基于數(shù)據(jù)分發(fā)服務的聲吶仿真系統(tǒng)的研究?

畢曉龍

（渤海造船廠集團有限公司 葫蘆島 125004）

1 引言

21世紀以來，人類進入了信息時代，計算機技術在諸多領域都發(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行開發(fā)，內(nèi)部的接口均采用點對點的傳輸形式，每個處理單元之間的連線復雜、物理傳輸通路多，專用型的信號處理種類多，存在著單機單用的局限性。同時，通訊協(xié)議與顯示界面之間不能剝離，分布式應用程序的顯控界面與應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)絡規(guī)模大、協(xié)議復雜等的特點，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡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）模型具備多點通信和異步通信的特點，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)密集型的實時領域有著廣泛的應用［5～9］。

本系統(tǒng)提出一種基于DDS的構件化聲吶仿真系統(tǒng)，構件化軟件集成平臺旨在設計一套開放式的系統(tǒng)集成平臺，實現(xiàn)分布式系統(tǒng)的集成，提供系統(tǒng)的基本結構（使用總線型結構）和發(fā)布訂閱通訊機制，各軟件可以在該平臺上即插即用，實現(xiàn)聲吶系統(tǒng)中各仿真軟件互連互通。

2 DDS技術特點

DDS是一種基于HLA和CORBA等標準的新一代分布式實時通信中間件技術規(guī)范，采用發(fā)布/訂閱體系結構，以數(shù)據(jù)為中心，有著豐富的QoS服務質(zhì)量策略。它具有高效性、靈活性和可靠性，在要求高性能、可預見性和對資源有效使用的關鍵領域有著廣泛的應用［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?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在全局數(shù)據(jù)空間的基礎上，能夠隨意調(diào)用與該空間中的信息相關聯(lián)的離散節(jié)點。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，設置Qos并建立主題，同時，訂閱者設置Qos并建立主題；

在預測精度方面提出的模型還有進一步提升的空間，例如進一步考慮流場數(shù)據(jù)的空間相關性，進一步降低不確定性，從而提升漂移軌跡預測精度。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際場景下物體漂移軌跡進行比較，這也是未來研究的一個重要方向。

2）建立主題后，中間件服務對主題連接關系進行檢查，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)布者設置數(shù)據(jù)記錄者發(fā)布數(shù)據(jù)，訂閱者設置數(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

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

聲吶仿真軟件主要包括6個信號生成構件、2個數(shù)據(jù)生成構件、1個信號處理構件和1個顯控構件。其中，信號生成構件包括目標信號生成、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、混響信號生成的構件，數(shù)據(jù)生成構件包括單陣元數(shù)據(jù)生成和多陣元數(shù)據(jù)生成的構件。各構件之間通過DDS進行數(shù)據(jù)交互，聲吶仿真系統(tǒng)交互邏輯如圖1所示。

圖1 聲吶模擬軟件構件交互邏輯圖

3.2 信息主題訂閱/發(fā)布

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

表1 聲場信號生成構件訂閱主題/發(fā)布主題

1）目標信號生成構件

目標信號生成構件的工作模式指令分為主動和被動，兩個DDS報文采用“或”的處理邏輯。當選擇主動模式時，構件根據(jù)訂閱的目標參數(shù)特征（目標數(shù)量、類型、運動參數(shù)等），來模擬發(fā)布主動工作模式下的目標回波特性（目標強度、頻譜特征和調(diào)制譜特征）；當選擇被動模式時，構件根據(jù)訂閱的目標參數(shù)特征（目標數(shù)量、類型、運動參數(shù)等），來模擬發(fā)布被動工作模式下的輻射噪聲信號（目標強度、頻譜特征和調(diào)制譜特征）。

2）聲場信號生成構件

聲場信號生成構件是依照水下環(huán)境的邊界特征，綜合提取與信號傳播相關的信息要素，利用傳播模型，計算給出目標與接受平臺的點對點信道特征和沖激響應函數(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、聲波的聲強和聲壓和傳播損失。聲場信號生成構件由聲場沖激響應計算模塊與聲場傳播損失分析模塊構成。聲場沖激響應計算模塊根據(jù)給定的精度要求和環(huán)境條件來計算任意收發(fā)節(jié)點位置之間的信道建模。傳播損失分析模塊主要是計算全局的聲線軌跡，并進行聲場的傳播損失情況分析。聲場信號生成構件工作情況如圖2所示。

圖2 聲場信號生成構件工作情況

3）平臺自噪聲信號生成構件

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于船身長度的距離傳播損失（按球面波擴展計算），不計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（或用戶預先定義距離）傳播損失（按球面波擴展計算），不計陣元間接收信號的時間差。

4）環(huán)境噪聲信號生成構件

環(huán)境噪聲信號生成構件主要模擬與水文、氣象相關的環(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量，與時間量之間不存在確定關系，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)計量，反映了該過程的各頻率分量的平均強度。圖3給出了不同風速和不同航運時的環(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，這是因為在低于3Hz時，風度對噪聲功率譜的影響非常微弱，且存在不確定性。使用時，選擇相應的航運—風速譜線，與相鄰頻段的譜線相連，就可以近似對任意時間、任意地點處的環(huán)境噪聲譜進行預報。

圖3 海洋環(huán)境噪聲平均功率譜圖

5）主動發(fā)射信號生成構件

主動發(fā)射信號生成構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）。通過設定合理的參數(shù)后，生成相應的主動聲吶信號。

圖4 混響信號生成實現(xiàn)邏輯圖

6）混響信號生成構件

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)生成構件

單陣元數(shù)據(jù)生成構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行卷積，再將卷積后的結果與環(huán)境噪聲信號、平臺自噪聲進行卷積后得到的。

8）多陣元數(shù)據(jù)生成構件

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

9）聲吶信號處理構件

聲吶信號處理構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行處理，處理后生成DEMON譜數(shù)據(jù)、LOFAR譜數(shù)據(jù)和對應的波形數(shù)據(jù)。

10）聲吶顯控構件

聲吶顯控構件用于設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)進行集中顯示。

4 聲吶仿真驗證

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

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

點擊波束圖中的任意方位，添加被動跟蹤信號，“5號目標”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的DEMON圖和LOFAR圖如圖6所示。

圖6 目標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，點擊目標，即可在主動模式輔助界面顯示該目標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 結語

本系統(tǒng)的聲吶仿真系統(tǒng)是采用基于DDS模型的構件化結構來進行設計，仿真軟件顯控界面與業(yè)務模塊、通訊模塊是解耦合關系，可以實現(xiàn)顯控界面的動態(tài)部署。同時，以構件化形式將仿真軟件的功能模塊進行獨立封裝，實現(xiàn)了各軟件在平臺上的即插即用功能，也便于系統(tǒng)的后期擴充、維護和升級。本系統(tǒng)遵循DDS規(guī)范，是通信具備發(fā)布/訂閱機制和通用性，提高了系統(tǒng)的可重用性。同時，本系統(tǒng)還可以減少船員訓練系統(tǒng)的教學成本，提高船員的教學水平，對聲吶訓練系統(tǒng)具有重要意義。