畢曉龍

（渤海造船廠集團(tuán)有限公司 葫蘆島 125004）

1 引言

21世紀(jì)以來，人類進(jìn)入了信息時代，計(jì)算機(jī)技術(shù)在諸多領(lǐng)域都發(fā)揮著極為重要的作用，為軍工行業(yè)的分布式系統(tǒng)方面提供了高效的解決方法。

傳統(tǒng)的聲吶仿真系統(tǒng)，采用軟硬件配套的形式進(jìn)行開發(fā)，內(nèi)部的接口均采用點(diǎn)對點(diǎn)的傳輸形式，每個處理單元之間的連線復(fù)雜、物理傳輸通路多，專用型的信號處理種類多，存在著單機(jī)單用的局限性。同時，通訊協(xié)議與顯示界面之間不能剝離，分布式應(yīng)用程序的顯控界面與應(yīng)用程序無法做到動態(tài)綁定［1］。而用于軍事的聲吶系統(tǒng)具有網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大、協(xié)議復(fù)雜等的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通訊方式已無法滿足現(xiàn)代化的聲吶系統(tǒng)的仿真需求。所以有必要對傳統(tǒng)的聲吶軟件提出新的通訊方式［2～4］。

發(fā)布／訂閱（Pub/Sub）模型具備多點(diǎn)通信和異步通信的特點(diǎn)，使分布式系統(tǒng)的參與者在時間、空間以及控制流上完全解耦，因此解決了分布式系統(tǒng)的集成問題和動態(tài)重組問題。對象管理組織OMG利用傳統(tǒng)的發(fā)布/訂閱模型的特性，建立了相應(yīng)的DDS（Data-Distribution Service）規(guī)范，并提供豐富的QoS（Quality of Service）支持，因此在國防、航天等數(shù)據(jù)密集型的實(shí)時領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用［5～9］。

本系統(tǒng)提出一種基于DDS的構(gòu)件化聲吶仿真系統(tǒng)，構(gòu)件化軟件集成平臺旨在設(shè)計(jì)一套開放式的系統(tǒng)集成平臺，實(shí)現(xiàn)分布式系統(tǒng)的集成，提供系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)（使用總線型結(jié)構(gòu)）和發(fā)布訂閱通訊機(jī)制，各軟件可以在該平臺上即插即用，實(shí)現(xiàn)聲吶系統(tǒng)中各仿真軟件互連互通。

2 DDS技術(shù)特點(diǎn)

DDS是一種基于HLA和CORBA等標(biāo)準(zhǔn)的新一代分布式實(shí)時通信中間件技術(shù)規(guī)范，采用發(fā)布/訂閱體系結(jié)構(gòu)，以數(shù)據(jù)為中心，有著豐富的QoS服務(wù)質(zhì)量策略。它具有高效性、靈活性和可靠性，在要求高性能、可預(yù)見性和對資源有效使用的關(guān)鍵領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用［10］。

DDS允許程序?qū)崟r的發(fā)布或者訂閱所需的信息，發(fā)布者可以高效地將正確的信息傳遞給適當(dāng)?shù)挠嗛喺?，發(fā)布者和訂閱者之間采用松耦合的連接方式。DDS在全局?jǐn)?shù)據(jù)空間的基礎(chǔ)上，能夠隨意調(diào)用與該空間中的信息相關(guān)聯(lián)的離散節(jié)點(diǎn)。在信息交流過程中，發(fā)布者將數(shù)據(jù)的屬性等信息傳到數(shù)據(jù)空間；信息訂閱者表明自己期望的數(shù)據(jù)屬性，并將其調(diào)用。

DDS工作流程如下：

1）發(fā)布者在中間件注冊數(shù)據(jù)類型，設(shè)置Qos并建立主題，同時，訂閱者設(shè)置Qos并建立主題；

在預(yù)測精度方面提出的模型還有進(jìn)一步提升的空間，例如進(jìn)一步考慮流場數(shù)據(jù)的空間相關(guān)性，進(jìn)一步降低不確定性，從而提升漂移軌跡預(yù)測精度。此外，提出的方法僅從數(shù)值模擬的角度分析比較，其有效性還需要與實(shí)際場景下物體漂移軌跡進(jìn)行比較，這也是未來研究的一個重要方向。

2）建立主題后，中間件服務(wù)對主題連接關(guān)系進(jìn)行檢查，符合連接要求的發(fā)布者/訂閱者可以建立連接；

3）連接建立后，發(fā)布者設(shè)置數(shù)據(jù)記錄者發(fā)布數(shù)據(jù)，訂閱者設(shè)置數(shù)據(jù)接受者讀取數(shù)據(jù)。

3 聲吶仿真系統(tǒng)總體框架

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

聲吶仿真軟件是依據(jù)目標(biāo)與聲吶的信道結(jié)構(gòu)來生成基于仿真聲場條件下的目標(biāo)信號，有兩種方式來對目標(biāo)信號進(jìn)行檢測，一種是主動的對波束形成后的信號進(jìn)行回波檢測，另一種是被動的利用時間積分進(jìn)行能量累積。

聲吶仿真軟件主要包括6個信號生成構(gòu)件、2個數(shù)據(jù)生成構(gòu)件、1個信號處理構(gòu)件和1個顯控構(gòu)件。其中，信號生成構(gòu)件包括目標(biāo)信號生成、聲場信號生成、平臺自噪聲信號生成、環(huán)境噪聲信號生成、主動發(fā)射信號生成、混響信號生成的構(gòu)件，數(shù)據(jù)生成構(gòu)件包括單陣元數(shù)據(jù)生成和多陣元數(shù)據(jù)生成的構(gòu)件。各構(gòu)件之間通過DDS進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，聲吶仿真系統(tǒng)交互邏輯如圖1所示。

圖1 聲吶模擬軟件構(gòu)件交互邏輯圖

3.2 信息主題訂閱/發(fā)布

DDS技術(shù)是一種以主題的形式來完成數(shù)據(jù)的交流和傳遞的，每一個構(gòu)件的信息主題訂閱/發(fā)布情況根據(jù)構(gòu)件功能不同而彼此相異［11～13］。聲場信號生成構(gòu)件訂閱主題/發(fā)布主題如表1所示。

表1 聲場信號生成構(gòu)件訂閱主題/發(fā)布主題

1）目標(biāo)信號生成構(gòu)件

目標(biāo)信號生成構(gòu)件的工作模式指令分為主動和被動，兩個DDS報(bào)文采用“或”的處理邏輯。當(dāng)選擇主動模式時，構(gòu)件根據(jù)訂閱的目標(biāo)參數(shù)特征（目標(biāo)數(shù)量、類型、運(yùn)動參數(shù)等），來模擬發(fā)布主動工作模式下的目標(biāo)回波特性（目標(biāo)強(qiáng)度、頻譜特征和調(diào)制譜特征）；當(dāng)選擇被動模式時，構(gòu)件根據(jù)訂閱的目標(biāo)參數(shù)特征（目標(biāo)數(shù)量、類型、運(yùn)動參數(shù)等），來模擬發(fā)布被動工作模式下的輻射噪聲信號（目標(biāo)強(qiáng)度、頻譜特征和調(diào)制譜特征）。

2）聲場信號生成構(gòu)件

聲場信號生成構(gòu)件是依照水下環(huán)境的邊界特征，綜合提取與信號傳播相關(guān)的信息要素，利用傳播模型，計(jì)算給出目標(biāo)與接受平臺的點(diǎn)對點(diǎn)信道特征和沖激響應(yīng)函數(shù)，給出聲場中的傳播損失圖和聲線的軌跡歷程圖。本系統(tǒng)的模型同時考慮了聲線傳播軌跡和傳播時間、聲波的聲強(qiáng)和聲壓和傳播損失。聲場信號生成構(gòu)件由聲場沖激響應(yīng)計(jì)算模塊與聲場傳播損失分析模塊構(gòu)成。聲場沖激響應(yīng)計(jì)算模塊根據(jù)給定的精度要求和環(huán)境條件來計(jì)算任意收發(fā)節(jié)點(diǎn)位置之間的信道建模。傳播損失分析模塊主要是計(jì)算全局的聲線軌跡，并進(jìn)行聲場的傳播損失情況分析。聲場信號生成構(gòu)件工作情況如圖2所示。

圖2 聲場信號生成構(gòu)件工作情況

3）平臺自噪聲信號生成構(gòu)件

船舶在航行過程中會產(chǎn)生一些輻射噪聲，產(chǎn)生的原理和目標(biāo)輻射噪聲信號產(chǎn)生原理相同。平臺自噪聲主要是指我船產(chǎn)生的噪聲。艏端陣陣元接收到的平臺自噪聲，是本船輻射噪聲加相當(dāng)于船身長度的距離傳播損失（按球面波擴(kuò)展計(jì)算），不計(jì)陣元間接收信號的時間差。拖曳陣陣元接收到的平臺自噪聲，是本船輻射噪聲加1km距離（或用戶預(yù)先定義距離）傳播損失（按球面波擴(kuò)展計(jì)算），不計(jì)陣元間接收信號的時間差。

4）環(huán)境噪聲信號生成構(gòu)件

環(huán)境噪聲信號生成構(gòu)件主要模擬與水文、氣象相關(guān)的環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)、噪聲功率譜特征。環(huán)境噪聲是信號檢測中所面對的噪聲背景，具有時間和位置等特性。因此，環(huán)境噪聲是去除所有可分辨的瞬態(tài)聲源后所殘留的那部分聲級。海洋環(huán)境噪聲模型中，噪聲聲壓是一個隨機(jī)量，與時間量之間不存在確定關(guān)系，因此分析噪聲聲壓幅值的頻譜沒有意義；而其功率譜函數(shù)是一個確定的統(tǒng)計(jì)量，反映了該過程的各頻率分量的平均強(qiáng)度。圖3給出了不同風(fēng)速和不同航運(yùn)時的環(huán)境噪聲平均功率譜曲線。從圖中可以看出，在低于3Hz的頻段的區(qū)域內(nèi)只有一根譜線，這是因?yàn)樵诘陀?Hz時，風(fēng)度對噪聲功率譜的影響非常微弱，且存在不確定性。使用時，選擇相應(yīng)的航運(yùn)—風(fēng)速譜線，與相鄰頻段的譜線相連，就可以近似對任意時間、任意地點(diǎn)處的環(huán)境噪聲譜進(jìn)行預(yù)報(bào)。

圖3 海洋環(huán)境噪聲平均功率譜圖

5）主動發(fā)射信號生成構(gòu)件

主動發(fā)射信號生成構(gòu)件訂閱的波形類型有三種，分別為單頻矩形脈沖信號（CW）、線性調(diào)頻脈沖信號（LFM）和雙曲線調(diào)頻信號（HFM）。通過設(shè)定合理的參數(shù)后，生成相應(yīng)的主動聲吶信號。

圖4 混響信號生成實(shí)現(xiàn)邏輯圖

6）混響信號生成構(gòu)件

主動聲吶信號發(fā)射之后，接收海面混響、體積混響和海底混響，最終形成聲吶系統(tǒng)的混響信號。

7）單陣元數(shù)據(jù)生成構(gòu)件

單陣元數(shù)據(jù)生成構(gòu)件包括主動接收信號模擬和被動接收信號模擬，主動接收信號是將平臺自噪聲、目標(biāo)回波信號、海洋環(huán)境噪聲和混響疊加，形成主動接收信號。被動接收信號是將船舶的船舶噪聲信號和信道進(jìn)行卷積，再將卷積后的結(jié)果與環(huán)境噪聲信號、平臺自噪聲進(jìn)行卷積后得到的。

8）多陣元數(shù)據(jù)生成構(gòu)件

多陣元數(shù)據(jù)生成構(gòu)件用于根據(jù)用戶設(shè)置的陣元類型（如線形陣、柱形陣等），將單陣元數(shù)據(jù)生成構(gòu)件生成的單陣元數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，形成不同陣元類型的多陣元數(shù)據(jù)。

9）聲吶信號處理構(gòu)件

聲吶信號處理構(gòu)件通過選擇聲吶是處于主動聲吶還是被動聲吶，來對多陣元接收信息進(jìn)行處理，處理后生成DEMON譜數(shù)據(jù)、LOFAR譜數(shù)據(jù)和對應(yīng)的波形數(shù)據(jù)。

10）聲吶顯控構(gòu)件

聲吶顯控構(gòu)件用于設(shè)置聲吶仿真所需的環(huán)境參數(shù)和工作參數(shù)；提供系統(tǒng)工作所需的操控環(huán)境；對聲場環(huán)境、各型聲吶輸出信息及系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行集中顯示。

4 聲吶仿真驗(yàn)證

首先加載配置文件，聲吶構(gòu)件判斷是否收到仿真控制命令，當(dāng)收到開始的控制命令后，構(gòu)件通過接收到的本船信息、目標(biāo)噪聲（被動）、傳播損失和沖擊響應(yīng)（被動）、目標(biāo)回波（主動）、傳播損失和沖擊響應(yīng)（主動）以及水聲環(huán)境噪聲，將這些信號通過模型進(jìn)行計(jì)算，通過顯控構(gòu)件選擇的“被動/主動”模式，來模擬生成相應(yīng)的聲吶波形。

在被動模式下，聲吶被動主界面的波束圖在仿真開始后，會有數(shù)據(jù)輸出，如圖5所示。

圖5 波束輸出圖

點(diǎn)擊波束圖中的任意方位，添加被動跟蹤信號，“5號目標(biāo)”的方位為60，舷角為-121，敵我屬性為敵方。添加的被動模式跟蹤目標(biāo)的DEMON圖和LOFAR圖如圖6所示。

圖6 目標(biāo)DEMON圖和LOFER圖

在主動模式下，聲吶主動主界面的主動波束輸出模塊、主動混響抑制模塊的波束圖在仿真開始后，會有數(shù)據(jù)輸出，如圖7所示。

圖7 主動模式波束輸出

主動模式信號處理界面會提供探測到的目標(biāo)，點(diǎn)擊目標(biāo)，即可在主動模式輔助界面顯示該目標(biāo)的信號處理過程圖像。

圖8 主動模式下的發(fā)射信號

接收回波信號如圖9所示。

圖9 主動模式下的接收回波信號

背景干擾信號如圖10所示。

圖10 主動模式下的背景干擾信號

5 結(jié)語

本系統(tǒng)的聲吶仿真系統(tǒng)是采用基于DDS模型的構(gòu)件化結(jié)構(gòu)來進(jìn)行設(shè)計(jì)，仿真軟件顯控界面與業(yè)務(wù)模塊、通訊模塊是解耦合關(guān)系，可以實(shí)現(xiàn)顯控界面的動態(tài)部署。同時，以構(gòu)件化形式將仿真軟件的功能模塊進(jìn)行獨(dú)立封裝，實(shí)現(xiàn)了各軟件在平臺上的即插即用功能，也便于系統(tǒng)的后期擴(kuò)充、維護(hù)和升級。本系統(tǒng)遵循DDS規(guī)范，是通信具備發(fā)布/訂閱機(jī)制和通用性，提高了系統(tǒng)的可重用性。同時，本系統(tǒng)還可以減少船員訓(xùn)練系統(tǒng)的教學(xué)成本，提高船員的教學(xué)水平，對聲吶訓(xùn)練系統(tǒng)具有重要意義。