（物理电子学专业论文）声纳模拟器及显控软件的研究与开发.pdf

摘要 摘要 声纳模拟器是计算机仿真技术在声纳工程中的应用，它利用海洋环境的数 学建模、声波的传播及混响模型等模拟声纳基阵的各路阵元实际接收的信号。 并通过高速光纤、反射内存网等实时网络将数据发送到后端的仿真设备。本文 围绕某项目中卢纳模拟器的研制，对声纳模拟器建模中的基础理论、工程实现 及显控软件的设计等问题进行了研究，从而构建水声环境平台，为后端的仿真 设备提供必要的模型数据，并在仿真显控台直观的输出棚应的波形及仿真念势。 显控软件通过以太网接口控制各仿真设备的运行及同步，并发送控制参数， 获取仿真结果。采用u d p i p 协议，简单的实现点对点通信及数据的广播发送。 软件还具有数据库访问的能力，利用a d o 简洁高效的实现对o r c l e 数据库的 访问操作。在仿真过程中绘制多个波形及态势，并支持鼠标缩放、拖动操作。 通过合理地为丌销较大的图形界面开辟新的界面线程，从而解决了实时界面刷 新不流畅的问题。在软件开发的过程中，渗透了一些软件工程化设计的思想。 使用g r i d c t r l 、c j l i b r a r y 等软构件快速高效的组建应用程序，缩短了开发周期， 提高了软件的可靠性。并在程序开发过程中创建了一些新的软构件如 c d r a w c t r l 、c n e t u d p 等，进一步提高软件的可复用性。 经过验收测试，本模拟器及垃控软件基本满足各项指标要求。 关键字：声纳模拟器反射内存网显控软件软构件 a b s t m a a b s t r a c t s o n a rs i m u l a t o ri sak i n do fc o m p u t e rs i m u l a t i o nt e c h n o l o g yw h i c hi sa p p l i e dt o s o n a re n g i n e e r i n g i tm a k e su s e do fm a t h e m a t i c a lm o d e l i n gi nm a r i n ea c o u s t i c s ， p r o p a g a t i o nm o d e lo fa c o u s t i cw a v ea n dm a r i n er e v e r b e r a t i o nt os i m u l a t et h es i g n a l r e c e i v e db ye a c he l e m e n to ft h es o n a r a n ds e n d si tt ot h en e x ts i m u l a t i o ne q u i p m e n t w i t hr e a l - t i m en e t w o r ks u c ha s h i g h - - s p e e do p t i c a lf i b r i na n dr e f l e c t i v em e m o r y n e t w o r k t h ep a p e rm a k e ss c i e n t i f i cr e s e a r c ho nt h e f o u n d a t i o nt h e o r yi nt h e m o d e l i n go fs o n a rs i m u l a t o r 、e n g i n e e r i n gr e a l i z a t i o na n dt h ed e s i g no fd i s p l a y c o n s o l es o f t w a r e ，a r o u n dt h ed e v e l o p m e n to fs o n a rs i m u l a t o ri ns o m ep r o j e c t a n d b u i l d sap l a t f o r mw i t hu n d e r w a t e ra c o u s t i ce n v i r o n m e n t ，w h i c hp r o v i d e st h e n e c e s s a r ym o d e l i n gd a t af o rt h es i m u l a t i n gd e v i c e sa f t e r w a r da n dd i s p l a y st h e c o r r e s p o n d i n gw a v e f o r m sa n dp o s t u r e so nt h es i m u l a t i n gd i s p l a yc o n s o l e t h ed i s p l a yc o n s o l es o f t w a r ec o n t r o l st h er u n n i n ga n ds y n c h r o n i z a t i o no fe a c h s i m u l a t i n gd e v i c et h r o u g he t h e m e ti n t e r f a c e ，a n ds e n d so u tc o n t r o l l i n gp a r a m e t e ra n d r e c e i v e st h es i m u l a t i n go u t c o m e i tc o u l dr e a l i z ep o i n tt o p o i n tc o m m u n i c a t i o n s i m p l ya n db r o a d c a s tt h ed a t ab yu d p i pp r o t o c 0 1 i na d d i t i o n , t h es o f t w a r ea l s oh a s t h ec a p a b i l i t yt oa c c e s sd a t a b a s e u s i n ga d o ，i tr e a l i z e st h ea c c e s st oo r a c l e d a t a b a s ee a s i l ya n de f f e c t i v e l y s i n c et h e r ea r em a n yw a v e f o r m sa n dp o s t u r e st h a t n e e d sd i s p l a yc o n s o l es o f t w a r et op a i n ta n de v e r yg r a p h i cf i l eh a sa l a r g ea m o u n to f d a t a , i t sd i f f i c u l t yf o rt h es o f t w a r ei n t e r f a c et or e f r e s h t os o l v et h ep r o b l e mo f d i s c o n t i n u o u sr e f r e s ho fr e a l t i m ei n t e r f a c e ，t h es o f t w a r ec r e a t ei n t e r f a c et h r e a d s r e a s o n a b l yf o rt h o s eg r a p h i ci n t e r f a c ew h i c hc o s tt o om u c h i no r d e rt oi m p r o v e s o f t w a r e d e v e l o p m e n te f f i c i e n c y , t h i sp a p e ra d o p ts o m et h o u g h to fs o f t w a r e e n g i n e e r i n gi m p l e m e n t a t i o n a n di tm a k e sp r o g r a m m i n gm o r eq u i c k l ya n d e f f i c i e n t l ys i n c es o f t w a r ec o m p o n e n ti sa p p l i e ds u c ha sg r i d c t r la n dc j l i b r a r y s o m e n e ws o f t w a r ec o m p o n e n t sa r ec r e a t e d ，s u c ha sc d r a w c t r la n dc n e t u d p , t h a t i m p r o v e dt h er e u s a b i l i t yo ft h es o f t w a r e t h es i m u l a t o ra n dc o n s o l es o f t w a r ea r ep r o v e dp e r f e c tw h e ni tw a si n s p e c t e d a b s t r a c t a n de v a l u a t e d k e yw o r d s ：s o n a rt a r g e ts i m u l a t o r , r e f l e c t i v em e m o r yn e t w o r k , d i s p l a y c o n s o l es o f t w a r e ，s o f t w a r ec o m p o n e n t s i i i ， l 绪论 1 绪论 本章主要论述声纳模拟器数字仿真系统的研究背景、目的及意义，并简单 介绍了主动和被动声纳模拟器的基本特点和对声纳綦阵信号进行计算机仿真的 意义。最后给出了全文的主要研究内容与论文主体结构。 1 1 课题背景及意义 声波是人类迄今已知的唯能在海水中远距离传播的能量形式，到目f j 为 止对水下目标进行探测的主要设备仍然是声纳系统【! j 。声纳是利用声波对水下 目标进行探测、定位、识别和通信的电子设备，是海军必不可少的装备之一i l j 。 随着第二次世界大战的爆发，由于军事一i z 的迫切需求和空前的发展，人们利用 各种水声传感器或传感器阵列在海洋中拾取声场信息，然后对这些信息进行分 析处理，以感知海洋环境，判决是否存在目标，并且估计目标的状态参数、辨 别目标种类，及恢复目标发送的信号波形等1 6 j 。 仿真是广泛用于系统工程各个研制阶段的一种重要的技术，它的作用主要 是复现和评价真实系统【2 j 。简言之，仿真就是采用模型再现真实情况，在这里， 模型指的是系统、过程或现象的物理的、数学的或其他逻辑的表达【2 】。现代的 仿真系统己经成为任何复杂的系统研究中不可或缺的设计、评价和训练的手段。 系统仿真可以大致分为以下儿类：( 1 ) 数学仿真，即通常意义上说的计算机仿真： ( 2 ) 物理仿真，即实体模型的物理效应仿真；( 3 ) 半实物仿真，也就是把数学模型、 实体模型与系统的实际设备联系在一起运转而组成的仿真系统1 2 l 。数学仿真就 是将实际系统用数学模型所代替，在计算机上对实际系统进行研究的过程1 2 1 。 实际系统经过系统建模后被转换成数学模型，再经过编程与校验将数学模型编 程应用于计算机运算。数学仿真包括系统、模型与计算机三项基本要素；在此基 础上进行数学模型建立、仿真模型建立和仿真试验三项基本活动【2 j 。 随着现代计算机科学的进步，仿真技术已经渗透到科研的各种领域并且应 用越来越广泛，以至于现代工程的发展离不丌现代仿真技术1 2 】。从现代战争的 战略角度考虑，加快仿真技术的发展、加强仿真技术的应用和进行定量的系统 分析已经成为军事技术发展的趋向和国防决策的重要工具【2 】。近些年来，随着 l 绪论 信号处理和信号检测理论的飞速发展，声纳技术的发展也今非昔比。同时，数 字技术1 j 微处理机在卢纳系统中也越来越多的被采用，使得声纳技术进入了一一 个新的发展i 对期。然而对声纳系统的研制是一项复杂的系统工程，它包括多个 子功能系统，如果采用通常的实物试验，不仅周期长，费用高，而且有些内容 山于受海洋环境、使用条件和成本等冈素的限制是实物试验难以实现的f 2 l 。声 纳模拟技术的应用为解决这些问题提供了一利t 有效的技术手段。它一方面，可 帮助更好地理解和充分地利用海洋环境条件：另方面，声纳的性能评估优化 也能以较低成本实现，进而缩短评估时问，从而能更有效地工作于实际的海洋 环境中1 2 】o 为此，本文围绕某项目中声纳模拟器的研制，对声纳模拟器建模中的基础 理论、工程实现及娃控软件的设计等问题进行了研究，从而构建水卢环境平台， 为后端的仿真设备提供必要的模型数据，并在仿真显控台直观的输出相应的波 形及仿真念势。 1 2 声纳模拟器系统概述 - 一一- 数据脬服务 图1 1 声纳模拟器仿真系统 以 太 网 ， 父 j f ( ! = 彬l 反 匀、j 内 网 ， 父 换 尉l 1 绪论 声纳模拟器是一个联机工作的数字仿真系统，它的主要作用是根据设定的 海洋环境来模拟实际声纳传感器阵列的信号特性，产生鱼雷自导仿真或水声对 抗实验所必须的阵元域数据。该系统由目标模拟器、显控台和记录以三台设备 组成。各设备的拓扑关系如图1 1 所示。其中显控台是仿真系统显示和控制的 终端设备，它通过以太网和记录仪及目标模拟器互联进行数据通信和指令传送。 一方面用，j 既可以通过显控台运行或终止一次仿真过程、设置仿真实验的环境 参数，也可以查看仿真态势图、相关的仿真波形、谱分析及声线等；另一方面 显控台直接提供了数据库访问的接口，用户既可以直接调用数据库中预设参数 设置的仿真条件以减少界面输入的工作量、提高实验的效率，也可以调取数据 库中的某次实验结果进行同放，以便还原仿真现场分析和查找仿真过程中遇到 的问题。目标模拟器有多块阵列信号处理板卡、内存反射网卡和1 5 5 m b y t e s 的光纤板卡组成。其中每块阵列信号处理板卡由6 块t s 2 0 1 高性能d s p 构成， 大量的d s p 芯片为实时模拟复杂的海洋环境中的各种噪声、目标辐射噪声及主 动脉冲信号的发射【u | 波提供了可能。此外，由于大吞吐能力的内存反射网的应 用，阵元域数据能很容易的实时发送到相应的通信节点。记录仪是一台拥有大 容量磁盘阵列的p c 机，通过其p c i 扩展插槽配备一光纤模块。记录仪的功能 主要是备份仿真过程中的阵元域数据，并根据需要上传至服务器。 1 3 本文的主要工作机论文安排 本文的主要工作围绕某项目中卢纳模拟器的研制，对声纳模拟器的摹本实 现原理、工程实现以及显控软件的设计问题进行了研究，主要内容有以下几章： 第1 章介绍了本论文的研究背景和意义，从整体上概述了声纳模拟器数字 仿真系统的构成。 第2 章简要的概述了卢纳模拟器的基本理论。并着重介绍了背景噪声的信 号、目标辐射噪声信号、混响噪声信号以及回波信号的数学模型及仿真算法。 最后详细表述了水听器阵列响应仿真的方法及步骤。 第3 章详细介绍了声纳模拟器基本模型算法在基于t s 一2 0 1 高速阵列信号处 理平台上的实现。文章分别从d s p 程序的算法实现、多块d s p 之问的数据交 互以及目标模拟器p c 主机程序等儿个方面的设计与实现展丌论述。 第4 章详细论述了显控软件的设计与开发流程。从软件的功能需求到主要 l 绪论 模块的设计与实现，都做了详细的表述。并着重介绍了以太网的实现和数据库 的访问方法及功能模块的封装过程。 第5 章详细列出了测试的结果。并说明了测试的方法步骤与每一项测试的 条件，最后为每项测试结果给出结论。 2 声纳模拟器模型1 j 算法研究 2 声纳模拟器模型与算法研究 2 1 背景噪声的信号的模拟 当利用声纳方程推算白导作用距离或者对声纳作用距离进行预报的时候， 要求对参数n l 做出估计，n l 即为噪声级。近些年来，人们广泛采用海底深水 水听器在低于1 h z 1 0 0 k h z 的频段范围内对深海噪声进行测量研究，大大扩展 了人们对深海噪声源及其特性的认识【9 l 。深海环境噪声是多种噪卢源的综合效 应，其中还包括潮汐和波浪的海水静压力效应、地震扰动或者地壳的运动、深 海海洋的湍流、远处行船、海面波浪和海洋分子热噪卢等1 9 j 。在近海或港1 2 1 处， 工业引起的人为噪声、进出船只的噪声也是海洋噪声的重要来源。而且所在自 然环境如风、浪、涌、流等自然条件的变化，谱线的各部分的形状和斜率也相 应的发生变化，而且这种变化在谱线的不同部分是各不相同的1 5 j 。不同的噪声 源对应谱线的不同部分，而且通常是一个或者多个噪声源起主要作用，其他噪 声源的作用则是次要鲥引。海洋中的自然噪声源除了上述提到的之外，还有一 类被称为间歇源，它们是一种暂时存在的噪声源j 。实际测量结果表明，与其 他许多水声参量一样，海洋环境噪声有着明显的易变性，这是由于噪声源的易 变性引起的一j 。 从噪声的形成机理上说，背景噪声包含海洋环境噪声和流噪声两种成分， 并且这两种成分各自可能有不同的潜级、谱状。仿真时先生成两个独立的噪声 然后再叠加得到。如果不区分7 了景噪声中的成分，而是从总效果上指定背景噪 声的谱状和谱级，只需作一次a r 滤波就呵以。从统计特性上讲背景噪声与目 标辐射噪声同属随机噪声，也可近似视为高斯分布，也可以用功率谱这样的二 阶矩描述其特征。背景噪声与目标辐射噪声的差别有两点：1 空问特性不同， 远程目标辐射噪声是假设为平而波，不同阵元之问延时相关；而背景噪声则假 设为各向同性，不同阵元( 问距大于1 4 波长) 之间不相关；2 背景噪声的包 络调制特性不明显，通常我们只仿真它的连续谱特性1 4 j 。 背景噪声生成的方法是通过a r 滤波系数控制它的谱状、通过幅度加权控 制它的幅度。海洋环境噪声的特征取决于海区和海况，按浅海噪卢模型环境噪 声具有6 d b o c t 谱状，1 0 0 0 h z 频率上的谱级与海况的关系由下式确定【1 2 】： 2 声纳模拟器模型j 算法研究 s p l 。( 1 0 0 0 h z ) = 5 4 + 4 xh k h k ：海况 ( 2 1 ) 流噪声是由在水听器附近湍流附面层中的湍流作用在水听器表面上的压力 而形成的，它的功率谱特征在低频时平坦，而在高频时以f 3 的比率，即饵倍频 程下降9 d b 的斜率迅速下降。流噪声的谱级由下式确定 ，僦门0 0 0 h z ) = 1 0 xl o g ( 等# 1 ( 2 2 ) j j 为保证各阵元背景噪声相互独立，各路必须独立生成，即声纳基阵中有多 少个阵元就必须独立作多少个a r 滤波。各a r 滤波的独立性靠均匀随机数的 独立性来保证。而均匀随机数的算法相同，其独立性靠合理选择均匀随机数的 种子来保证。 为确保多路阵元背景噪声空问独立、各路a r 拟合算法互不相关。可通过 独立的多路a r 拟合来生成多路独立的阵元背景噪声u m 嘲= 印】宰y k n - + o - 木纠m ( 2 3 ) ，= l 其中：k 为基元序号，n 为时i 可序列号，p 为a r 滤波的阶数 c 为背景噪声自回归系数，l 为系数序号 w 为标准方差白噪声序列，盯。为a r 拟合方根差。 对a r 滤波得到的时问序列作幅度加权，就可以使背景噪声序列具有指定 的皋准谱级 n k 】 n 】_ n a 宰y k 】【n 】( 2 4 ) 2 。2 目标辐射噪声的分析与仿真 2 2 1 目标辐射噪声概述 目标舰船的噪声来源包括机械噪声、螺旋桨噪卢和水动力噪声三火类1 9 j 。 机械噪声指的是目标在水中运动时，动力产生的机械振动及船体固有谐振通过 船体和海水介质辐射而形成的噪声1 9 1 。由于各种机械部件的运动形式不同，所 产生的水下辐射噪声的性质也不同。一般情况下往复性、周期性运动的部件所 产生的噪声大都是线谱噪声，而各种管道、流体的空化、湍流、排气等机械摩 2 声纳模拟器模型! j 算法司f 究 擦所产生的噪声属于连续谱噪声 9 1 。所以目标舰船的辐射噪声可以看成是强线 谱和弱连续谱的叠 j i l l 9 1 。这类噪声的频谱结构通常比较复杂而且多变，与舰船 航行状态机机械工作状态密切相关。机械噪声是舰船辐射噪声低频的主要成分。 螺旋桨噪声是旋转着的螺旋桨所辐射的噪声，它包括螺旋桨空化噪声和螺旋桨 叶片震动产生的噪声f 9 l 。这种空化噪声是舰船辐射噪声高频段的主要部分。水 动力噪声是由不规则的、起伏的海洋洋流流过目标船只的表而而形成的噪声， 是水流动力作用于舰船的结果。水动力噪声是一种无规则的噪声，其噪声强度 1 w 可以表示为： 1 w = k v h( 2 5 ) 式中：k 为常系数，v 是目标航速，n 是与目标舰船水下线性相关的一个量。当 结构部件或空腔部件被激励成强烈的线谱的谐振源时，水动力噪声有可能在线 谱出现的范围成为噪声源。 从目标噪声功率谱特征上看目标舰船的辐射噪声主要山线谱噪声、连续谱 噪声和调制谱噪声三大类 9 1 。主机、辅机及各种空调设备做有规律机械运动所 产生的噪声是线谱的主要组成部分；螺旋桨击水致使螺旋桨一t - 或其附近的空化、 涡流声及水流过船体时产生的摩擦声而形成的噪声是连续谱噪声。这种噪声在 高频段，它的谱级随频率大约按6 d b 倍频程下降；在低频段却随频率而增加， 冈此空化噪声有一峰值，目标的辐射噪声级由目标的类型、体积、速度等决定 9 1 。此外，潜艇目标还具有较低的辐射噪声级和较低的叶片调制深度，水面舰 艇目标具有较高的噪声级以及 “螺旋桨运动而形成的调制深度，鱼雷则具有较 低的噪卢级与快速的叶片转速【9 j 。其频率成分主要包括频率较高的叶片共振， 以及频率较低的“叶片速率谱”，其频率为f m = n m s ，其中f m 代表叶片速率线 谱的m 次谐波( h z ) ，n 是螺旋桨叶片数，s 为转速( r s ) 。 在通常情况下螺旋桨噪声是最主要的，螺旋桨空化噪声是目标辐射噪声的 最主要成份；而水动力噪卢影响最弱1 4 j 。而线谱则主要来源予机械噪声，它是船 上各种机械重复性振动而产生的一系列单频分量，螺旋桨共振及水流激发船体 某些结构共振时，也会产生线谱1 9 j 。时变调制谱则主要来源于螺旋桨叶片对辐 射噪声的调制。 不同的航行状态对这些辐射噪声有不同的影响。图2 1 表示的是两种航速 条件下目标的噪声频谱。图2 1 ( a ) 是低速航行时的谱，这时空化噪声刚刚开始 2 声纳模拟器模型j 算法研究 出现，谱的低端主要为机械噪声和螺旋桨叶片速率线，随频率升高，这些谱线 出现不规则地降低。有时也可能在连续谱背景上叠加一条或一组高频谱线，它 们是螺旋桨叶片共振产生。图2 1 ( b ) 是高速航行时的谱，因为航速较高，螺旋 桨噪声谱较强，并移向低频段，而以恒速运转的机械产生的线谱并不变化，不 受航速的影响。因此这是螺旋桨空化噪声的连续谱更为重要，掩盖了很多线谱。 d b 1 01 0 0 1 0 0 0 ( a ) ( a ) 低航速 d b ( b ) ( b ) 高航速 图2 1 两种航速条什f 目标噪声频谱图 目标噪声时变功率谱可以表示为【3 1 1 4 1 ： 力= q + o l ( f ) + 2 m ( t ) c 尥o o( 2 6 ) 式中，g ( 厂) 为平稳各态历经高斯过程的连续谱，q ( ) 为在频率上离散分布的 线谱，2 m o 砌( 厂) g ( ) 是谱级受到周期调制的时变功率谱。r e ( t ) 为调制函数，代 表连续谱所受到的周期时变调制。m ( 厂) 为深度调制谱，反映不同频率成分所具 有的不同调制程度。图2 2 为目标辐射噪声的信号仿真框图： 2 声纳模拟器模型j 算法研究 图2 2 目标辐射噪声的信号仿真框图 2 2 2 连续谱噪声 平稳连续谱g ( 厂) 是目标噪声中最主要的成分，可以用e e s 型三参数功率 谱曲线模型来表述，如公式所示【7 】： q 2 丑1ef名,+k扩(f“+f)20)+丽f,-k(f-fo) ( 2 7 ) 其中五，厶，k 为决定功率谱曲线形状的三个参数，五决定功率谱峰值的位置， 无决定曲线的尖锐程度和高度，而k 大于零或小于零将使曲线以k = 0 为基准顺 时针或逆时针旋转。 离散信号可以用线性差分方程表示为3 】： y ( ，2 ) = e b r x ( n - r ) - e a k y ( n - k )( 2 8 ) 其中y ( ，z ) 为输出的随机信号序列，y ( n 一后) 为其回归序列，x ) 为待分析信号模 型的输入序列，一般为零均值高斯噪卢序列。加权系数6 ，和口，就是待估计参 数。如果除了b o = l 外，其余以均为零，则这种信号模型称为全极点模型或自回 归( a r ) 模型，它有利于描述功率谱的峰。对上式二侧作傅单叶变换，可得 x ( e 掰) = - y , x ( e 如) c 【，】e 一，a 7 + n ( e 扣) ( 2 9 ) 2 声纳模拟器模型o j 算法研究 把x 【n 】看成是w 【n 】经一个线性滤波器的输出，由上式可知，该滤波器的频 率传输函数为 ( 2 1 0 ) 根据随机序列通过线性网络时输出与输入功率谱的熟知关系，x 【n 】的功率谱 可表示为 2 ( 2 1 1 ) 其中jn 2 为w ( n ) 的万差。这就是功率谱估计的自回归模型法，简称a r 模型法。 拟合宽带连续功率谱g ( ) 最后归结为求解y u l e w a l k e r 矩阵形式的方程组。由 于方程中的自相关矩阵是一个h e r m i t 矩阵，同时又具有t o e p l i t z 特性。根据此 性质，可以得到l e v i n s o n d u r b i n 递推算法【8 】o 步骤如下： l 确定功率谱瓯( 厂) 对应的自相关函数r ，p ) ： 足( 力= 产嘛h 勿矾力+ k s 酢砥砌( 2 1 2 ) 2 根据l e v i n s o n d u r b i n 递推算法求解a r 模型参数 口1 ，a p ) ： 广m i 吒= 一i 一。( 七) r ( 所一七) + r ( 所) l 吒一 l t lj ( 2 1 3 ) ( 尼) = a m 一1 ( 尼) + k a m lm d ( 2 1 4 ) 仃三- - ( 1 一七三) 仃三一- m = 2 ，3 ，p ( 2 1 5 ) 初始条件为： 口。( 1 ) = 一r ，( 1 ) r 。( o )( 2 1 6 ) 砰= ( 1 一a 。( 1 ) 1 2 ) 足( o )( 2 1 7 ) 这咀a 的个数等于滤波的阶数，阶数越高谱状会越精确，当然丌销也越大。一 般的说，较平稳谱状所需阶数低，变化越剧烈谱状所需阶数越高。综合考虑运 2 声纳模拟器模型i 算法研究 算量和拟合精度的要求，我们取3 2 阶。 3 根据a r 模型参数，得到平稳连续谱对应的时间序列： 上 x 。( f ) = 一a ( i ) x 。o f ) + 占( f ) ( 2 1 8 ) f = l 其中s ( 刀) 是均值为0 、方差为盯：的高斯白噪声序列。a r 滤波输出噪声的谱级 由滤波白噪声的方根差决定，也在模型参数估计解算时一并给出。随着距离等 的变化，接收噪声的谱级时不断变化的。为了控制方便，谱级控制分成二步实 现。先指定一个基准谱级解算出白噪声的方根差，然后再根据所要得到谱级与 基准谱级的差，求出相应系数( 我们称为信号幅度) 。这样a r 滤波生成的是基 准谱级噪声，再乘以信号幅度后就得到任意谱级的噪声。目标幅度需要先计算 目标到声阵之间的传播损失。声传播损失根据环境条件、工作频段和敌我空间 位置，通过声传播信道仿真模块计算出来的。计算出传播损失后，用目标辐射 声源级减去声传播衰减就可得到阵元接收到的日标噪声级。然后再根据阵元接 收噪声级对仿真舰船噪声进行谱级控制，使得模拟器输出的目标噪声具有与阵 元接收级相对应的幅度。图2 3 为连续谱噪声的仿真框图： 舰航环位 船行境频置 型状参率参 图2 3 舰船连续谱辐射噪声仿真框图 连续 谱分 量输 2 2 3 线谱噪声 目标舰船辐射噪声中，除了沿频率轴连续分布的宽带连续噪声外，还有在 1 1 2 声纳模拟器模型j 算法研究 频率上离散分布的单频噪声，它们形成了辐射噪声中的线谱【7 】。线谱主要是不 平衡旋转部件，机械振动等激发所产生，主要分布在低频段。低频线谱的分布 与日标型号有关，也与航行状态及目标所处深度有关，某一日标指定工况下会 有特定的线谱，可以为目标类型识别提供依据【9 j 。潜艇线谱的频率范围通常都 在5 0 0 h z 以下，而鱼雷则在1 0 0 0 h z 以上都可能出现明显的线谱。仿真中将低 频线谱的频率划分为有一定重叠的五个频段，按照目标类型，规定频段内线谱 随机幅度的取值范闱，反映不同目标低频线谱的分布差异。线谱特征与目标类 型有一定关联，但不存在简单的对应关系。线谱实质上是一组具有特定频率、 幅度和初相的单频信号，可按照单频信号的方法分别产生，然后再进行迭加。 各单频信号的频率、幅度和初相应与指定值相符合。在这里线谱的幅度，是以 线谱所在处1 h z 带宽内平稳连续谱信号的平均能量为参考时，该单频信号能量 的分贝值。低频线谱的分布与目标型号有关，也与目标所处深度有关，线谱能 量可以在检测中加以利用，也可以为目标类型识别提供依据，在声纳中可用于 l o f a r 功能的测试1 9 1 。 假设介质是均匀无界的，用f m 表示线谱，则有 一 s 。= mb 万 ( 2 1 9 ) o u 其中，f m 是线谱的第m 次谐波，单位是h z ；b 是螺旋桨叶片数；s 是螺旋桨转 速，单位是r m i n l 4 1 。由于在航行中电机转速不稳定( 通常其变化范围为0 5 0 r r a i n ) ，另外，由于航速还会引起多普勒效应。则 厶= 桕掣 ( 2 2 0 ) 其中，厶表示电机转速的变化量，是在一定范围内的随机变量，单位是r m i n ； v 表示水中目标的航速，单位是m s 。c 表示水中声速，单位是m s 。 因此线谱模型可以表示为 删= 薹舭炳2 讲棚半 亿2 t ， 线谱幅度a m ( t ) 是与时间、航速、航深、水温、海况等有关的多元函数。 这里假设a m ( t ) 是在【0 ，1 】上均匀分布的随机变量。 2 声纳模拟器模型j 算泫研究 2 2 4 调制谱噪声 调制谱来源于螺旋桨对辐射噪声包络调制，其结果使得噪声的包络出现一 列具有谐频关系的线谱。螺旋桨埘辐射噪声包络的调制特征与螺旋桨的叶片数 量和主轴转速有着直接的关系【5 】。调制谱的基频取决于螺旋桨的转动速度( 轴 频) ，各次谐频上的线谱幅度随机起伏，但在次数等于螺旋桨叶片数的谐频( 叶 频) 上，调制谱的幅度明显增强。调制谱的曲型分布如图2 4 所示。图中f m 为轴 频，n f m 为叶频，r 为螺旋桨的叶片数。 m 6 0 - f 图2 4 目标噪声调制谱 f 调制淆仿真可通过对同标噪声的幅度调制来实现。改变调制脉冲的周期和 调制脉冲的结构可以获得不同调制谱特性的噪声序列。不同目标螺旋桨的结构 及转速不同，通常吨位越大的目标螺旋桨转速就越低，而鱼雷螺旋桨的转速要 显著高于一般的目标，这是识别鱼雷的一个重要依据【4 1 。调制谱特性仿真用于 声纳的d e m o n 分析和鱼雷报警功能的检验。调制谱噪声是目标噪声中有时变 调制的部分。生成方法也是通过a r 滤波，但必须对a r 滤波的幅度进行随机 调制，即必须乘上m ( 0 。调制函数m ( t ) 反映调制的规律，它与螺旋桨的转速及 螺旋桨的叶片数量有关。函数m ( t ) 通过4 个参数确定。第一个参数是串内脉冲 数，该脉冲数就是日标推进器螺旋桨的叶片数n 。这是一个完全由目标螺旋桨 结构确定的参数。所以可以作为目标识别的一个重要依据。第二个参数是脉冲 周期t b ( 也称叶片周期) ，它等于螺旋桨推进器t 轴转速的倒数。 t b = i n t ( 1 ( t n z v 幸t s ) ) ( 2 2 2 ) 2 声纳模拟器模型j 算法研究 其中：t n 为螺旋桨叶片数，z v 为螺旋桨主轴转速，t s 为采样周期。叶片数n 和脉冲周期t b 确定之后，n 与t b 的乘积就给出了调制脉冲串的周期。第三个 参数是脉冲宽度。在脉冲周期确定之后，脉冲宽度实际反映了脉冲的占空比确 定。占空比不仅影响包迹线谱的幅度，同时还将影响包迹线谱高次谐频的衰落 速度。通常取占空比等于三分之一 t 2i n t ( t b 3 ) ( 2 2 3 ) 第四个参数是调制系数，反映噪声受调制的强弱程度。调制系数应该是一 个与目标类型、航行状态有关的量。在调制谱噪声生成中，设置了二种时间计 数，用于确定m ( t ) 的取值。第一种计数( d e m n l ) 用于确定t b ( 叶片周期或 脉冲周期) 内的时间点，时间点在脉冲宽度t 内m ( t ) 取非0 值，时间点在脉冲 宽度t 外m ( t ) 取为0 ：第二种计数( d e m n 2 ) 用于确定脉冲串内脉冲的序弓。 m ( t ) 按脉冲串重复出现，脉冲串内脉冲的个数等于螺旋桨的叶片数 4 1 。 假设已知螺旋桨叶片数，叶片周期，调制宽度，调制谱脉冲幅度等包络调 制参数和a r 系数等参数，按下式完成时变调制a r 滤波1 5 j 三 x n = m 【厅】宰( - - d ，】宰x 【，2 一，】+ o n 宰w 刀】) ( 2 2 4 ) ，= l 其中：m 【n 】为时变调制函数，由包络调制参数确定，x ( n - 1 ) 为其回归序列， 疗】 为待分析信号模型的输入序列，一般为零均值高斯噪声序列。加权系数c ，】和吒 为模型的估计参数。 2 3 混响模型分析 对于主动卢纳来说，除了受到海洋环境噪声、目标辐射噪卢和鱼雷自噪声 等背景噪声的一一f 二扰外，还受到混响信号的干扰，而且在很多情况下，混响还可 能是主要的背景干扰，限制了主动声纳系统的作用距离l l0 1 。混响是一种特殊形 式的干扰，它伴随声纳发射信号而产生，和发射信号本身的特性有着密切的关 系，除此而外，它和海洋环境通道的特性也有密切关系l l o l 。产生混响的原因是 海洋本身及其界l 酊存在着各种不同类型的不均匀性，这些不均匀性形成介质物 理性质l 的不连续性，阻挡了照射到它们上面的一部分声能，并把这部分声能 再辐射回去1 10 。这种卢的雨辐射称作散射，而来自所有散射体散射成分的总和 称作混响【_ 。根据混响散射场的不同特性，混响大致可分为三种不同类别：第 2 声纳模拟器模哩j 算法研究 一种是散射体存在于海水本身或体积之中，包括海水中的各种悬浮粒，微小海 洋生物，以及气泡等散射所形成的混响，这类混响称为体积混响r 。第二种是 散射体存在于海面和海面附近，主要是波浪所造成的海面起伏和气泡散射所形 成的混响，这类混响称为海面混响 7 1 。还有一种散射体存在于海底和海底附近， 主要是海底的起伏和结构的不均匀所形成的混响，这类混响称为海底混响【。 海底和海i f i i 混响散射体的分布都是二维的，因此又统称为界面混响。虽然混响 表现出随机噪声的特性，但它与上述其他的噪声相比仍然有很大的不同，有其 自身的特性：l 混响的强度与发射信号的能量有关，两者成j 下比关系；2 混 响与发射信号波形相关，但是相对于发射信号具有频谱扩展，并且混响本身具 有一定的相关性；3 混响是时空变化的，其强度随着时间增加而逐渐衰减， 并且在不同的海域、不同的季节，甚至是不同的时| h j 都各不相同，也就是说， 混响并不是一个平稳的过程，很难在仿真中精确实现。目前对混响的研究集中 在混响的能量特性和统计特性上，着眼于考虑混响对声纳主动探测的影响，根 据体积混响和界面混响产生的物理过程和对实际测量数据拟合基础上的经验公 式，分别推导出体积混响、海面混响、海底混响的平均功率表达式【7 】。 混响的仿真是一个很复杂的问题，这里对其做了一些简化处理，将混响看 作一个可平稳化的高斯随机过程，混响的瞬时值为高斯分布，混响的包络为指 数形式衰减。在仿真中我们用高斯白噪声通过窄带滤波器来模拟混响，混响的 带宽与发射信号相比存在着频率扩展，这一方面与海洋中散射体的多普勒和随 机相移有关，另一方面也和发射信号包络的时间长度与形状以及声纳系统发射 信号的波束宽度有关1 7 j 。混响序列的a r 拟合算法为 三 z 【尼】i n = 一：c 【幻木缸尼 砷一力+ 木七】陋】( 2 2 5 ) 1 = 1 其中：k 为基元序号，1 3 为时问序列号，p 为a r 滤波的阶数，c 为海洋混响自 回归系数，l 为系数序号，w 为标准方差白噪声序列，盯。为a r 拟合方根差。 主动海洋混响模型通过对海水体积混响功率、海面混响功率、海底混响功率及 混响总功率的计算，给出随距离变化的海洋混响功率( 混响级) 序列及混噪比 序列。除了考虑混响的平均功率衰减规律，海洋混晌仿真还以瑞利分御反映混 响包络的起伏特征。体积混响级可用下式描述【5 j 2 声纳模拟器模型o j 算法研究 职印卜南q 叻】等中h 卜1 0 2 ”1 0 亿2 6 ) 其中：1 0 为发射声强，r 【n 】为混响距离，s v n 为混响体积散射系数，c 为水中声 速，t 为发射脉冲宽度，v 【即】为等效发射束宽，a 为海水吸收系数。 海界面混响在发射波到达海面时发生，属于界面混响。影响界面混响的因素除 了主动发射功率、脉宽、波束宽度、混响距离等因素外，海界面混响还与海面 散射强度有关5 1 。海面散射强度则与海面掠射角及海面风浪有关。海界面混响 可用下式描述【5 j 小南_ 勘】- 等刮1 0 小】m 厶) 其中：s s 【刀】为海面散射强度，为水平半波束宽度，海底混响也属于界面混响， 相应的散射强度是海底散射强度。海底散射强度决定于海底掠射角及海面的i 吸 收。海底混响可用下式描述 小南吨等刮1 0 一巾】，l o 亿2 8 ) 其中：啤j 为海底散射强度，总的混响级序列 r e v n 1 = r v n + r s n + r b n 1( 2 2 9 ) 2 4 目标回波模拟的原理 目标回波是入射波与目标相互作用产生的、是散射波的一部分。在入射波 与目标相互作用的过程中，有关目标的某些特征信息就被调制在回波上，人们 通过对回波分析处理就能将目标的特征信息提取出来，再辅以一些先验知识， 就可以实现目标的检测与识别。 2 4 1 目标尺度模拟 通常回波的脉冲宽度都会宽于入射波脉冲，这是因为目标回波是由整个目 标表面的散射体和反射体所形成，也就是说目标的整个表面对凹波都有贡献。 但由于目标的不同部分的传播路径不同，回波到达接收点的时间有先有后，这 就拉长了回波信号的脉冲宽度蜘。如图2 5 所示，一日标的长度为l ，入射波 2 声纳模拟器模型! 算法研究 与目标的央角为0 。 图2 5 同波展宽示意图 很明显在收发合置的条件下，回波脉冲将比入射波脉冲拉长【1 5 1 ： 2 l c o s 0 a r 2 ( 2 3 0 ) o 式中c 为水中声速，从a t 表达是可以看出脉宽尺度信息。回波脉冲被展宽的现 象，在目标又是许多散射体组成的复杂目标且入射声波又为窄脉冲信号时，回 波脉冲的拉长就特别特别明显；但是如果产牛必波的主要过程是镜反射时，则 这种拉长现象就可以忽略【1 5 j 。模拟目标的尺度信息是非常复杂的过程，需要在 日标【口l 波中加入亮点特征。 2 4 2 目标距离模拟 目标距离是通过对目标回波的时延实现的。由于发射声波经目标反射田l 到 接收基阵经过的距离为2 r ( r 为目标距离) ，所以此段时延 a r ：丝 ( 2 一3 1 ) = 一 ( 3 ) c 其中c 为水中声速。所以此时延，反映了声源和目标之间的距离信息。实际中 我们可以通过控制第一路信号的起始时刻模拟此时延，后面的信号只是在第一 路信号基础l 再加上阵元间延迟。 2 4 3 目标方位模拟 目标方位的模拟是通过阵元间相位差的模拟实现的。目标的方位信息可以 2 声纳模拟器模型o j 算法研究 转化为阵元间相位差信息。以最简单的等间隔排列基元的线阵为例。假设各阵 元等n j j 隔排列在一条直线上，阵元问隔为d ，入射声波与基阵法线方向的央角 为0 。通常我们取阵元问的距离d 为信号波长的一半，即a 2 。则r ：一d s i n 口就 是阵元之问的延迟。信号的相位差是【1 5 】 仍= 2 z c ( i 一1 ) 鲁s i n 0 ( 2 3 2 ) l 式中旯= 三，是信号的波长。 ， 2 4 4 目标速度模拟 目标速度的模拟是通过对【旦1 波进行多普勒频移的模拟来实现的。 当声源与目标之间存在相对运动时，目标的回波信号会发生某些变化。当 两者相向运动时，目标回波的频率比发射信号的频率高；反之，目标回波的频 率比发射信号的频率低。目标回波与发射信号之间频率变化量称为d o p p l e r 频 移。对主动声纳而言，由于信号的双程传播，声呐接收到的多普勒频移为i b l ： 1 ， 五= 垃二f o c o s 0 ( 2 3 3 ) c 其中：v 是声源与目标的相对速度单位m s ；e 为声速单位也是m s 。厶一 发射信号的频率单位h z ；o 目标位置矢量与舰船的航向之问夹角单位t a d 。在 - d s p 应用中我们采用变采样法作多普勒频移。 3 声纳模拟器硬件，f 台及算法模型的实现 3 声纳模拟器硬件平台及算法模型的实现 3 1 声纳模拟器硬件平台简介 3 1 1 板卡介绍 图3 1 阵列信号处