張洪

（91388部隊(duì)92分隊(duì) 湛江 524022）

1 引言

聲納員具備良好的目標(biāo)判別技能是艦艇聲納發(fā)揮其作用的重要保證［1］。一名高水平的聲納員能對(duì)很多感覺(jué)明顯的艦船保持很高的聽(tīng)音識(shí)別準(zhǔn)確率，在作戰(zhàn)中可以及早地發(fā)現(xiàn)敵目標(biāo)，確保本方艦艇在自我防御的同時(shí)能夠主動(dòng)攻擊，掌握作戰(zhàn)的主動(dòng)權(quán)，可見(jiàn)聲納員在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中的重要性［1］。因此，聲納員判別目標(biāo)技能的培訓(xùn)至關(guān)重要。而聲納員判別目標(biāo)技能水平的高低主要取決于對(duì)各種目標(biāo)聲特性的熟悉和了解程度。如何更好地利用目標(biāo)聲特性數(shù)據(jù)和海洋環(huán)境數(shù)據(jù)等信息資源，促進(jìn)聲納員目標(biāo)判別技能水平的提升，是一項(xiàng)值得研究的課題。本文將嘗試性地提出聲納員目標(biāo)判別技能訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)想。

2 系統(tǒng)擬實(shí)現(xiàn)功能

構(gòu)建聲納員目標(biāo)判別技能訓(xùn)練系統(tǒng)在立足充分利用現(xiàn)有資源的同時(shí)，要在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能上有所突破［2］。系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)以下三項(xiàng)主要功能：復(fù)雜信號(hào)合成功能、信號(hào)音頻回放和視頻顯示功能以及訓(xùn)練考評(píng)功能。

2.1 復(fù)雜信號(hào)合成功能

在訓(xùn)練樣本方面，目前聲納員日常訓(xùn)練所用的大多是相對(duì)純凈且信噪比較高的原始樣本，雖然能達(dá)到一定的訓(xùn)練目的，但卻很難使訓(xùn)練質(zhì)量有大幅度的提高［3］。主要原因?yàn)椋阂皇怯?xùn)練用的原始樣本數(shù)目有限；二是多數(shù)樣本與訓(xùn)練對(duì)信號(hào)復(fù)雜程度的要求還有一定差距，導(dǎo)致缺少?gòu)?fù)雜水聲環(huán)境下的信號(hào)樣本。為了解決這個(gè)問(wèn)題，本系統(tǒng)應(yīng)具有復(fù)雜信號(hào)合成功能，可以在原始樣本的基礎(chǔ)上人工加入各種干擾，以達(dá)到提高聲納員訓(xùn)練質(zhì)量的目的。

2.2 信號(hào)音頻回放和視頻顯示功能

在訓(xùn)練方式方面，目前聲納員訓(xùn)練主要是收聽(tīng)回放的聲音。但聲納在實(shí)際使用中，聲納員往往是通過(guò)聽(tīng)音與顯控臺(tái)視頻顯示進(jìn)行信息綜合來(lái)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行判別的［4］。因此，訓(xùn)練系統(tǒng)要同時(shí)具備信號(hào)音頻回放和視頻顯示功能，即聲納員在聽(tīng)音的同時(shí)又可以看到信號(hào)的各種特性，這樣就可以輔助聲納員做出判別。

2.3 考核評(píng)估功能

系統(tǒng)構(gòu)建的根本目的是充分高效地利用目標(biāo)聲特性數(shù)據(jù)和海洋環(huán)境數(shù)據(jù)等信息資源，為進(jìn)一步提高艦艇聲納員訓(xùn)練質(zhì)量服務(wù)。訓(xùn)練能否達(dá)到預(yù)期效果，系統(tǒng)必須具備相應(yīng)比較完善的考評(píng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)聲納員技能水平的考核評(píng)估。

3 系統(tǒng)模塊組成

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)構(gòu)建采用模塊化技術(shù)，將各節(jié)點(diǎn)看作頂級(jí)模塊，頂級(jí)模塊完成各子系統(tǒng)的功能。在頂級(jí)模塊的基礎(chǔ)上進(jìn)一步進(jìn)行模塊分級(jí)劃分，直到劃分出各功能獨(dú)立、容易實(shí)現(xiàn)的子模塊［5］。本 文 擬 構(gòu)建聲納員目標(biāo)判別技能訓(xùn)練系統(tǒng)包含五個(gè)頂級(jí)模塊，如圖1所示。

3.1 系統(tǒng)管理模塊

該節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)對(duì)各節(jié)點(diǎn)程序進(jìn)行監(jiān)控和管理。從形式上各節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)子系統(tǒng)，從功能上來(lái)講是相互獨(dú)立的，通過(guò)系統(tǒng)管理模塊將各子系統(tǒng)組成一個(gè)統(tǒng)一的大系統(tǒng)，系統(tǒng)管理節(jié)點(diǎn)主要實(shí)現(xiàn)用戶管理、密碼更改和數(shù)據(jù)備份等功能。此模塊完成對(duì)用戶級(jí)別的設(shè)置，不同級(jí)別的用戶對(duì)各個(gè)功能模塊的使用擁有不同的權(quán)限［2］。系統(tǒng)管理員可以訪問(wèn)所有模塊，而普通使用者只能進(jìn)入模擬訓(xùn)練和考核評(píng)估模塊。

3.2 數(shù)據(jù)庫(kù)模塊

數(shù)據(jù)庫(kù)采用層級(jí)結(jié)構(gòu)，主要存放下列形式的數(shù)據(jù)：目標(biāo)信息、聲納參數(shù)、海洋環(huán)境噪聲、輻射噪聲和回波信號(hào)等［6］。由于數(shù)據(jù)庫(kù)獨(dú)立于各節(jié)點(diǎn)之外，因此便于數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，網(wǎng)絡(luò)接口程序及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備保證了各節(jié)點(diǎn)在模擬訓(xùn)練或考評(píng)過(guò)程中實(shí)時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行讀寫(xiě)操作，實(shí)現(xiàn)了資源共享和集中存儲(chǔ)功能。該模塊只有管理員有權(quán)限進(jìn)入，可完成對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)修改、更新等。

3.3 信號(hào)管控模塊

該節(jié)點(diǎn)主要是完成各個(gè)輻射噪聲或回波信號(hào)的融合，以及這些信號(hào)與各種干擾及海洋環(huán)境噪聲的融合，從而得到特定海洋環(huán)境噪聲背景和固定干擾情況下的目標(biāo)輻射噪聲或回波信號(hào)，并可對(duì)訓(xùn)練或考評(píng)中信號(hào)的出現(xiàn)幾率等進(jìn)行設(shè)置。該模塊只有管理員有權(quán)限進(jìn)入。

3.4 模擬訓(xùn)練模塊

主要用于聲納員模擬訓(xùn)練。通過(guò)該模塊聲納員可以通過(guò)選擇目標(biāo)、具體聲納、當(dāng)時(shí)的海況、加入的干擾獲得某一目標(biāo)的輻射噪聲或回波信號(hào)進(jìn)行訓(xùn)練，也可以截取任意一段信號(hào)進(jìn)行處理后訓(xùn)練，可以在聽(tīng)音的同時(shí)看到聲信號(hào)的各種特征。

3.5 考核評(píng)估模塊

用于對(duì)聲納員的水平考評(píng)?？蓪?shí)現(xiàn)對(duì)聲納員水平的測(cè)試，聲納員對(duì)隨機(jī)出現(xiàn)的輻射噪聲或回波信號(hào)進(jìn)行判斷，可以對(duì)信號(hào)截取、放大、回放聽(tīng)音，也可以借助于信號(hào)的特性輔助判斷，做出判斷后，系統(tǒng)會(huì)與正確答案比對(duì)，提示聲納員對(duì)錯(cuò)。該模塊可以對(duì)不同的樣本設(shè)置不同的出現(xiàn)機(jī)率，還可以設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)測(cè)試考核結(jié)果對(duì)聲納員水平進(jìn)行評(píng)估分級(jí)。

4 軟硬件環(huán)境

4.1 硬件環(huán)境

由于所構(gòu)建的系統(tǒng)都位于同一個(gè)實(shí)驗(yàn)室中，因此可以通過(guò)網(wǎng)線方便的進(jìn)行連接，只需一臺(tái)交換機(jī)，每臺(tái)計(jì)算機(jī)都配置一個(gè)百兆網(wǎng)卡，用單獨(dú)的一臺(tái)計(jì)算機(jī)作為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，由此就構(gòu)成了系統(tǒng)所需的局域網(wǎng)（LAN）［3］。本文構(gòu)建的聲納員目標(biāo)判別技能訓(xùn)練系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，其中三個(gè)節(jié)點(diǎn)分別負(fù)責(zé)信號(hào)管理、模擬訓(xùn)練、考核評(píng)估，一個(gè)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)庫(kù)管理，另外有一臺(tái)計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)系統(tǒng)管理。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，計(jì)算機(jī)及相關(guān)設(shè)計(jì)的性價(jià)比日益提高，根據(jù)系統(tǒng)的要求選定合適的硬件設(shè)備，完全可以滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要。

4.2 軟件環(huán)境

系統(tǒng)的各子系統(tǒng)的軟件組成見(jiàn)圖2，除網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)子系統(tǒng)外，其余子系統(tǒng)都包括管理軟件、接口軟件及功能軟件，各子系統(tǒng)之間具有結(jié)構(gòu)一致性。同時(shí)，各子系統(tǒng)軟件有統(tǒng)一的界面風(fēng)格。

圖2 系統(tǒng)軟件組成圖

4.2.1 管理軟件

包括信號(hào)管控、模擬訓(xùn)練、考核評(píng)估和系統(tǒng)管理子系統(tǒng)的軟件管理及網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)［4］。其功能是對(duì)系統(tǒng)資源進(jìn)行有效的組織和分配，負(fù)責(zé)各子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行管理。

4.2.2 人機(jī)交互軟件

人機(jī)交互軟件是外部同系統(tǒng)進(jìn)行交互作用的界面軟件，接收并解釋操作者給出的各種指令及數(shù)據(jù)，使操作者實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制，同時(shí)將訓(xùn)練的中間過(guò)程參數(shù)及結(jié)果通過(guò)數(shù)據(jù)文件、圖表等進(jìn)行輸出［5～7］。各子系統(tǒng)的接口軟件都受系統(tǒng)管理節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)管理軟件的控制，并且都具有一致的界面風(fēng)格，可以通過(guò)監(jiān)視系統(tǒng)進(jìn)行顯示交流。

4.2.3 功能軟件

包括信號(hào)管理、模擬訓(xùn)練、考核評(píng)估等子系統(tǒng)，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)各參與單元的實(shí)際功能，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，通過(guò)兵機(jī)交互界面對(duì)訓(xùn)練過(guò)程及結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，并通過(guò)系統(tǒng)管理節(jié)點(diǎn)對(duì)訓(xùn)練過(guò)程參數(shù)及數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。

5 系統(tǒng)構(gòu)建的關(guān)鍵點(diǎn)

5.1 數(shù)據(jù)庫(kù)

數(shù)據(jù)庫(kù)是本系統(tǒng)構(gòu)建的基礎(chǔ)。從目標(biāo)聲特性、海洋環(huán)境、聲納參數(shù)、目標(biāo)參數(shù)和用戶信息等方面考慮，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)可由六個(gè)子庫(kù)組成［6］，具體見(jiàn)表1。

5.2 信號(hào)仿真與處理

5.2.1 信號(hào)仿真

被動(dòng)聲納接收到的信號(hào)是目標(biāo)輻射噪聲、海洋背景噪聲和本艦噪聲等干擾噪聲融合，而主動(dòng)聲納接收到的信號(hào)則是目標(biāo)回波、目標(biāo)輻射噪聲、海洋環(huán)境噪聲和混響等的融合［7］。為了充實(shí)樣本，更有利于聲納員的訓(xùn)練，本系統(tǒng)將對(duì)海洋環(huán)境噪聲、海洋混響和目標(biāo)回波等作仿真。在這里僅以海洋混響仿真與目標(biāo)回波仿真為例進(jìn)行簡(jiǎn)介。

表1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)成

1）海洋混響仿真

海洋混響具有如下特點(diǎn)：混響的強(qiáng)度與發(fā)射信號(hào)的能量成正比關(guān)系；混響與發(fā)射信號(hào)的波形相關(guān)，并且混響本身有很強(qiáng)的自相關(guān)性；混響的瞬時(shí)值呈高斯分布；混響的頻譜和發(fā)射信號(hào)的頻譜具有一致性，但是相對(duì)于發(fā)射信號(hào)的頻譜混響信號(hào)的頻譜有一定的頻譜擴(kuò)展［8］。

通常的混響仿真就是利用混響的理論模型，逐點(diǎn)進(jìn)行仿真，這種方法實(shí)現(xiàn)起來(lái)難度較大。本系統(tǒng)嘗試將接收機(jī)的放大增益設(shè)計(jì)為可控，使放大器的放大系數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律與混響過(guò)程隨時(shí)間衰減的規(guī)律相同，這樣在系統(tǒng)仿真處理時(shí)可以把混響看作是經(jīng)過(guò)歸一化處理的平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程，這樣就可以用高斯白噪聲通過(guò)窄帶濾波器的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)混響的模擬，使混響產(chǎn)生的復(fù)雜過(guò)程得到簡(jiǎn)化。

2）目標(biāo)回波仿真

目標(biāo)回波仿真的目的是模擬誘餌的信號(hào)，訓(xùn)練聲納員區(qū)分真假目標(biāo)的技能［8］。主動(dòng)回波模擬需要解決回波信號(hào)參數(shù)的估計(jì)，主要包括脈沖寬度估計(jì)、多普勒頻移、時(shí)延與展寬、目標(biāo)強(qiáng)度、最大回波強(qiáng)度等［9］。仿真時(shí)，首先進(jìn)行信號(hào)展寬和多普勒頻移，然后對(duì)頻移后的信號(hào)進(jìn)行目標(biāo)強(qiáng)度的調(diào)幅和最大回波強(qiáng)度的限幅后，將信號(hào)輸出。

5.2.2 信號(hào)處理

1）判別信號(hào)合成

信號(hào)合成的根本目的就是構(gòu)建復(fù)雜的聲信號(hào)，從而提高增加聲納員判別難度，提高訓(xùn)練質(zhì)量［9］。原則上，信號(hào)合成應(yīng)該主要包括以下步驟：一是多個(gè)目標(biāo)輻射噪聲或回聲信號(hào)之間的合成；二是輻射噪聲或回波信號(hào)與海洋環(huán)境噪聲的合成；三是對(duì)融合后的信號(hào)進(jìn)行濾波；四是對(duì)濾波后的信號(hào)進(jìn)行移頻。通過(guò)這四個(gè)步驟合成滿足聲納員訓(xùn)練需求的信號(hào)。

2）目標(biāo)聲特征提取

本系統(tǒng)的特色之一就是在實(shí)現(xiàn)聲納員聽(tīng)到輻射噪聲或目標(biāo)回波的同時(shí)，還可以通過(guò)視頻顯示看到輻射噪聲或回波的特征。因此，目標(biāo)聲特征提取環(huán)節(jié)也至關(guān)重要［12］。構(gòu)建本系統(tǒng)必須深入研究聲信號(hào)的時(shí)域、頻域、時(shí)頻域及非高斯等特性，提取其有效特征；并對(duì)各種特征進(jìn)行綜合優(yōu)化，壓縮特征維數(shù)，消除無(wú)效和冗余的特征，提高特征的整體性能［12］。

6 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)如何更加高效地利用水下目標(biāo)聲特性和海洋環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)等信息資源，使之服務(wù)于聲納員訓(xùn)練的問(wèn)題，嘗試性地提出了聲納員目標(biāo)判別技能訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)想，希望能提供一些參考。

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