齊正云 褚福照

（上海船舶電子設(shè)備研究所 上海 201108）

聲納基陣信號(hào)模擬器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)?

齊正云 褚福照

（上海船舶電子設(shè)備研究所 上海 201108）

聲納基陣信號(hào)模擬器是在實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)聲納信號(hào)處理算法進(jìn)行研究的重要工具，也是對(duì)聲納性能進(jìn)行初步檢驗(yàn)的主要技術(shù)手段。對(duì)聲納接收信號(hào)模擬的真實(shí)程度直接決定了模擬器是否能夠有效對(duì)聲納性能及新算法進(jìn)行有效驗(yàn)證，論文采用現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)結(jié)合當(dāng)今先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理板構(gòu)建了聲納基陣信號(hào)模擬器。該模擬器可為聲納提供不同水文條件、海洋環(huán)境、目標(biāo)狀態(tài)時(shí)的基陣接收信號(hào)，它可以依據(jù)一定的陣列形式完成流噪聲、海洋環(huán)境噪聲和水面艦噪聲陣元級(jí)信號(hào)的模擬，并將以上信號(hào)與模擬的拖曳線列陣陣元接收目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行集成，為聲納性能測(cè)試及信號(hào)處理算法的研制、改進(jìn)提供了前提條件，縮短了研制周期。通過(guò)對(duì)該模擬器所產(chǎn)生的基陣信號(hào)進(jìn)行處理得到的波束形成結(jié)果驗(yàn)證了該模擬器的有效性。

基陣信號(hào)；模擬器；背景噪聲

C lassNum ber TP391.9

1 引言

從20世紀(jì)80年代起，幾乎每一臺(tái)新型聲納的研制同時(shí)都研制對(duì)應(yīng)的信號(hào)模擬器。所謂的聲納信號(hào)模擬器，就是模擬不同水文條件、海洋環(huán)境、目標(biāo)狀態(tài)時(shí)聲納所接收到的信號(hào)的模擬裝置。聲納基陣信號(hào)模擬器作為聲納技術(shù)發(fā)展中的一個(gè)重要組成部分，在實(shí)驗(yàn)室條件下就可完成陸上試驗(yàn)聲納所需接收信號(hào)的模擬，為聲納樣機(jī)提供測(cè)試調(diào)試環(huán)境，對(duì)聲納的報(bào)警正確率、漏報(bào)率等指標(biāo)進(jìn)行初步驗(yàn)證傳統(tǒng)的聲納信號(hào)模擬器一般采用硬件的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，它的最大優(yōu)點(diǎn)在于工作比較穩(wěn)定，其缺點(diǎn)主要是體積大，靈活性比較差。運(yùn)用現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)結(jié)合當(dāng)今先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理板而研制的聲納信號(hào)模擬器可以很好地解決上述問(wèn)題，它體積小，通過(guò)嵌入不同的軟件包，可以滿足不同系統(tǒng)的要求［1～4］。

聲納基陣信號(hào)模擬器提供一種實(shí)用的、可近似仿真實(shí)際探測(cè)目標(biāo)及海洋環(huán)境的陣元級(jí)信號(hào)發(fā)生器。它能夠?qū)δ繕?biāo)輻射噪聲、水面艦輻射噪聲，海洋環(huán)境噪聲，流噪聲等進(jìn)行陣元級(jí)信號(hào)仿真。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)功能

聲納基陣信號(hào)模擬器是聲納接收信號(hào)的集成端，以通用信號(hào)陣列處理系統(tǒng)為運(yùn)行環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了大量仿真算法，包括仿真來(lái)自多個(gè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的輻射噪聲信號(hào)、來(lái)自水面艦的輻射噪聲信號(hào)、來(lái)自海洋環(huán)境的背景噪聲信號(hào)、流噪聲信號(hào)，以及對(duì)傳播信道的仿真。

2.2 系統(tǒng)組成

聲納基陣信號(hào)模擬器系統(tǒng)框圖如圖1所示。該模擬器主要由顯示控制軟件和信號(hào)處理程序組成。顯示控制軟件主要完成參數(shù)設(shè)置、實(shí)體運(yùn)動(dòng)模擬、系統(tǒng)運(yùn)行控制、運(yùn)行態(tài)勢(shì)顯示以及波束形成結(jié)果顯示功能。信號(hào)處理程序主要包括目標(biāo)輻射噪聲模擬、目標(biāo)信號(hào)時(shí)延實(shí)現(xiàn)、流噪聲模擬、海洋環(huán)境噪聲模擬和水面艦輻射噪聲模擬，其中水面艦輻射噪聲模擬在刀片服務(wù)器上實(shí)現(xiàn)，其余模塊在信號(hào)處理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

1）顯示控制軟件

顯示控制軟件主要由參數(shù)設(shè)置模塊、各實(shí)體模型以及顯示模塊組成。其中參數(shù)設(shè)置模塊由初始參數(shù)設(shè)置、魚雷攻擊方案設(shè)置和聲場(chǎng)環(huán)境設(shè)置組成；各實(shí)體模型由水面艦?zāi)Ｐ?、小目?biāo)模型以及潛艇模型組成；顯示模塊由運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì)圖和波束形成結(jié)果圖組成。

2）目標(biāo)輻射噪聲

在水聲對(duì)抗過(guò)程中，目標(biāo)輻射噪聲是聲納對(duì)水下小目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)和識(shí)別的重要信息來(lái)源。目標(biāo)輻射噪聲產(chǎn)生模塊承擔(dān)模擬魚雷及其他干擾小目標(biāo)的輻射噪聲的任務(wù)。該模塊可以模擬水下小目標(biāo)輻射噪聲的線譜、平穩(wěn)連續(xù)譜、時(shí)變調(diào)制譜等特征，這些特征隨目標(biāo)的類型、航速等參數(shù)的變化而變化［5～6］。

圖2 顯示控制軟件組成圖

3）流噪聲

流噪聲生成模塊承擔(dān)聲納流噪聲模擬的任務(wù)。該模塊由完全相同、相互獨(dú)立的若干通道構(gòu)成，每一個(gè)通道用于模擬一路流噪聲信號(hào)，可以通過(guò)航速和聲陣外徑的改變控制流噪聲的強(qiáng)度［7～8］。

4）海洋環(huán)境噪聲

背景噪聲為水面艦自噪聲、流噪聲和海洋環(huán)境噪聲綜合的干擾噪聲。主要的背景噪聲為水面艦自噪聲。故海洋環(huán)境噪聲近似采用高斯白噪聲進(jìn)行模擬。海洋環(huán)境的噪聲級(jí)依據(jù)深海平均海洋環(huán)境噪聲譜，查表并插值得到。

5）水面艦輻射噪聲

水面艦輻射噪聲生成模塊承擔(dān)水面艦輻射噪聲模擬的任務(wù)，它在IBMBladeCenter HS21刀片服務(wù)器上完成。該模塊可以模擬不同航速、噸位下的水面艦輻射噪聲。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

基于上述系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)所需主要硬件設(shè)備及軟件運(yùn)行環(huán)境如下：

1）信號(hào)處理機(jī)一臺(tái)：包括四塊信號(hào)處理板（共24片ADSPTigerSharc201處理芯片），一塊主控板，一塊網(wǎng)絡(luò)交換板；

2）IBMBlade Center HS21刀片服務(wù)器一臺(tái)；

3）主控板使用Windows XP操作系統(tǒng)作為運(yùn)行平臺(tái)，顯示控制軟件使用VisualC++；

4）信號(hào)處理程序編譯軟件使用VisualDSP++；

5）IBMBlade Center HS21刀片服務(wù)器使用Red Hat企業(yè)版RHEL5.4操作系統(tǒng)作為運(yùn)行平臺(tái)。

3.1 目標(biāo)輻射噪聲

水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)輻射噪聲譜的模型可按如下函數(shù)表示：

其中，GL(f)為低頻線譜，GX(f)為平穩(wěn)連續(xù)譜，m(t)為時(shí)間調(diào)制函數(shù)，m(f)為幅度調(diào)制函數(shù)。其功率譜模型采用

其中參數(shù)α影響譜線峰的尖銳程度，f0決定G(f)的曲線峰值位置；fm決定曲線的尖銳程度和高度，采用該模型，高頻段大致有-6dB/oct的衰減率；時(shí)變?cè)肼曌V主要是指螺旋槳葉片速率譜對(duì)平穩(wěn)連續(xù)譜的幅度調(diào)制，其譜特征可以用如下函數(shù)描述：

其中，m(t)是周期調(diào)制函數(shù)，反映輻射噪聲時(shí)變調(diào)制的時(shí)變規(guī)律，采用幅度和寬度可調(diào)節(jié)的矩形脈沖串模型，該模型很好地反映出螺旋槳主軸轉(zhuǎn)速和葉片數(shù)對(duì)包跡譜的影響。m(f)是調(diào)制深度譜，可用簡(jiǎn)單的矩形函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

連續(xù)譜信號(hào)依據(jù)信號(hào)形式的不同建立具有特定譜形狀的功率譜模型；由功率譜模型做IFFT得到自相關(guān)函數(shù)；采用Levison算法產(chǎn)生AR濾波器；使均值為0，方差為1的高斯白噪聲通過(guò)AR濾波器，就產(chǎn)生了具有指定譜形狀的連續(xù)譜信號(hào)。

線譜的模擬可通過(guò)以下公式：

其中Ai、ωi、φi分別是振幅、頻率和相位信息。這三個(gè)量的前兩個(gè)是根據(jù)實(shí)際情況對(duì)線譜的振幅和頻率進(jìn)行估算來(lái)確定，而相位信息相對(duì)而言不是很重要，可以用一個(gè)隨機(jī)量來(lái)表示。

3.2 流噪聲

功率譜模型采用下式計(jì)算：

其中，U 為航速，單位m/s；ω0為截止頻率；δ=U/ω0為邊界層排擠厚度；ρ為水密度，單位kg/m3。依據(jù)設(shè)定的海水密度、截至頻率以及顯示控制軟件實(shí)時(shí)寫入的水面艦航速計(jì)算出流噪聲的功率譜模型。由功率譜模型做IFFT得到自相關(guān)函數(shù)；采用Levison算法產(chǎn)生AR濾波器；使均值為0，方差為1的高斯白噪聲通過(guò)AR濾波器，就產(chǎn)生了具有指定譜形狀的流噪聲信號(hào)。

3.3 水面艦輻射噪聲

水面艦輻射噪聲級(jí)：

其中，V為水面艦航速，單位節(jié)；D為水面艦重量，單位噸；f0為頻率。

水面艦輻射噪聲模塊由水面艦輻射噪聲發(fā)生模塊、多途信道模塊和運(yùn)行軌跡模塊組成［9～12］。

1）水面艦輻射噪聲發(fā)生模塊

被動(dòng)拖曳線列陣聲納通過(guò)檢測(cè)目標(biāo)輻射的噪聲來(lái)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，并進(jìn)行測(cè)向、測(cè)距和識(shí)別。研究被動(dòng)聲納的信號(hào)處理首先必須克服聲納安裝平臺(tái)（水面艦）輻射噪聲的影響，針對(duì)其特性采用相應(yīng)的最佳處理方法。水面艦聲源被假定為點(diǎn)源，它輻射連續(xù)譜噪聲和線譜序列。“輻射噪聲發(fā)生模塊”產(chǎn)生水面艦輻射噪聲的仿真信號(hào)。水面艦輻射的連續(xù)譜和線譜均和艦船的船型和航速有關(guān)。

2）多途信道模塊

根據(jù)水文條件、海洋中海面和海底的聲學(xué)特性、目標(biāo)實(shí)體的位置和深度等參數(shù)，利用射線聲學(xué)本征聲線的方法建立海洋多途信道模型，計(jì)算出目標(biāo)實(shí)體之間的海洋信道的沖激響應(yīng)函數(shù)，從而對(duì)聲學(xué)參數(shù)和信道進(jìn)行處理。

3）運(yùn)行軌跡模塊

實(shí)際水面艦在航行過(guò)程中，必然存在直航和轉(zhuǎn)彎情況，為了更加真實(shí)模擬水面艦的運(yùn)行軌跡，分別將直航和轉(zhuǎn)彎情況嵌入到并行程序中，可以實(shí)時(shí)地實(shí)現(xiàn)艦船的任意角度的轉(zhuǎn)彎情況信號(hào)模擬。

由刀片服務(wù)器產(chǎn)生水面艦輻射噪聲信號(hào)，通過(guò)千兆網(wǎng)口傳輸至交換板，交換板利用winpcap方式從網(wǎng)絡(luò)抓包，將抓到的數(shù)據(jù)包通過(guò)LINK傳輸方式發(fā)到指定的信號(hào)處理芯片上。

4 系統(tǒng)測(cè)試驗(yàn)證

下面給出兩種態(tài)勢(shì)下，聲納基陣信號(hào)模擬測(cè)試結(jié)果。

1）水面艦的初始坐標(biāo)為（0，0），航速DI節(jié)，航向90度；魚雷的初始坐標(biāo)為（8718，-5000），航速DA節(jié)，初始航向90°；目標(biāo)1的初始坐標(biāo)為（2500，-4500），航速 DB 節(jié)，航向 300°，作直線運(yùn)動(dòng)；目標(biāo)2的初始坐標(biāo)分別為（3500，2500），航速DD節(jié)，航向210°，作直線運(yùn)動(dòng)。未融合水面艦信號(hào)下的仿真態(tài)勢(shì)圖和信號(hào)波束形成結(jié)果圖如圖3和圖4所示。

圖3 運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì)圖

圖4 信號(hào)波束形成結(jié)果

2）水面艦的初始坐標(biāo)為（0，0），航速DI節(jié)，航向90°；魚雷的初始坐標(biāo)為（0，-8000），航速DB節(jié)，初始航向90°；目標(biāo)1的初始坐標(biāo)為（2500，-4500），航速DB節(jié)，航向300°，作圓周運(yùn)動(dòng)；目標(biāo)2的初始坐標(biāo)分別為（3500，2500），航速DD節(jié)，航向210°，作直線運(yùn)動(dòng)。融合水面艦信號(hào)下的仿真態(tài)勢(shì)圖和信號(hào)波束形成結(jié)果圖如圖5和圖6所示。

圖5 運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì)圖

圖3 和圖5為俯視圖，沒(méi)有體現(xiàn)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中深度的變化。其中：1為表示水面艦的運(yùn)動(dòng)軌跡線；2為表示魚雷的攻擊過(guò)程軌跡線；3為表示目標(biāo)1的運(yùn)動(dòng)軌跡線；4為表示目標(biāo)2的運(yùn)動(dòng)軌跡線。

從上述兩種態(tài)勢(shì)的聲納基陣信號(hào)模擬測(cè)試結(jié)果圖中可以看出：波束形成結(jié)果與仿真態(tài)勢(shì)一致。

圖6 信號(hào)波束形成結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了某型聲納基陣信號(hào)模擬器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過(guò)程，該模擬器對(duì)聲納基陣信號(hào)接收的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的輻射噪聲信號(hào)、水面艦的輻射噪聲信號(hào)、海洋環(huán)境噪聲信號(hào)以及流噪聲信號(hào)進(jìn)行仿真，并對(duì)信號(hào)傳播信道進(jìn)行仿真。其中的理論模型是對(duì)實(shí)際噪聲的近似描述，還不是很全面，但可以體現(xiàn)出聲納基陣信號(hào)的基本特征，通過(guò)對(duì)產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行常規(guī)波束形成得到的結(jié)果與運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì)圖進(jìn)行實(shí)時(shí)比對(duì)進(jìn)行驗(yàn)證，可以看出在一定程度上此仿真是有效的。

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Design and Im p lementation of Sonar Array Signal Sim ulator

QIZhengyun CHU Fuzhao
（ShanghaiMarine Electronic EquipmentResearch Institute，Shanghai 201108）

Sonar array signal simulator isan important researchmethod for the sonar signal processing algorithmsunder laboratory conditions，also is themain technicalmeans for preliminary testof the sonar property.The really degree of the signaldirectly determine whether can effective verification sonar property and new algorithms.This paper constructs a sonar array signal simulator with the digital signal processing technique and the signal processing board.The simulator can simulate the sonar array signal at differenthydrological conditions，ocean conditions and targetstate.Itcan simulate the flow noise，ocean noise and ship noise in different array form，then plus these signals with the target signal.At last，It can provide precondition to preliminary test of the sonar property and signal processing algorithms，shortening development cycle.The validity of the simulator can prove by the beam forming resultof the array signal，which simulate by this simulator.

sonararray signal，simulator，background noise

TP391.9

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.09.029

2017年3月9日，

2017年4月28日

齊正云，女，碩士，工程師，研究方向：水聲對(duì)抗系統(tǒng)仿真。褚福照，男，博士，高級(jí)工程師，研究方向：陣列信號(hào)處理及水聲對(duì)抗系統(tǒng)仿真。