（水声工程专业论文）基于pci总线的声纳目标模拟系统研究.pdf

西北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h es o n a rt a r g e ts i m u l a t o rs y s t e mi sa l l i m p o r t a n tt e s t i n gd e v i c ep l a y i n ga n i m p o r t a n tr o l ei ns o n a rd e s i g n ，m a n u f a c t u r ea n dm a n i p u l a t i o n i tc a ns i m u l a t et h e s y s t e m e c h od a t a e m p l o y i n gp r o p e rt a r g e tm o d e la n ds e n di t t ot h ep e r i p h e r a l e q u i p m e n t st h r o u g hh a r d w a r eu n i t s ，a i d i n gs o n a rd e v e l o p e ra n dm a i n t a i n e rf o r s t u d y i n ga n dt e s t i n ga c t u a ls o n a rs y s t e m f o rt h et o p i co fs t u d ya n dd e s i g nt h es o n a rt a r g e ts i m u l a t o rc o n f i g u r e df o ro n e s o n a rs y s t e m ，t h ea p p l i c a t i o nb a c k g r o u n da n dp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n ta r ef i r s t l y i n t r o d u c e dw i t ht h es y s t e ms t r u c t u r ea n dm a i n l yt e c h n i c a lp a r a m e t e r s ，t h ec h a r a c t e r so f t h et a r g e te c h oa n dt r a c ki na l lo p e r m i n gm o d e sa r et h e na n a l y z e d ，s u b s e q u e n t l yt h e d e s i g ns c h e m eo ft h ew h o l es y s t e mi sp r e s e n t e dw i t ht h er e a l i z a t i o na n dd e b u g g i n go f t h es o f t - w a r ea n dh a r d w a r e ，f i n a l l yt h ec o n c l u s i o na n de x p e c t a t i o no ft h es t u d yw o r ko f t h i st h e s i sa r ep r e s e n t e d t h ed e t a i l e dw o r kc o n s i s t so ( 1 ) s t u d y i n gt h ec o n c e p t ，s t r u c t u r ea n df u n c t i o no ft h i ss o n a rt a r g e ts i m u l a t o ra sw e l l a st h eg e n e r a t i n gm e c h a n i s m o f t a r g e te c h oa n ds i m u l a t i o no f t h et a r g e tt r a c k ( 2 ) a n a l y z i n gt h et e c h n i c a lp a r a m e t e r so ft h es o n a rt a r g e ts i m u l a t o r , b a s e do nw h i c h p r o p o s i n gt h ew h o l ed e s i g ns c h e m ew i t l li n v e s t i g a t i o na n dp e r f o r m a n c ea n a l y s i s ( 3 ) d e s i g n i n ga n dr e a l i z i n gb o t ht h es o f t w a r ea n dh a r d w a r eo f t h es i m u l a t o r ( 4 ) d e b u g g i n gb o t ht h es o f t w a r ea n dh a r d w a r eo f t h es i m u l a t o r m e a n w h i l et h er e a s o n a n a l y s i sa n ds o l v i n gm e t h o di sg i v e nt ot h ep r o b l e ma r i s e ni nd e b u g g i n gp r o c e s s k e y w o r d s ：s o n a r ，t a r g e ts i m u l a t i o n ，p c i ，s 5 9 3 3 ，e p m 7 1 2 8 ，f i f o ，t a r g e te c h o i i 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 工程应用背景及研究意义 随着反潜战略和海洋开发的极大需求，各种各样的声纳设备已经在军事领域 和经济领域内得到了极其广泛的应用。声纳一词的英文翻译为s o u n dn a v i g a t i o n a n dr a n g i n g ，即声波导航与测距的意思。它主要是利用声波在水下的传播特性， 通过电声转换和信号处理，完成水下目标探测和通讯任务的设备。声纳工作的基 本原理是回声探测法。这个方法是在第一次避界大战期间被研究出来的。用送入 水中的声脉冲探测目标，声脉冲碰到目标就反射回来，返回声源后被记录下来。 如果知道脉冲的往返时间，并且知道声波在水中的传播速度，就可以较精确的测 定出目标的距离。这在军事上有很大的应用价值。目前，声纳设备的主要用途还 是探测潜艇、探测鱼水雷等，所以设计一部性能优良的声纳系统，对于防潜、反 潜都具有非常重大的意义。 模拟仿真技术是当前设备研制、系统试验广泛采用的省时间、省费用、行之 有效的新技术。声纳目标模拟系统是模拟仿真技术与声纳技术相结合的产物，它 通过模拟的方法产生声纳操作面板和显示器所需的各种信号，以便在实际声纳系 统前端不具备的条件下，能够真实地描述声纳的工作状态和过程。计算机技术和 数字技术的不断发展和普及，为研制用于维修和操作训练的声纳目标模拟系统提 供了极大的方便。 所谓声纳目标模拟系统就是一个计算机仿真系统，该系统能生成一组水听器 声信号和一组传感器信号，用来模拟实际声纳水听器阵列接收的目标回波、辅助 传感器组信息及海洋噪声等。其中基阵接收信号包括：目标回波、目标辐射噪声、 混响、海洋噪声等，而传感器生成信号包括：罗盘、温度、深度、倾斜、漏水等。 简而言之，目标模拟系统就是一个声纳接收信号发生系统，用来为声纳设备的检 测提供所需的信号源。以现代仿真技术和数字信号处理技术为基础所研究的目标 西：i ll ：业大学硕士学位论文 第一章绪论 模拟系统，具有重要的研究意义和使用价值。这是因为在声纳设备的研制、使用、 维护等阶段目标模拟系统都发挥着非常重要的作用，如： ( 1 ) 在声纳的研制和验收阶段，可以对新型声纳完成一系列的系统功能调试 及其参数测定。 ( 2 ) 在声纳的使用阶段，可以在实验室定期对声纳设备进行维护测试，可以 用来培养和训i 练声纳操作员。 论文中所要研究的某型声纳目标模拟系统就是专门为某型航空吊放声纳研制 的配套设备，它的研制成功将为该型声纳的测试和维护带来极大的便利，进而缩 短了声纳设备的调试周期，节约了开发成本，具有重大的军事和经济效益。 1 2 论文的主要工作及结构安排 1 2 1 研究内容 潜艇是海军兵力的重要组成部分，在现代海战中起着越来越大的作用，为此 各国海军十分重视潜艇部队的发展。但是，有潜艇就必然存在着反潜，反潜战己 成为现代海战中不可缺少的重要部分。吊放声纳就是反潜战中的一种重要军事装 备，主要用于对潜艇的搜索、跟踪、测向、测距、测速以及目标识别。它利用反 潜直升机机动灵活、能较快飞至潜艇出现海域的特点，可以在短时间内搜索大面 积海域，探潜攻潜。 随着近几年潜艇性能的不断提高，特别是出于探测在浅水区活动的安静潜艇 的需要，各国海军十分重视机载吊放声纳的发展，并通过研制和引进等方式加快 在本国的反潜直升机上部署先进的吊放声纳。某型声纳就是我国第一部独具特色 的低频、扩展体积阵远程航空吊放声纳。它具有重量轻、尺寸小、作用距离远、 频率低以及高技术含量等特点，安装在舰载反潜直升机上，与机载声信号处理系 统共同组成搜潜系统，主要用于对敌潜艇进行搜索、定位和跟踪，并与有关的机 载设备和战术处理系统交联完成探潜任务。 本论文的主要内容就是研究实现与该型吊放声纳设备配套工作的声纳目标模 拟系统，它的研制成功将为该型吊放声纳的生产、调试以及检修提供极大的便利， ， 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 同时，也为反潜装备的发展做出应有的贡献。论文首先介绍了该型声纳目标模拟 系统的应用背景和功能要求，给出了它的一般结构和主要技术指标，然后对各萃串 工作方式下目标回波及目标轨迹的特点进行了分析并提出了系统设计方案，对设 计方案的软、硬件实现及调试进行了详细的介绍，最后是对全文工作的总结。 1 2 2 结构安排 第一章为绪论，介绍了声纳目标模拟系统的概念和作用方法，阐述了某型声 纳目标模拟系统的工程研究背景、意义和论文的主要研究内容。 第二章概要介绍了某型声纳目标模拟系统设计的理论基础，包括该型声纳系 统的工作原理、目标模拟系统的一般结构及主要功能等，并给出了该目标模拟系 统的物理模型，对模型中的一些仿真算法做了详细的分析推导。 第三章首先提出了该型声纳目标模拟系统的主要技术指标，根据技术指标给 出了系统的设计方案及方案的软、硬件分析。同时，对系统方案进行了分析论证。 第四章主要讨论系统硬件部分的设计与实现，给出了模拟系统硬件设计思想、 硬件实现原理，详细地介绍了硬件电路各部分的实现方法并给出了相应的示意图。 同时，对用到的几种主要芯片做了比较全面的说明，包括其功能、特点以及使用 方法。最后对硬件系统的设计结果进行了评估。 第五章主要介绍系统软件部分的设计与实现，首先比较详细地介绍了p c i 驱 动程序的设计方法和常用开发工具，进而讨论了系统的p c i 数据处理板的驱动程 序的具体实现过程：然后给出了可编程逻辑器件的常规设计方法及本系统逻辑电 路的设计实现；最后提出了整个系统应用软件的设计框架，指出了系统软件部分 实现的技巧，并对软件系统的设计结果进行了评估。 第六章讨论了系统调试的方法、遇到的各种问题以及解决问题的办法，对整 个系统的完成情况做了简要说明。 第七章对全文的研究工作进行了总结，提出了今后需要进一步研究的课题和 方向。 西北工业大学硕士学位论文第二章目标模拟系统设计的理论分析 2 1 引言 第二章目标模拟系统设计的理论基础 声纳目标模拟系统是声纳设备研制和日常维护所必须的配套设备，要研究某 型声纳目标模拟系统，首先就必须要搞懂该型声纳设备的工作原理，清楚的知道 该声纳系统是如何工作的，然后要了解目标模拟系统的概念，目标模拟系统的实 现方法以及仿真模型等知识。本章逐一介绍这些基础知识，为后续的研究工作打 下良好的基础。 2 2 声纳系统的工作原理 2 2 1 一般声纳系统工作原理 如今，无论在海面、水下，还是在地上、空中，都布置着各种反潜兵力，如 反潜水面舰艇、反潜潜艇、海岸固定声纳站、电子侦察船、侦察卫星、反潜固定 翼巡逻机以及反潜直升机等，他们在三维空间共同构成了立体反潜体系。 要想发现水下活动的潜艇并且击沉它，探测设备和反潜武器必不可少。目前 回声+ 散射回波 ( 主动) ( 被动) 图2 1声纳工作原理图 朗北工业大学硕士学位论文第二章目标模拟系统设计的理论分析 反潜战最有效的工具还是声纳。那么，什么是声纳? 声纳是利用声波在水下进行 侦察的工具。它主要是利用声波在水下的传播特性，通过电声转换和一些信号处 理的方法，完成对水下目标的探测和通讯等任务的设备。声纳按用途一般可以分 为测距声纳、测向声纳、导航声纳、探雷声纳、通讯声纳、声纳浮标等。 声纳按照工作方式可以分为两大类：主动声纳和被动声纳。主动声纳和被动 声纳工作的基本示意图见图2 1 。 根据声纳工作原理图可以看出，主动声纳是由发射机向水中发射信号，声信 号在水中传播时遇到目标而反射，反射的声信号再由接收机接收，根据声波在水 中的传播速度、发射声信号和接收声信号的时间间隔、声信号返回的方向，就可 以确定水下目标的距离和方位；被动声纳主要包括噪声测向、噪声测距两种，这 种声纳主要依靠检测和接收目标辐射的噪声来完成其测向或测距等工作，声纳本 身并不发射信号。 2 2 2 某型声纳系统的工作原理 为了设计某型声纳设备的目标模拟系统，我们首先了解一下该型声纳的工作 原理。某型声纳属于航空吊放声纳的一种，它是我国第一部独具特色的低频、扩 渺q 传哿 种噪声 海洋 环境 图2 - 2 某型声纳工作原理图 西北工业大学硕士学位论文 第二章目标模拟系统设计的理论分析 展体积阵远程航空吊放声纳。主要由两部分构成，分别为水上部分和水下部分， 水上部分安装在直升飞机上，水下部分需要放到海里。工作时直升机低飞至各预 定点悬停后，通过电缆将水下分机部分吊入水中逐点进行探测，然后把观测到的 数据传到直升机上进行分析处理，最终给出目标的方位、距离等信息，指导反潜 武器的工作。图2 2 所示即为该型声纳设备的简要工作原理图。 由图2 - 2 可以看出，该声纳系统主要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、发射机等几大部分组成。在 实际工作时，收发基阵及传感器组和信号预处理模块需要放入海水中，其余各模 块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模块与机上各系统 的联接和通讯是通过吊放电缆来实现的。 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。这种声纳主要有四种工作方式，分别为：主动方式、被动方式、故障 自检方式、b t 方式。在主动方式下，声纳发射机通过发射换能器基阵发射声波， 声波遇到目标后反射形成回波，接收基阵在接收回波的同时还接受混响和环境噪 声。接收阵接收到的信号和传感器信号经过信号预处理分系统处理，主要是放大、 滤波、限幅、采样、格式化编码、调制、收发转换等处理，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、频移与再采样等工作； 其后的信号处理机进一步处理信号( 例如：波束形成、频谱分析、脉冲压缩等) ， 将处理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。声纳锁定后的目标参数送给雷达 和鱼雷火控系统，为它们提供目标信息。在被动方式下，声纳本身不发射信号， 目标辐射的噪声被声纳接收阵接收，其后的声纳信号处理过程基本与主动方式相 一致，这里不再介绍。 下面简单介绍一下声纳系统的测向和测距原理。 测向基本原理：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2 3 所示的二元基阵，若其间距为d ，则平面波到 西北工业大学硕士学位论文第二章目标模拟系统设计的理论分析 达两阵元的声程差为： 彘= d s i n 口 ( 2 1 ) 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。两接收器接收声压 或输出声压的时间差为： f ：益：生s i n d( 2 2 ) cc 相对应的相位差为： 妒。：2 n f r ：丝：2 n f d s i n 口：2 万要s i n 口 ( 2 _ 3 ) 图2 - 3 一个二元阵图 其中t 2 ( o ，要) 。由( 2 2 ) 、( 2 - 3 ) 式可知，两基元信号的时间差和相位差与目标的 z 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。常用的测向方法有最大值测向、相位法测向、振幅差值测向、相幅法测 向等几种，在这里不再一一介绍了，有兴趣的读者可以参阅相关的文献。 测距基本原理：除了测向之外，测距也是声纳系统所要完成的重要工作之一。 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。 西北工业大学硕士学位论文 第二章目标模拟系统设计的理论分析 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。简单介 绍一下脉冲测距法的原理：脉冲测距法是利用接收回波与发射脉冲信号间的时间 差来测距的方法。若有一目标与换能器的距离为r ，则换能器发射声脉冲经目标 反射后往返传播时间为： r = 2 r c ( 2 - 4 ) 由此，在已知声速c 的情况下，可求得目标的距离为： r = c t 2 ( 2 - 5 ) 因此，只要测得声脉冲的往返时间f ，便可求得目标的距离。 至于其他测距法的原理都比较复杂，也不是论文所研究的主要内容，故在这 里不在赘述。 2 3 目标模拟系统的概念及一般结构 2 3 1 目标模拟系统的概念 所谓声纳目标模拟系统就是一个计算机仿真系统，该系统能生成一组水听器 声信号和一组传感器信号，用来模拟实际声纳水听器阵列接收的目标回波、辅助 传感器组信息及海洋噪声等。其中，基阵接收信号包括：目标回波、目标辐射噪 声、混响、海洋噪声等，而传感器生成信号包括：罗盘、温度、深度、倾斜、漏 水等。简而言之，目标模拟系统就是一个声纳接收信号发生系统，用来为声纳设 备的检测提供所需的信号源。 换句话说，声纳目标模拟系统就仿佛一个黑匣子，它模拟实现了图2 一z 中关 于海洋环境的部分，为声纳系统的接口分机提供所需的信号，为声纳设备的调试 和检修创造了良好的条件。 2 3 2 目标模拟系统的一般结构 目标模拟系统的基本概念就是用人工仿真的信号发生器去模拟实际世界存在 的声纳信号，例如回波、目标辐射噪声、海噪声以及其他传感器的信号，并将它 _ 8 - 西北工业大学硕士学位论文第二章目标模拟系统设计的理论分析 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，目标模拟系统应该有如下的一般结构： 图2 - 4目标模拟系统功能结构图 如图2 - 4 所示，声纳目标模拟系统大致由声纳信号生成模块、目标轨迹生成 模块、辐射噪声生成模块等几个大的模块构成，在实际的工作中，各个模块首先 分别实现自身的功能，然后根据不同的工作方式进行模块的组合，再经过信号的 一系列处理措施，最后输出所需要的仿真信号。简单介绍一下各个模块主要实现 的功能： 一声纳信号生成模块：仿真生成各种主动声纳发射波形，包括信号的包络、脉 宽、频率、调制等参数。 _ 目标轨迹生成模块：仿真各种目标的运动轨迹，实时计算出目标的方位、距 离等信息。 回波信号生成模块：针对不同的发射信号，在目标特定的运动轨迹下，仿真 出对应的回波信号。 目标辐射噪声生成模块：仿真生成被动声纳目标辐射的噪声信号。 海噪声模块：仿真生成声纳工作的环境噪声。 传感器组信号生成模块：仿真产生磁罗盘、温度、深度、倾斜、漏水等信号。 混响生成模块 其他信息生成模块 西北工业大学硕士学位论文第二章目标模拟系统设计的理论分析 2 4 目标模拟系统的主要功能 声纳目标模拟系统是声纳系统的重要测试设备，它的基本功能是模拟生成声 纳探头水听器阵列接收的目标回波、辅助传感器组信息及海洋噪声等信号，并向 声纳系统提供这些信号作功能检查或性能测试之用。如果全部采用外场测试，将 耗费大量的人力、物力、财力，而且也受到天气状况等客观条件的影响。因而以 现代仿真技术和数字信号处理技术为基础所研制的声纳目标模拟系统，以其灵活 性和低成本得到广泛的应用。 论文研究最终所要设计完成的某型声纳目标模拟系统所要实现的基本功能就 是产生一种与该型声纳工作期间在解调单元输入端相同的信号。概括起来主要功 能有： 多个通道的目标回波产生 一 多个通道的环境噪声产生 _ d o m e 信息的设爱 一仿真信号的格式化 一 目标参数的实时显示 一 目标模拟系统与声纳设备的交联 2 5 目标模拟系统的仿真模型 在这里首先简单介绍一些关于建立系统模型的概念。建立系统模型的过程， 又称模型化。建模是研究系统的重要手段和前提。凡是用模型描述系统的因果关 系或相互关系的过程都属于建模。建模就是一个实际系统模型化的过程。实际系 统的种类繁多，试图描述的关系各异，所以实现这一过程的手段和方法也是多种 多样的。可以通过对系统本身运动规德的分析，根据事物的机理来建模；也可以 通过对系统的实验或统计数据的处理，并根据关于系统的已有的知识和经验来建 模。 由于声纳目标模拟系统是一个计算机仿真系统，它的理论基础是水声理论、 计算机仿真理论与数字信号处理理论。目标模拟系统的研究需要涉及到很多的物 西北工业大学硕士学位论文第二章目标模拟系统设计的理论分析 理模型及由其导出的数学模型，包括建立声纳信号的数学模型、信号传播的信道 模型、目标模型、目标动力学模型以及环境噪声等模型。每个模型都是整个目标 模拟系统的一部分，分别为实现不同的功能所建立。图2 5 给出了目标模拟系统 的物理模型，这个模型较为真实的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。 散射体 图2 - 5目标模拟系统物理模型图 接下来将对所要研究的目标模拟系统中用到的几个数学仿真模型作以详细地 介绍，它们主要包括目标轨迹模型、目标回波模型以及环境噪声模型等。其中目 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。目标轨迹模型包括：静止、圆和直线三种轨迹算法。目标回波定义为发 射波形经过目标反射后延迟和多普勒频移后的复现波形。由于发射波波形主要有 c w 和f m 信号，与之相对应的回波也就有两种形式。下面详细介绍一下这些仿 真模型的实现： 2 5 1 目标轨迹算法 ( 1 ) 静止轨迹 此时目标处于静止状态，所有的目标参数都保持不变。一旦给定目标的初始 距离与方位( r 。，o 。) ，该目标轨迹就完全确定了。对于此种轨迹有： 多普勒径向速度：以= 0 目标距离：砖( o ) = r 。 西北工业大学硕士学位论文 第二章目标模拟系统设计的理论分析 目标方位：0 ，( o ) = o o ( 2 ) 圆周运动 对于目标进行圆周运动的情况，可以很容易地推导出目标的距离固定不变， 径向多谱勒速度恒等于零。变化的只有目标的方位这个参数。 假定目标的初始距离和方位分别是风、岛，匀速圆周运动速度为，相继 的轨迹次序为k ，k = 0 , 1 2 ，可以推出： 多普勒径向速度：p = 0 目标距离：r ，( k ) = r 。 初始目标方位：o r ( k ) i 。：0 - 吼 假定声纳的距离扫描周期是b 一个距离扫描周期内目标的步距角为0 ，0 ，= ( ，民) + 巧 目标在相继轨迹点的方位角：岛( k ) = 口，( o ) + k4 0 ， ( 3 ) 直线运动 对于目标做直线运动的情况，目标轨迹计算相对比较复杂一些，因为三个参 量都在实时的变化，下面详细地进行一下推导： 假定目标的初始距离和方位分别是月，( 0 ) 、易( o ) ，目标航行的速度为_ ，目 标的航向为妒，声纳距离扫描周期耳相继的轨迹点的次序为k ，k = 0 12 一在 一个声纳扫描周期l ，内匀速运动的步长为l 。，l 。= + 耳。根据以上这些假设， 我们可以推出以下结果： 根据坐标转换关系，在直角坐标系下，假设目标的初始位置为扎、y o ，两 个方向的运动步长分别为三“、工s r ，则有： x o = r r ( o ) + s i n o r ( o ) = 月7 ( o ) 4 c o s 岛( o ) 1 ， 西北工业大学硕士学位论文 第二章目标模拟系统设计的理论分析 三“= l s4 s i n ( p 上s y = l s + c o s ( o 可以进一步推出声纳相继发射时( k ，k = o ，l 2 ) ，目标所在的位置： 巧( k ) = z o + k + 口 乃( k ) = y o + k + l s y t r ，( k ) = 佤覆而 r 臼r ( k ) = a r c s i n ( t x ( k ) t r 7 ( k ) ) 根据这些结果，可以推出目标在被声波打中时的轨迹如下( 假设靠表示声纳 第k 次发射到遇到目标时的时间) 。 x ，( k ) = 瓦( k ) + 瓦+ 4 s i n o ( k ) = 0 ( k ) + & + ，+ c o s ( , o 进一步转换成极坐标，可以得出当发射波遇到目标那一刻时目标的轨迹为： 多普勒径向速度：y a k ) = 巧+ c o s ( p o r ( k ) ) 目标距离：r r ( k ) = x ；( k ) + 坪( k ) 目标方位：0 r ( k ) = a r c s i n ( x r ( k ) r 7 ( k ) ) 根据上述一系列的推导，我们可以得出直线运动情况下目标轨迹的递推算法： 首先给定初始目标位置r r ( o ) 、o r ( o ) ，目标航行的速度，目标的航向妒， 根据前半部分的推导可以得出每次发射声波时目标所在位置瓦( k ) 、t r ( k ) ，再 根据后半部分的推导可以算出与之对应的目标的新一点的位置x ，( k ) 、y t ( k ) ， 进而算出轨迹新一点的极坐标参数：r r ( k ) 、o r 伍) 以及一( k ) 。由此，我们就 可以计算出目标在遇到回波的不同时刻所处的位置，为回波参数的计算提供一定 的依据。 西北工业大学硕士学位论文第二章目标模拟系统设计的理论分析 2 5 - 2 仿真回波算法 由声学理论可知，当发射声波在传播途中遇到障碍物时，会在物体的表面激 发起次声源，并向周围介质中辐射次声波，习惯上将这些次声波统称为散射波。 散射波中，返回声源方向的那部分波，称为目标回波。 利用目标回波来获取水下目标的信息、进行目标的识别及探测是分析水下目 标特性的一种非常重要的手段，所以对目标模拟系统的设计来说，回波的分析也 是至关重要的。 针对慢起伏点目标模型和无失真信道，可以根据已有的资料得出回波表达式 如下： 对于发射信号为c w 信号所建立的目标回波表达式： s o ) = w ( j ) a ( t f 。) c o s 2 n ( f o 一厶) ( f f ，( 口) ) j = 1 2 1 6 式中： w ( j ) 基阵遮蔽因子 口( f ) 一信号包络 对于矩形包络日( r ) = r e c t ( t t ) ，x , 日 - ：i t ：c o s2 包络口( f ) = c o s 2 ；( f t 2 ) f r 一目标距离时延 f r = 2 r c 一载频 厶一多普勒频移 厶= 2 ，c c ， 一一目标径向运行速度， c 一声速 r ，( 臼) 一阵元位置不同所引入的时延 0 一声波入射舷角。 x , j t 发射信号为双曲调频信号所建立的目标回波表达式： 即酬字) c 0 s 【2 批_ 枞l n ( 1 一竺笔竺娘j 6 西北工业大学硕士学位论文第二章目标模拟系统设计的理论分析 2 5 3 海噪声的生成算法 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，可以利用自 噪声激励带通滤波器的方法产生，即有： n ( a o = ) h ( c o ) n ( t ) = w ( d $ 矗p ) 由上述表达式可以看出，根据所需噪声的特性设计一个合适的带通滤波器， 然后让白噪声通过这个滤波器，就可以产生需要的噪声信号。再经过一定的分路 处理，就能实现由一个噪声源同时获得1 6 个不相关的噪声源。图2 - 6 给出了系统 实现的原理框图。 广一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一 i 图2 - 6 海噪声生成原理框图 2 6 本童小结 本章首先概要介绍了一般声纳系统的工作原理，给出了声纳系统的几种常规 工作方式，接着详细介绍了所要设计目标模拟系统的某型声纳的系统结构、测向 及测距原理等内容。最后是关于声纳目标模拟系统基本概念、一般结构以及具体 的仿真模型的讨论，这些内容的介绍为后续论文的研究工作奠定了理论基础。 西北工业大学硕士学位论文 第三章模拟系统的技术指标及设计方案 3 1 引言 第三章模拟系统的技术指标及设计方案 指标是指衡量系统性能的各项参数。一般声纳设计者最关心的就是战术指标 和技术指标。所谓战术指标，是反映和表征战术性能的那些参数，例如作用距离、 定位精度、分辨率等，战术指标通常由作战和使用部门下达。而技术指标是为确 保战术指标的实现，系统应具有的技术参数。因此，在研究设计某型声纳目标模 拟系统之前，需要首先分析使用部门提出的战术指标，根据战术指标给出可以实 现的技术指标，再根据技术指标来指导我们做出整个系统的设计方案，最终保证 设计完成的模拟系统能够达到使用部门的要求。 3 _ 2 主要技术指标介绍 ( 1 ) 目标运动轨迹 目标轨迹：静止状态、直线运动、圆周运动 初始距离：可以在相应的距离量程内任意设置 初始方位：可以在 0 ，3 6 0 度 范围内任意设置 目标速度：可以在 一4 5 ，+ 4 5 节 范围内适当的设置 目标航向：可以在 0 ，3 6 0 度 范围内任意设置 ( 2 ) 回波参数 回波波形：c w c o s 2 f m 距离量程：2 0 4 0 8 0 1 4 0 2 0 0 链 中心频率：f c l f c 2 f c 3 脉冲宽度：6 2 5 2 5 1 0 0 4 0 0 1 6 0 0 毫秒 多普勒频移：与目标轨迹相对应 西北工业大学硕士学位论文第三章模拟系统的技术指标及设计方案 ( 3 ) 海洋噪声 噪声性质：无窄带噪声宽带噪声 ( 4 ) d 0 i e 信息 罗盘：可以在 0 ，3 6 0 度 范围内任意设置 温度：可以在 o ，3 0 摄氏度 范围内任意设置 缆长：可以在 0 ，3 5 0 米 范围内任意设置 倾斜：正常倾斜，可以任意设置 漏水：正常漏水，可以任意设置 自检：正常故障，可以任意设置 ( 5 ) 格式化 采样频率：1 0 k h z 采样周期：1 0 0 u s 编码方式：差分编码 位速率：3 m b i t s 帧格式：2 5 字帧 主帧同步字：0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 1 次帧同步字：1 1 0 l 料：l ：料料 ( 传感器通道编号) 帧格式划分 ts=100us(25字1 - 主帻 次帧i c h l i ch 2 1 l c h l e 传感器通道 空i 同步字l 数据i 校验 一_ - 一水听器数据( 1 6 字) -温度、压力、倾 一命令数据+ 斜等传感器信号 7 2 u s ( 1 8 字、+ - 2 4 u s ( 6 字) - ( 6 ) 操作与显示 操作方式：菜单操作，基于w i n 2 0 0 0 的图形方式 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 菜单操作显示页：包括主菜单和弹出式参数选择菜单 实时运行显示：分区显示，左半面显示目标运动轨迹，右半面为参数实时 显示窗口。 1 7 西北工业大学硕士学位论文 第三章模拟系统的技术指标及设计方案 3 3 系统设计方案 某型声纳目标模拟系统是专门为与之对应的声纳系统所服务的，早期的声纳 模拟系统一般多采用硬件占主导的方式来实现，这是因为当时的计算机技术、数 字仿真技术正处于发展阶段，还不够成熟。采用硬件占主导的方式，它的最大优 点就是工作比较稳定，其缺点主要是开发周期比较长，灵活性比较差。计算机软、 硬件技术的飞速发展以及现代仿真技术的同趋成熟，为目标模拟系统的设计带来 了很大的益处。如今，设计目标模拟系统就可以尽量地简化硬件部分，由普通的 p c 机来完成大量的工作，做到既节约开发成本，又增加系统的灵活性。下面介绍 一下整个系统的设计方案。 3 3 1 设计方案 系统的设计方案：为了尽量简化外围电路设计，缩短模拟系统的开发周期， 降低系统成本，增加系统的灵活性，整个系统的设计思想是充分利用通用计算机 的高性能，让计算机完成较多的仿真工作，硬件部分只需设计一块数据输出板卡 和搭建一些必要的外围电路。图3 - 1 即为所设计的某型声纳目标模拟系统的结构 框图： 女 一 格式化 卜 尸 通用计叫 调制驱动r 纳 算机 k 一 p c i 接 ( p c ) 总线 口 d 收发转换仁 l 分 _ 机 p c i 数据处理擞 图3 1 模拟系统结构框图 由图3 - 1 可以看出，整个系统是基于通用计算机平台外加部分硬件电路构成 的。通用计算机是系统的基础，通过它可以完成目标轨迹计算、噪声生成、回波 生成、信号合成等很多系统功能，同时还提供友好的计算机操作界面，为用户提 供方便的操作特性，使用户能够灵活的控制整个模拟系统的运行。p c i 数据处理 西北工业大学硕士学位论文 第三章模拟系统的技术指标及设计方案 板及部分外围电路完成主机与外界的数据传输、数据的并串转换、差分编码以及 和声纳接口分机的信号匹配任务。由于该方案是以计算机为核心所设计的系统， 较大程度上简化了硬件电路。 以上介绍了目标模拟系统的设计思想及系统组成，接下来介绍一下目标模拟 系统软件部分和硬件部分的主要工作。如图3 2 可以看出，系统软件部分的工作 量还是比较大的，主要包括应用软件框架的设计、p c i 板卡驱动程序的设计、c p l d 逻辑器件程序设计和各种仿真信号的算法设计。每一部分的软件实现都需要在相 应的编译环境下来完成，这就需要掌握比较多的开发环境，包括c + + b u i i d e r 、 m a ) ( + p l u s i i 、w i n d r i v e r 等开发环境，时间有些紧张。硬件设计主要是p c i 数据 发送卡的设计和外围接口电路的设计，p c i 卡的设计可能相对难度比较大一些， 涉及到一些计算机底层的开发。 图3 2 模拟系统软硬件工作框图 3 32 设计方案硬件分析 由上述的系统设计方案可知，系统硬件部分的主体是一块p c i 数据处理板， 完成数据的缓存、并串转化、差分编码等功能，然后按照某型声纳设备接口分机 的要求把处理好的数据送到声纳系统进行调试。 目前p c i 卡的设计一般采用两种方案，种是根据p c i 协议在f p g a 或c p l d 中实现p c i 总线接口控制器，但是由于p c i 协议的复杂性，使得开发难度大，周 - 1 9 - 西北工业大学硕士学位论文 第三章模拟系统的技术指标及设计方案 期长，而且很难在短期内达到系统稳定，这种方法比较适合于大批量生产的情况。 对于一般的开发者来说，大都使用现成的p c i 接口芯片，目前市场上常见的有a m c c 的$ 5 9 3 3 ，p l x 的9 0 5 4 、9 0 5 2 等。结合具体设计的需要，我们选择了a m c c 公司的 $ 5 9 3 3 作为p c i 接口控制器来开发p c i 总线，这种芯片是功能强大的p c i 控制芯 片，支持各种层次的接口环境。在最低级别，$ 5 9 3 3 可以作为一个简单的p c i 总 线从设备接口。在高层应用中，$ 5 9 3 3 可以充当主设备接口，最大传送速率可以 达到1 3 2 m b s ( 3 2 位数据总线) 。根据分析和讨论，最终决定采用a m c c 公司的$ 5 9 3 3 来开发p c i 板卡。 选好p c i 接口控制芯片之后，开始考虑整个系统的逻辑实现。在逻辑实现部 分，目前广泛采用f p g a 或者c p l d 来实现，这是因为这种可编程逻辑器件具有功 耗低、集成度高、速度快、开发周期短、费用低、用户可定义功能及可重复编程 和擦写等众多的优点。在这个系统中，选择c p l d 来实现逻辑功能。选用的c p l d 是a l t e r a 公司的e p m 7 1 2 8 s t c l 0 0 1 0 芯片，这种芯片有如下的指标：e p m 7 1 2 8 是 可编程的大规模逻辑器件，为a l t e r a 公司的m a x 7 0 0 0 系列产品，具有高阻抗、电 可擦等特点，可用门单元为2 5 0 0 个，管脚间最大延迟为5 n s ，工作电压为+ 5 v 。 最后是选择较深的外部f i f o ，这是因为根据声纳设备自身的要求，接口分机 在一段时间内需要接收连续的数据，爿能进行良好的工作。但是由于计算机系统 每次分配给应用程序使用的内存空间非常有限，不可能连续不断的输出数据，中 间需要不停的产生中断过程。所以需要外扩较深的f i f o 芯片来保证输出数据的连 圃一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一 圈= + + 匝囹+ 回 l 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一j 图3 - 3 模拟系统硬件组成结构图 - 2 0 西北工业大学硕士学位论文第三章模拟系统的技术指标及设计方案 续性a 这里选择c y p r e s s 公司生产的c y 7 c 4 2 7 5 芯片，它是3 2 k x1 8 位的先进先出 存贮芯片，可异步和同步读写。数据的输入由写使能和写时钟共同控制，数据的 输出由读使能和读时钟联合控制。该芯片具有两个确定的状态信号，空标志( e f t ) 和满标志( f f # ) ；两个可编程的状态信号，将空标志( p a e ) 和将满标志( p a f ) ， 一个半满信号( h f # ) 。同时，该芯片还可以进行深度和宽度的扩展。根据以上分 析，给出硬件组成结构图如3 3 所示。 3 3 3 设计方案软件分析 根据系统设计方案所知，系统的软件设计包括的内容比较多，分别为目标回 波的仿真、目标轨迹的仿真、应用程序框架的设计、p c i 板卡驱动程序设计以及 可编程逻辑器件的软件设计等。 对于目标回波、目标轨迹等仿真信号的算法我们主要采用c 语言来实现，这 是因为一方面c 语言是一种非常优秀的编程语言，它有着众多的优点，例如简单 易学，容易掌握；兼备高级语言与低级语言的优点，属于一种中间语言；有较丰 富的数据类型、运算符以及函数供以选用等。另一方面是因为早期的模拟系统主 要也是采用c 语言和汇编语言来实现的，我们可以借鉴早期模拟系统很多的算法 结构，为我们的软件设计提供很大的帮助，也在定程度上缩短了开发周期。至 于整个应用软件的框架，选用c + + b u i i d e r 平台来设计，c + + b u i i d e r 编译器是一 完善的可视化应用程序开发工具，可以使程序员从繁重的代码编写中解放出来， 使他们能将注意力重点放在程序的设计上，而不是简单的重复的劳动中。同时， 它提供的完全可视的程序界面开发工具，从而使程序员对开发工具的学习周期大 大缩短。 设备驱动程序是指管理p c 机某个外围设备的一段代码。设计设备驱动程序主 要面临的问题是如何进行硬件操作，这要根据设备的具体应用而定。虽然硬件驱 动程序的功能干差万别，但其基本功能是差不多的，主要是完成设备的初始化、 对端口的读写操作、中断的设置、响应和调用以及对内存的直接读写等等。开发 p c i 卡驱动程序的开发工具目前有很多，如d d k 、v t o o l s d 、d s 、w i n d r i v e r 等， 我们选用了比较成熟的开发工具w i n d r i v e r 来开发。它是一套p c i 驱动程序丌发 西北工业大学硕士学位论文 第三章模拟系统的技术指标及设计方案 包，它改变了传统驱动程序开发的方法与思路，极大地简化了驱动程序的编制， 特别适合专业硬件人员使用。 接下来是关于可编程逻辑器件c p l d 的软件设计，由于我们选用的是a l t e r a 公司的c p l d 芯片，所以软件设计也采用a l t e r a 公司的m a x + p l u s i i 编译器来设计 实现。m a x + p l u s i i 编译器的设计输入方法有多种，主要包括原理图输入、硬件描 述语言输入和波形设计输入等。一般比较常用的就是原理图输入法和硬件描述语 言输入法。原理图设计是按照软件提供的各种原理图库设计输入的一种最直观的 输入方式，设计比较简单。原理图输入法效率较低，但容易仿真，便于信号的观 察以及电路的调整。硬件描述语言是一种编译软件能够识别的描述逻辑电路的方 法，采用硬件描述语言的优点是效率较高，也比较容易仿真，但不够直观。目前 这种方法应用也比较广泛。在本设计中，将采用原理图输入法来实现c p l d 的编程。 根据以上的分析，给出软件组成结构图： e 困一一一一一一一一一一一一一一一一一一 一一 图3 4 模拟系统软件组成结构图 3 4 方案的性能分析 某型声纳目标模拟系统是在借鉴早期模拟系统的基础上设计实现的，在本系 统设计之前，我们首先对早期目标模拟系统进行了分析和学习，也发现了我们现 行设计时可以改进的地方有： 早期的模拟系统采用的笔记本计算机处理速度太慢，需要