齊正云 褚福照

（上海船舶電子設備研究所 上海 201108）

聲納基陣信號模擬器設計與實現(xiàn)?

齊正云 褚福照

（上海船舶電子設備研究所 上海 201108）

聲納基陣信號模擬器是在實驗室條件下對聲納信號處理算法進行研究的重要工具，也是對聲納性能進行初步檢驗的主要技術(shù)手段。對聲納接收信號模擬的真實程度直接決定了模擬器是否能夠有效對聲納性能及新算法進行有效驗證，論文采用現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù)結(jié)合當今先進的數(shù)字信號處理板構(gòu)建了聲納基陣信號模擬器。該模擬器可為聲納提供不同水文條件、海洋環(huán)境、目標狀態(tài)時的基陣接收信號，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信號的模擬，并將以上信號與模擬的拖曳線列陣陣元接收目標信號進行集成，為聲納性能測試及信號處理算法的研制、改進提供了前提條件，縮短了研制周期。通過對該模擬器所產(chǎn)生的基陣信號進行處理得到的波束形成結(jié)果驗證了該模擬器的有效性。

基陣信號；模擬器；背景噪聲

C lassNum ber TP391.9

1 引言

從20世紀80年代起，幾乎每一臺新型聲納的研制同時都研制對應的信號模擬器。所謂的聲納信號模擬器，就是模擬不同水文條件、海洋環(huán)境、目標狀態(tài)時聲納所接收到的信號的模擬裝置。聲納基陣信號模擬器作為聲納技術(shù)發(fā)展中的一個重要組成部分，在實驗室條件下就可完成陸上試驗聲納所需接收信號的模擬，為聲納樣機提供測試調(diào)試環(huán)境，對聲納的報警正確率、漏報率等指標進行初步驗證傳統(tǒng)的聲納信號模擬器一般采用硬件的方式來實現(xiàn)，它的最大優(yōu)點在于工作比較穩(wěn)定，其缺點主要是體積大，靈活性比較差。運用現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù)結(jié)合當今先進的數(shù)字信號處理板而研制的聲納信號模擬器可以很好地解決上述問題，它體積小，通過嵌入不同的軟件包，可以滿足不同系統(tǒng)的要求［1～4］。

聲納基陣信號模擬器提供一種實用的、可近似仿真實際探測目標及海洋環(huán)境的陣元級信號發(fā)生器。它能夠?qū)δ繕溯椛湓肼暋⑺媾炤椛湓肼?，海洋環(huán)境噪聲，流噪聲等進行陣元級信號仿真。

2 系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)功能

聲納基陣信號模擬器是聲納接收信號的集成端，以通用信號陣列處理系統(tǒng)為運行環(huán)境，實現(xiàn)了大量仿真算法，包括仿真來自多個運動目標的輻射噪聲信號、來自水面艦的輻射噪聲信號、來自海洋環(huán)境的背景噪聲信號、流噪聲信號，以及對傳播信道的仿真。

2.2 系統(tǒng)組成

聲納基陣信號模擬器系統(tǒng)框圖如圖1所示。該模擬器主要由顯示控制軟件和信號處理程序組成。顯示控制軟件主要完成參數(shù)設置、實體運動模擬、系統(tǒng)運行控制、運行態(tài)勢顯示以及波束形成結(jié)果顯示功能。信號處理程序主要包括目標輻射噪聲模擬、目標信號時延實現(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器上實現(xiàn)，其余模塊在信號處理平臺實現(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)設置模塊、各實體模型以及顯示模塊組成。其中參數(shù)設置模塊由初始參數(shù)設置、魚雷攻擊方案設置和聲場環(huán)境設置組成；各實體模型由水面艦模型、小目標模型以及潛艇模型組成；顯示模塊由運動態(tài)勢圖和波束形成結(jié)果圖組成。

2）目標輻射噪聲

在水聲對抗過程中，目標輻射噪聲是聲納對水下小目標進行檢測和識別的重要信息來源。目標輻射噪聲產(chǎn)生模塊承擔模擬魚雷及其他干擾小目標的輻射噪聲的任務。該模塊可以模擬水下小目標輻射噪聲的線譜、平穩(wěn)連續(xù)譜、時變調(diào)制譜等特征，這些特征隨目標的類型、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聲納流噪聲模擬的任務。該模塊由完全相同、相互獨立的若干通道構(gòu)成，每一個通道用于模擬一路流噪聲信號，可以通過航速和聲陣外徑的改變控制流噪聲的強度［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行模擬。海洋環(huán)境的噪聲級依據(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水面艦輻射噪聲模擬的任務，它在IBMBladeCenter HS21刀片服務器上完成。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)實現(xiàn)

基于上述系統(tǒng)設計的基礎上，本系統(tǒng)實現(xiàn)所需主要硬件設備及軟件運行環(huán)境如下：

1）信號處理機一臺：包括四塊信號處理板（共24片ADSPTigerSharc201處理芯片），一塊主控板，一塊網(wǎng)絡交換板；

2）IBMBlade Center HS21刀片服務器一臺；

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

4）信號處理程序編譯軟件使用VisualDSP++；

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

3.1 目標輻射噪聲

水下運動目標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；時變噪聲譜主要是指螺旋槳葉片速率譜對平穩(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)，反映輻射噪聲時變調(diào)制的時變規(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)對包跡譜的影響。m(f)是調(diào)制深度譜，可用簡單的矩形函數(shù)來實現(xiàn)。

連續(xù)譜信號依據(jù)信號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AR濾波器，就產(chǎn)生了具有指定譜形狀的連續(xù)譜信號。

線譜的模擬可通過以下公式：

其中Ai、ωi、φi分別是振幅、頻率和相位信息。這三個量的前兩個是根據(jù)實際情況對線譜的振幅和頻率進行估算來確定，而相位信息相對而言不是很重要，可以用一個隨機量來表示。

3.2 流噪聲

功率譜模型采用下式計算：

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)設定的海水密度、截至頻率以及顯示控制軟件實時寫入的水面艦航速計算出流噪聲的功率譜模型。由功率譜模型做IFFT得到自相關函數(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AR濾波器，就產(chǎn)生了具有指定譜形狀的流噪聲信號。

3.3 水面艦輻射噪聲

水面艦輻射噪聲級：

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、多途信道模塊和運行軌跡模塊組成［9～12］。

1）水面艦輻射噪聲發(fā)生模塊

被動拖曳線列陣聲納通過檢測目標輻射的噪聲來發(fā)現(xiàn)目標，并進行測向、測距和識別。研究被動聲納的信號處理首先必須克服聲納安裝平臺（水面艦）輻射噪聲的影響，針對其特性采用相應的最佳處理方法。水面艦聲源被假定為點源，它輻射連續(xù)譜噪聲和線譜序列?！拜椛湓肼暟l(fā)生模塊”產(chǎn)生水面艦輻射噪聲的仿真信號。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。

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特性、目標實體的位置和深度等參數(shù)，利用射線聲學本征聲線的方法建立海洋多途信道模型，計算出目標實體之間的海洋信道的沖激響應函數(shù)，從而對聲學參數(shù)和信道進行處理。

3）運行軌跡模塊

實際水面艦在航行過程中，必然存在直航和轉(zhuǎn)彎情況，為了更加真實模擬水面艦的運行軌跡，分別將直航和轉(zhuǎn)彎情況嵌入到并行程序中，可以實時地實現(xiàn)艦船的任意角度的轉(zhuǎn)彎情況信號模擬。

由刀片服務器產(chǎn)生水面艦輻射噪聲信號，通過千兆網(wǎng)口傳輸至交換板，交換板利用winpcap方式從網(wǎng)絡抓包，將抓到的數(shù)據(jù)包通過LINK傳輸方式發(fā)到指定的信號處理芯片上。

4 系統(tǒng)測試驗證

下面給出兩種態(tài)勢下，聲納基陣信號模擬測試結(jié)果。

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

圖3 運動態(tài)勢圖

圖4 信號波束形成結(jié)果

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

圖5 運動態(tài)勢圖

圖3 和圖5為俯視圖，沒有體現(xiàn)目標運動過程中深度的變化。其中：1為表示水面艦的運動軌跡線；2為表示魚雷的攻擊過程軌跡線；3為表示目標1的運動軌跡線；4為表示目標2的運動軌跡線。

從上述兩種態(tài)勢的聲納基陣信號模擬測試結(jié)果圖中可以看出：波束形成結(jié)果與仿真態(tài)勢一致。

圖6 信號波束形成結(jié)果

5 結(jié)語

本文介紹了某型聲納基陣信號模擬器的設計與實現(xiàn)過程，該模擬器對聲納基陣信號接收的運動目標的輻射噪聲信號、水面艦的輻射噪聲信號、海洋環(huán)境噪聲信號以及流噪聲信號進行仿真，并對信號傳播信道進行仿真。其中的理論模型是對實際噪聲的近似描述，還不是很全面，但可以體現(xiàn)出聲納基陣信號的基本特征，通過對產(chǎn)生的信號進行常規(guī)波束形成得到的結(jié)果與運動態(tài)勢圖進行實時比對進行驗證，可以看出在一定程度上此仿真是有效的。

［1］汪德昭，尚爾昌.水聲學［M］.北京：科學出版社，1984：25-50.

［2］劉伯勝，雷家煜.水聲學原理［M］.哈爾濱：哈爾濱船舶工業(yè)學院出版社，1993：215-240.

［3］李磊，吳培榮等.矢量水聽器拖曳陣的信號模擬器設計［J］.應用聲學，2010（1）：28-35.

［4］王振華.聲納模擬器及顯控軟件的研究與開發(fā)［D］.鄭州：鄭州大學，2011.

［5］趙軍，張洪剛.水下目標輻射噪聲高精度仿真方法［J］.海軍工程大學學報，2011（5）：68-71.

［6］楊鵬，苑秉成.實時水中目標輻射噪聲仿真技術(shù)研究［J］.武漢理工大學學報，2008，32（3）：492-495.

［7］ Knight A.Flow noise calculations of extended hydrophones in fluid and solid-filled towed arrays［J］.JASA，1996，100（1）：245-251.

［8］Beerens SP.Flow noise analysis of towed sonararrays［C］//UDT：Undersea defence technology.Swanley：Nexus House.1999：392-397.

［9］趙閃，孫長瑜等.水面艦輻射噪聲特性分析及實用抵消［J］.聲學技術(shù)，2013（2）：92-95.

［10］ WALES S C，HEITMEYER R M.An ensemble sourcespectra model for merchant Ship-radiated Noise［J］.J.Acoust.Soc.Am.2002，111（3）：1211-1231.

［11］張明敏，王平波，談亮.拖曳聲納的本艦噪聲仿真［J］.系統(tǒng)仿真學報，2003，15（3）：426-428.

［12］馬徐琨.淺析水下高速航行體對轉(zhuǎn)螺旋槳輻射噪聲線譜建模［J］.聲學學報，2002，27（11）：502-506.

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：水聲對抗系統(tǒng)仿真。褚福照，男，博士，高級工程師，研究方向：陣列信號處理及水聲對抗系統(tǒng)仿真。