。i i 前 主要是通过细束电子枪，小孔距阴罩板实现的，也有用穿透型方法来实现的。 作 为高分辨率彩色 c r t不 仅要在像素制作上下功夫，还需要设法提高 视频显示带 宽。目 前高 达 ! 0 2 4 或 2 0 4 8 分辨率的彩色c r t 都己实现，它们可以 在一个c r t 电脑终端显示器上显示 6 0 0 0个以上字符。 2 . 小型化和大型化 作为典型的电真空器件，我们知道，过小和过大.制作起来都有困难。为了 适应家庭，车载和船载等不同用途，目前制造 3 英寸、3 . 5英寸高清晰彩色c r t 己 不成问 题。为了适应家庭影院， 公众娱乐场所的 需要，2 9 英 抓 3 4英寸 ，甚 至4 2 英 寸的大屏幕彩色 c r t也都己经商品化。 3 . 平面化 为了克服 c r t空间体积大的缺陷，发展平面化的 c r 1 、 也是一个f i 向。这是 与平板显示器竟争的一个重要课题。 它采用电子束弯曲技术使器件作成 一 个扁平 盒状。使用这种平板化 c r t制作的电视机也己上市。 4 提高内在质量 除以 上儿项发展方向外，c r t还从其他各方面设法改进内在质量。例如， 减少反光、眩光的黑色屏幕，提高图像反差的黑色条纹，减小画ff l l 失真，增加视 角的平面方角、超平面方角、纯平面屏幕等技术。正是 c r t本 身的不断更新、 发展、提高刁使其至今仍居霸主地位。 西 北 工 业 大 争项 士 论 又 今后，在相当长的时间内，除平板化、便携式课题 c r t不易解决外，r g b 激光光源在 显示技术方面的 应用诸如彩色、高 清晰 度等万面， c r t都还会有所 发展和提高、因此 c r t的显示霸主地位短期内不会动摇 5 平板b示的日新月异，前程无量 面对 c r t的缺点，如空间体积大、工作电压高、功耗人、刁 、 能和人规模集 成电 路匹配、 软 x射线影响健康等，我们 一 ry . 在追求一种平板i t s ,低 一 、 微i 行 耗、易 j 几 和大规模集成电路匹配，又其有 c r t所有显小优点的新吧枯小器件 自7 0 年代起，随着大规模集成电路的发 展，这一需求卜 趋迫切，促使芥炎平板 显示 器件有如雨 后春笋，日 新月异 迅猛发 展，向c r t提出了 严峻挑钱. 然厂 ! 些平板显示器件诞生很早，由于自身的弱点和缺点，木能) j义 长、发展，1 1 i i i足丫 一 些平 板显示器件以其 独特的 优势发展、 壮大，形成显 . 1 ; 技术中的支支 新秀 综合以 i :. 因素，我们 选择p c 机的同时，选择了c r t显: j 器 2 . 2鱼探仪声纳系统工作流程 鱼探仪依靠声纳可以探测到鱼类的存在和方位， 深度等:依靠z盘给出水 卜 测量点的罗经方位， 温度，俯仰角:由 于声纳的 速度 传感器接 i 输出仗 拟信号 计算机无法接受模拟信号， 故此在系统中添加硬件没备一数3 1 采集仪， 以利 一 角探 仪输出的数据进行模 / 数转换，并暂时 地储存。 计算机每隔一段时间去读取各设 备的测量、 探测数据并 进行分打 、 和处理 再 通过分 析处理后的数据， 得到结果， 最后同 时显示在p c 机c r t荧) w l , u 1 纵 观航行、探测、 捕捞的全局，给捕捞作业带来很大方便。 。这就是 本系 统的简印 工作流程。如图 1 . 1 所示: 西 北 工 业 大 争项 士 论 又 今后，在相当长的时间内，除平板化、便携式课题 c r t不易解决外，r g b 激光光源在 显示技术方面的 应用诸如彩色、高 清晰 度等万面， c r t都还会有所 发展和提高、因此 c r t的显示霸主地位短期内不会动摇 5 平板b示的日新月异，前程无量 面对 c r t的缺点，如空间体积大、工作电压高、功耗人、刁 、 能和人规模集 成电 路匹配、 软 x射线影响健康等，我们 一 ry . 在追求一种平板i t s ,低 一 、 微i 行 耗、易 j 几 和大规模集成电路匹配，又其有 c r t所有显小优点的新吧枯小器件 自7 0 年代起，随着大规模集成电路的发 展，这一需求卜 趋迫切，促使芥炎平板 显示 器件有如雨 后春笋，日 新月异 迅猛发 展，向c r t提出了 严峻挑钱. 然厂 ! 些平板显示器件诞生很早，由于自身的弱点和缺点，木能) j义 长、发展，1 1 i i i足丫 一 些平 板显示器件以其 独特的 优势发展、 壮大，形成显 . 1 ; 技术中的支支 新秀 综合以 i :. 因素，我们 选择p c 机的同时，选择了c r t显: j j c 格式足 将每次扫描输出的信号， 按照时间 顺序并列显示在屏幕上， 侮 一 时刻信号 处理 输 出的结果 与上 一 时刻信号处理输出的结果同时显示在屏幕 上。图中横轴表示方 位， 纵轴表示时间如图 2 . 2 所示， 该图表示将 6 0 0 个不同时刻的信 号处理结果以 灰度的形式并列地显示在屏幕上 州翩卿州 图2 . t 1 时刻a 式显示; j ; ,fi r 图 西北工业大学项士论文 第二章鱼探仪声纳显示控制台页面设计 鱼探仪声纳显示控制台的基本任务是完成对信号处理f 系统的控制管理，人 机交互与目标检测信息的显示。设计鱼探仪卢纳显示控制台，需赞允成砸小格， 显示处理方法，技术参数选择和详细的显示厕面设计。股，h 纳系统儿- 1 模式，即全景处理、嗣丽处理、前波束线谱检测( 细化涪或a l e ) 、译波泉d e m o n 选择的基本原则是一定的显示格式应该与该种信弓处理模式匹能，其目的是使被 选择的显示格式最佳地( 全面、清楚、准确、直观) 表达孩信 处理获得的柄、 信息，同时选择的显示格式应符合国际惯例和人们的视觉习惯。 2 1 鱼探仪声纳的显示方式 2 1 1a 式、b 式显示方式 按照随时俐更新的方式龟探仪声纳显示方式可分为a 式、b 式两种币 方式。a 式显示格式，最示画面总是与每一时刻信号处删输_ ；f | | 对应的。小叫 刻显示画面是完全不同的。如图2 1 所示，图中横轴表示方位或者频率，纵轴表，j i 信号幅度，对于t l ，t 2 两个不同时刻，a 式显示的画面是不同的；b 式显_ 格式足 将每次扫描输出的信号按照时问顺序并列显示在屏幕上，每一t t , t 麦u 信号处删输 出的结果与上一时刻信号处理输出的结果同时显示在屏幕j ：。图中横轴袭吖力 位，纵轴表示时例。如图2 2 所示，该图表示将6 0 0 个不同时刻的信号处理结果以 扶度的形式并列地显示在屏幕上。 1 4 1 2 【t i 时刻a 式艟示，j ：恿h 西北工业大晕硕士论文 图2 2b 式显示示意幽 2 1 2 低频频率分析记录法l o f a r ( l o wf r e q u e n c ya n a l y s i s a n dr e c o r d i n g ) 低频频率分析记录法( 也称l o f a r 显示) 是指用f f t 算法分析单个声纳 接收信号功率涪随时间的变化。输出用荧光屏b 式显式，横轴为频率，纵轴为 时间，亮度表示强度。如图2 3 所示。 幽23l o f a r 显示示意幽 西北工业太季硕士奄又 2 2 声纳信号处理模式与相应的显示格式 2 2 1 显示格式 2 2 1 1 多波束全景处理与多波束全景显示 现代数。式声纳信号检测是在多波束全景盟不器 充战8 ，虽然奉史刨究的 鱼探仪声纳系统不属于多波束声纳系统，但从研究和学习的角度葛虑，返，1 【小妫 讨论下多波束全景处理。多波束的波束形成器输f f 青q 经过频域加权处雕孙| = f i j 域多通道能壁累积器处理后，送多波束全景显示器显永。 全景处i 里的目的是实现全向、全时段警成和对多目标的跟踪。在技术卜依赖 预成多波束，实现全空阳j 覆盖和对每个波束的宽带信号能量榆测隶发观标，为了 能够同时观测方位快变运动的目标和方位慢变运动的目标，鲁1 对令景处矬，设l l 了两种显示格式： b e a r i n g t i m e r e c o r d i n g ：横轴代表方位，纵轴代表时间亮度袭小强 度为b 式狄度显示。如图2 4 所示，该图简称b t r ，用于快变日标移示： b e a r i n g e n e r g y ：对每一个方位各个时刻的数掘进行累加，将结果用a 式强 示，横轴代表方位，纵轴代表信号强度累积结果，如l ：錾| 2 5 所示，浚 习简称b e ， 用于慢变目标显示。 图24 酣r 显示示意蚓 幽25 卧e 显乐小圣。倒 2 2 1 2 扇面处理与扇面显示 扇面处理的目的是实现大扇面( 或全向) 的低频时变线嘴f 1 1 ji 如0 榆批“救 术卜依赖预成的大扇而多波束和对每个波束的谱分析。为1 r 卜i 能q ；拎洲刮 个 扇面中的所有波束的线谱，信号采用了波束并列的f r e q u e n c y t i m e 显1 i 格式 ( 以下简称f 几) 。如图2 6 所示，横轴代表频率，纵轴代表时间，亮度代表强度。 这种显示格式波束指出目标方位，分离波束的f i t 显示格式，指出了目标谱线结构 及其时| 自j 的变化。当采用扇面扫描时，也可以达到全空间扫描和多目标跟踪韵目 的。 同时将f t 图做时间累积，得到f r e q u e n c y p o w e r 。简称f p 横轴代表 频率，纵轴代表时问累积，结果如图2 。7 所示。 幽26f t 显示格式 2 2 1 3z o o mf f t 所i 胃z o o m 的意思，就是进行局部放大 部细化快速傅立叶变换”。 幽2 7f p 显示格式 即所谓“细化”，z o o mf f t 就魁“局 被动声纳窄带信号处理，主要功能是检测目标的低频噪声中的线谱，成分分 析频率范围一般在0 一ik h z ，而频率分辨率根据不同情况为l h z 至l o m h z 。如果 以频率分辨率为l o m h z 计，分析1 0 0 0 h z 频段，要求频率点数为1 0 5 。以抽样频率为 信号最高频率两倍计，要求进行2 1 0 5 点f f t ，这将导致运算过分复杂，f ：i 要求 很大的存贮容量，如果是多通道分时处理，要求的存贮量将更大，这样处理得剑n j 频率点达到1 0 5 ，而实际有用的仅是存在线谱的几个频率附近，这就产生z 0 0 f f l l 的要求。 z o o mf f 、的工作原理是：先将信号进行频谱搬移，将此信号的频谱搬移到0 频率附近，然后对此信号进行抽取和低通滤波，最后对降数掂率之后的f 矗作 f f t ，由此获得比原始信号较高的频率分辨率。对于z o o gf 门的输出结粜，j 以 利用 , o f a r 显示。横轴代表频率，纵轴代表时州，如图2 8 所示，浚图简称z o ( ) m 7 i 。 西北工业大学硕士论文 蚓2 8z o o mf f r 显不不意幽 2 2 1 4 自适应线谱增强器a l e ( a d a p t i v el i n ee n h a n c e r ) 当背景宽带噪声是平稳的白噪声，从检测线谱的能力来看z o o mf f t 的榆 测性能是最佳的。当背景噪声是非白色的( 宽带谱有较大起伏) 或是非平稳时， 检测性能就会下降。而自适应线谱增强器，能够较好地解决这个问题，f 1 遁f 皿线 谱增强器可以用作d f t 的一种替代办法，检测和估计噪声 l 吖n 剥： f ；山堤 供了有f e ；| 的输出信号，用于显示非平稳背景噪声中的微弱曙线，同时还媳有使宽俯 噪声白化，归一的作用。 自适应线谱增强器的工作原理，是利用线谱信号相关函数的周期陛和宽带噪 声相关函数衰减很快的差异来增强信号减少干扰的。首先将待分析字列延迟6 做 为参考信号，并与信号一起送入自适应噪声抵消器，由于参考信b j - l , j 线商戊分1 j 原始信号线谱成分是相关的，而噪声是不相关的，待噪声抵消器达剑稳态后，j e 参 考通道横向滤波器的输出或权系数均可做为线谱增强器的输出，显豕格。为a ， 横轴代表频率，纵轴代表功率谱强度，如图2 9 所示( 该图简称a l e ) 。 望3o ；i 诺z “ 蠡 一麓蒯i 艘_ j拨趟悉r0 龇勰姓_ 图29a i e 显示示意削 2 2 1 5 宽带噪声包络谱分析d e m o n ( d e m o d u l a t i o no fn o i s e ) 螺旋桨叶；剧期地出水而产生的空化现象i 住使得潜蜒：! ： 西北工业太肇硕士论文 频率内( 1 0 0 0 h z 磊：右) 有明显的振幅调制，其基频为螺旋桨_ 频，住d e m o n 分析 中将宽带噪声先经滤波器选择阔制最强的频段，检波后取下包络进行f f t 分析， 并测量显示其基频及各次谐波。d e m o n 的测量主要是提供识别参数，以段通过 测量螺旋桨叶频柬判断目标航速，d e m o n 显示为b 式扶度显_ i 褂式。磺轴代挺 频率，纵轴代表时问，如图2 1 0 所示，陔图简称d e m o n 。 幽21 0d e m o n 显示示意幽 综上所述，声纳显示格式如表2 1 所示。 表21 信号处理模式与显示格式对应表 序号信号处理模式显示格式名称显示格式缩写符号 l全景处i 里全景显示b 式：方位一时问 b t r a 式：方位一能量 1 3 儿 扇丽处理扇面显示b 式：频率一时州 h ”j i a 式：频率一能量f ：j 3单波束细化谱z o o m f f t 显示b 式：z 0 0 lf f tz o o mf f t 图 4 单波束a 1 ea l e 显示a 式：频率一功率 a i 。f 一 0单波束d e m o nd e m o n 显示b 式：d e m o nd e m o n 分析 为 北 工 止 大 单 硕 士 伦 文 2 . 3显示屏功能划分 鱼探仪声纳系统采用单显示器做为显控台， 按鱼探仪声纳系统任务和信号处 理方案， 显示屏实现全景和 扇面显示， 实现单 波束线4 u .测量和单波束d e m o n i i ; 测 髦分析 。 2 . 4页面设计 2 . 4 . 1页面一般结构 声像图的信号处理显示页，均按图 2 . 1 1所示的格式。所有处理的数据，组 成全屏显示页。 每个显 示页面从上到下 划分为两个显示区域， 项上 _ 个 区域的 入 边是日 期与 时1旬 显示和系统概要数 据， 图 标显_ j 右 边是f r y 标数 据撇小， 系 统 _ 们 概要数据的作用是给操作人员指出系统当 前状态， 这样， 操作人员随时都能了 解 大 部分系统的情况， 下面一大块区域是声像图 显示区， 这个卜 _ 域是声 纳信息 、 掀小 的 主体 。 工作 日期 系统概要数据 日标数扼 一一一一一日 一 声像图区 图 2 . l 1 显示页 一 般格式 西 北 工 从 人 学 硕 士 份 又 2 . 4 . 2鱼群搜索页 鱼群搜索页显示格式如图 212 所示: 一一 一深度 2 0 0 4 年 2月3 0卜 1分秒 一 勺 一 一 一 一 个 景 显 不扇 !虹显示 b f r _ 乡卜哎_ 匕日 孔 竺 - - 一 b 3 : f 汀一 ! 一 一 一_ 图2 . 玲鱼群搜索页显示格式示意图 鱼群搜索页包含全景显示和扇面 显示，扇面显示中同时并列3 个f/ t显示， 可以同时显示 3个独立目标的方位，或者同时录取显示同一目标的 3 条潜线。 2 . 4 . 3鱼群发现分析页 鱼群发现分析页格式如图2 . 13 所示 西 北 工 从 人 学 硕 士 份 又 2 . 4 . 2鱼群搜索页 鱼群搜索页显示格式如图 212 所示: 一一 一深度 2 0 0 4 年 2月3 0卜 1分秒 一 勺 一 一 一 一 个 景 显 不扇 !虹显示 b f r _ 乡卜哎_ 匕日 孔 竺 - - 一 b 3 : f 汀一 ! 一 一 示一_ 图2 . 玲鱼群搜索页显示格式示意图 鱼群搜索页包含全景显示和扇面 显示，扇面显示中同时并列3 个f/ t显示， 可以同时显示 3个独立目标的方位，或者同时录取显示同一目标的 3 条潜线。 2 . 4 . 3鱼群发现分析页 鱼群发现分析页格式如图2 . 13 所示 西北工业学硕士论丈 2 0 0 5 年1 月 卜 时分秒 z oom f f 日 de mon 鱼群 位置 z oom f f t1 2 鱼群 位置 z oom 频带 al e l o f ar 频率 z oom f f ti 3_ d emon 频率 图2 .