蔣立志，劉旺鎖，姚直象

基于實(shí)錄音頻的吊放聲吶模擬器設(shè)計(jì)與仿真

蔣立志，劉旺鎖，姚直象

(海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院，湖北武漢430033)

針對(duì)多數(shù)模擬器無(wú)法營(yíng)造逼真操作感受的問(wèn)題，提出了一種基于聲吶實(shí)錄音頻的吊放聲吶模擬器，并給出仿真實(shí)例。該系統(tǒng)運(yùn)用反波束形成技術(shù)，基于實(shí)錄音頻合成具有真實(shí)聽(tīng)覺(jué)感受的陣元域信號(hào)，采用真實(shí)的波束形成方法和信號(hào)處理方法，能夠得到與實(shí)際裝備十分近似的視覺(jué)效果和聽(tīng)覺(jué)感受，對(duì)聲吶操作員的日常訓(xùn)練是十分有益的。

實(shí)錄音頻；吊放聲吶；模擬器；逼真度

0 引言

吊放聲吶搜潛的優(yōu)勢(shì)十分明顯[1]。吊放聲吶的實(shí)裝訓(xùn)練與考核組織復(fù)雜，受保障條件和訓(xùn)練成本限制，很難進(jìn)行大量的日常訓(xùn)練。仿真模擬訓(xùn)練相比于實(shí)裝演練，具有便利、訓(xùn)練成本低和效益高等優(yōu)勢(shì)。目前，多數(shù)吊放聲吶模擬器采用仿真信號(hào)作為系統(tǒng)輸入，最終顯示畫面中背景和干擾過(guò)于干凈，目標(biāo)十分容易被分辨和識(shí)別，且未設(shè)置音頻輸出功能和采用聲吶實(shí)際的顯示格式，無(wú)法營(yíng)造出逼真的操作感受。本文介紹了一種基于聲吶實(shí)錄音頻的吊放聲吶模擬器：該系統(tǒng)主動(dòng)方式下從實(shí)錄音頻中提取目標(biāo)回波信號(hào)、背景信號(hào)分類存儲(chǔ)形成回波庫(kù)和背景庫(kù)，被動(dòng)方式下將實(shí)錄輻射噪聲信號(hào)分類存儲(chǔ)形成艦船噪聲庫(kù)，利用反波束形成技術(shù)[2]合成陣元域信號(hào)。合成的陣元域信號(hào)波束形成后轉(zhuǎn)換為波束域信號(hào)，使用真實(shí)的信號(hào)處理流程進(jìn)行目標(biāo)的檢測(cè)與參數(shù)估計(jì)，最終以常用的顯示方式輸出至顯示器。

1 基于實(shí)錄音頻的陣元域信號(hào)合成

仿真信號(hào)真實(shí)性欠佳，背景和干擾過(guò)于干凈。文獻(xiàn)[3]提出一種在實(shí)際海上錄制的背景信號(hào)中插入仿真目標(biāo)回波的方法，以此改善輸出信號(hào)的逼真程度。文獻(xiàn)[2]提出利用實(shí)錄噪聲信號(hào)，通過(guò)反波束技術(shù)合成陣元域信號(hào)的方法，其視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)逼真度較高。本文綜合兩種方法，分別設(shè)計(jì)了模擬器主動(dòng)方式和被動(dòng)方式下的陣元域信號(hào)合成方案。

1.1 主動(dòng)方式陣元域信號(hào)合成方案

圖1給出模擬器主動(dòng)方式下的陣元域信號(hào)合成方案。圖中實(shí)線表示信號(hào)傳遞，虛線表示控制信息傳遞。主動(dòng)方式下陣元域信號(hào)的合成主要包括以下步驟：

(1) 實(shí)錄音頻信號(hào)預(yù)處理：將實(shí)錄信號(hào)提取出的回波按錄制條件、目標(biāo)類型分類存儲(chǔ)形成回波庫(kù)，切掉回波的背景信號(hào)按錄制條件分類存儲(chǔ)形成背景庫(kù)。

(2) 仿真條件設(shè)置與聲場(chǎng)計(jì)算：仿真條件的設(shè)置包含仿真海區(qū)、聲吶工作參數(shù)、目標(biāo)類型、目標(biāo)距離、目標(biāo)方位等因素，按照仿真條件進(jìn)行聲場(chǎng)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果給出回波幅度、回波多普勒頻移、混響強(qiáng)度、回波出現(xiàn)時(shí)刻等元素。如果目標(biāo)機(jī)動(dòng)，每個(gè)探測(cè)周期目標(biāo)距離和目標(biāo)方位會(huì)發(fā)生變化，則要求每個(gè)周期都進(jìn)行一次推算。

(3) 提取背景和回波：按仿真條件從背景庫(kù)為每個(gè)陣元抽取相異的背景信號(hào)，以時(shí)間的不相關(guān)性代替空間不相關(guān)性。盡量使背景錄制條件滿足仿真條件，不滿足時(shí)選取相近條件下的背景信號(hào)代替。按仿真條件從回波庫(kù)抽取一個(gè)回波信號(hào)，不同探測(cè)周期的回波可以是不相同的。

(4) 回波特性變換：按照聲場(chǎng)計(jì)算的結(jié)果，對(duì)提取的參考回波進(jìn)行幅度變換和多普勒變換。

(5) 時(shí)延計(jì)算：根據(jù)聲場(chǎng)計(jì)算得到回波出現(xiàn)時(shí)刻作為聲吶基陣參考點(diǎn)處回波出現(xiàn)時(shí)刻，根據(jù)設(shè)置的信號(hào)入射方位和聲吶基陣數(shù)學(xué)模型計(jì)算各陣元相對(duì)于參考點(diǎn)的時(shí)延，兩者相加得到各陣元處回波出現(xiàn)時(shí)刻。

(6) 反波束形成：為了得到較高的時(shí)延精度，先對(duì)背景和回波進(jìn)行插值處理。根據(jù)時(shí)延計(jì)算的結(jié)果，使變換后的回波疊加在陣元背景信號(hào)對(duì)應(yīng)時(shí)刻，得到各陣元的輸出?；夭ǒB加時(shí)，需要對(duì)首尾部分進(jìn)行平滑處理，本文采用文獻(xiàn)[4]的漢寧窗平滑方法。

1.2 被動(dòng)方式陣元域信號(hào)合成方案

圖2給出模擬器被動(dòng)方式下的陣元域信號(hào)合成方案。圖中實(shí)線表示信號(hào)傳遞，虛線表示控制信息傳遞。被動(dòng)方式基陣信號(hào)合成方案與主動(dòng)方式類似，以下步驟存在差異：

(1) 實(shí)錄音頻信號(hào)預(yù)處理：實(shí)錄艦船噪聲信號(hào)按錄制條件、目標(biāo)類型分類存儲(chǔ)形成艦船噪聲庫(kù)，錄制的海洋環(huán)境噪聲按錄制條件分類存儲(chǔ)形成環(huán)境噪聲庫(kù)。

(2) 提取環(huán)境噪聲和艦船噪聲：按仿真條件從環(huán)境噪聲庫(kù)為每個(gè)陣元抽取相異的背景信號(hào)，以時(shí)間的不相關(guān)性代替空間不相關(guān)性。盡量使環(huán)境噪聲錄制條件滿足仿真條件，不滿足時(shí)選取相近條件下的環(huán)境噪聲代替。按仿真條件從噪聲庫(kù)抽取噪聲信號(hào)。

(3) 反波束形成：對(duì)提取的艦船噪聲進(jìn)行插值處理，作為聲吶基陣參考點(diǎn)接收信號(hào)，在信號(hào)起始處分別插入與各陣元時(shí)延對(duì)應(yīng)的零點(diǎn)得到各陣元輸出信號(hào)，零點(diǎn)數(shù)目等于時(shí)延與插值后的采樣率的乘積，零點(diǎn)數(shù)目不為整數(shù)時(shí)四舍五入取整。

2 模擬器信號(hào)處理流程

2.1 主動(dòng)方式信號(hào)處理流程

主動(dòng)線性調(diào)頻(Linear Frequency Modulation, LFM)方式下信號(hào)處理流程如圖3所示，主要步驟為：

(1) 基陣信號(hào)合成：原理見(jiàn)1.1節(jié)。

(2) 頻域波束形成器：基陣為某圓柱型雙層體積陣，作為一個(gè)任意結(jié)構(gòu)基陣，采用凹槽噪聲法[5]進(jìn)行波束圖設(shè)計(jì)，波束設(shè)計(jì)過(guò)程中迭代增益選取文獻(xiàn)[6]中的改進(jìn)方法，每次迭代運(yùn)算增益都動(dòng)態(tài)變化。參考文獻(xiàn)[7]的波束設(shè)計(jì)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 波束設(shè)計(jì)指標(biāo)

(3) 頻域多通道匹配濾波[8]：波束形成后，根據(jù)模擬器工作參數(shù)設(shè)置仿真產(chǎn)生拷貝信號(hào)，并進(jìn)行頻域多通道匹配濾波。

(4) 數(shù)據(jù)融合：為了使用有限的顯示資源，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮和抽取，本文采用基于OR規(guī)則數(shù)據(jù)融合方法[9]。按文獻(xiàn)[10]的方法，將16個(gè)波束按地理方位(N、E、S、W)分為四個(gè)象限，每個(gè)象限內(nèi)含四個(gè)波束。LFM方式時(shí)，將各象限內(nèi)四個(gè)波束的時(shí)域數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，每個(gè)象限都得到一個(gè)最大峰值，再判斷出四個(gè)最大峰值中較大峰值所在的波束，最后將該波束的幀數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮并和相應(yīng)的波束號(hào)一起送顯，最終待顯示波束數(shù)量由16個(gè)降低為4個(gè)。

(5) 顯示：本文LFM方式時(shí)采用細(xì)距-目標(biāo)距離B式顯示[8]，細(xì)距表示幀內(nèi)的精細(xì)距離。

主動(dòng)單頻脈沖(Continuous Wave, CW)方式時(shí)信號(hào)處理流程與LFM方式類似。區(qū)別在于信號(hào)處理時(shí)只采用多通道FFT分析，得到目標(biāo)的速度信息，數(shù)據(jù)融合時(shí)輸入為FFT后的頻域數(shù)據(jù)。

2.2 被動(dòng)方式信號(hào)處理流程

被動(dòng)方式下信號(hào)處理流程如圖4所示，信號(hào)處理時(shí)同樣采用多通道FFT分析，為了得到較高的頻率分辨力，可選擇一根譜線，采用ZOOM FFT方法[8]進(jìn)行精細(xì)分析。

2.3 仿真實(shí)例

設(shè)置聲吶工作在LFM方式下，目標(biāo)距離26鏈(約4.82 km)，目標(biāo)方位33.75°，與2號(hào)波束方位相同，聲速=1500 m/s。采用1.1節(jié)的方法合成陣元域信號(hào)，經(jīng)過(guò)波束形成后，進(jìn)行多通道匹配濾波處理，數(shù)據(jù)融合后得到四個(gè)象限的輸出，其細(xì)距-目標(biāo)距離B式顯示如圖5所示。由仿真結(jié)果可以看出：目標(biāo)出現(xiàn)在2號(hào)波束所在的N象限，提取亮點(diǎn)所處位置，計(jì)算得到目標(biāo)距離約為25.9鏈(約4.80 km)，采用比幅法[11,12]測(cè)得目標(biāo)方位為33.7°，十分接近設(shè)定的仿真條件。同時(shí)，由于采用了實(shí)錄背景信號(hào)，顯示畫面中近程區(qū)域混響干擾較強(qiáng)，遠(yuǎn)程區(qū)域混響干擾較弱，這與實(shí)際聲吶的顯示效果十分近似。

選取2號(hào)波束進(jìn)行音頻收聽(tīng)，輸出音頻信號(hào)經(jīng)過(guò)頻移和濾波后，其時(shí)域波形和時(shí)頻分析如圖6所示?？梢?jiàn)，輸出音頻信號(hào)在時(shí)域和頻域均保持了較豐富的成分，具有較高自然度。

3 結(jié)論

本文介紹了一種基于實(shí)錄音頻的吊放聲吶模擬器設(shè)計(jì)與仿真，設(shè)計(jì)出陣元域信號(hào)合成方案和信號(hào)處理流程，給出主動(dòng)LFM方式下的仿真實(shí)例。仿真結(jié)果表明：

(1) 就總體顯示效果來(lái)說(shuō)，LFM方式下各象限的顯示內(nèi)容，與實(shí)際聲吶相同參數(shù)下的顯示效果是十分近似的，具有逼真的視覺(jué)效果和操作感受。

(2) 系統(tǒng)輸出的音頻信號(hào)在時(shí)域和頻域均保持了較豐富的成分，具有較高自然度。針對(duì)聲吶操作員的聽(tīng)音測(cè)試表明，系統(tǒng)輸出的音頻信號(hào)具有較逼真的聽(tīng)覺(jué)感受。

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Design and simulation of recorded audio based dipping sonar simulator

JIANG Li-zhi, LIU Wang-suo, YAO Zhi-xiang

(Naval University of Engineering, Wuhan 430033,Hubei,China)

To resolve the problem that many sonar simulators lack a certain realistic feeling in operation, a dipping sonar simulator based on recorded audio is put forward, and simulation results are given. By using inverse beamforming technology, array signals which have a realistic feeling are produced with recorded audio in element domain. With the true beamforming and signal processing methods used in actual sonar, the simulator has a sense of realistic feeling in vision and hearing just like real equipment, which is profitable for sonar operators’ training.

recorded audio; dipping sonar; simulator; fidelity

TN911.4

A

1000-3630(2015)-05-0399-04

10.16300/j.cnki.1000-3630.2015.05.004

2014-11-06;

2015-02-21

蔣立志(1989－), 男, 甘肅鎮(zhèn)原人, 碩士研究生, 研究方向?yàn)樗曆b備與水下探測(cè)技術(shù)。

蔣立志, E-mail:lizjiang@sina.com