一種主動全向浮標(biāo)仿真系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

許弋慧，宋飛飛

（中船重工第715 研究所，浙江杭州，310012）

0 引言

浮標(biāo)作為重要搜潛裝備，在反潛工作中具有極其重要的作用。主動全向浮標(biāo)可提供目標(biāo)距離、徑向速度，并且布設(shè)速度快，受載機自噪聲影響小，三枚主動全向浮標(biāo)還可精準(zhǔn)測定目標(biāo)的距離及速度[1,2]。而在實際浮標(biāo)聲處理設(shè)備研制、測試、維修過程中，由于在地面缺乏浮標(biāo)聲處理設(shè)備進行正常工作所需的水聲環(huán)境，有時無法完成對浮標(biāo)聲處理設(shè)備的校準(zhǔn)和測試。本文根據(jù)實際需求，研制了一種主動全向浮標(biāo)仿真系統(tǒng)，模擬實際主動全向浮標(biāo)的特性，采用相應(yīng)的算法進行處理，完成目標(biāo)距離和速度的檢測。

1 理論分析

1.1 目標(biāo)速度測量數(shù)學(xué)模型

主動全向浮標(biāo)發(fā)射某種形式的聲信號，利用信號在水下傳播途中障礙物或者目標(biāo)反射的回波來進行探測目標(biāo)距離及徑向速度。CW 單頻信號為常用的發(fā)射信號。中心頻率為500Hz 的信號波形與頻譜如圖1 和圖2 所示。

圖1 CW 單頻信號時域示意圖

圖2 CW 單頻信號頻域示意圖

CW 信號測量目標(biāo)徑向速度是基于多普勒頻移現(xiàn)象[3]，其基本原理是發(fā)射頻率為ft單頻信號，一旦經(jīng)目標(biāo)反射，接收機接收到的信號頻率為fr，根據(jù)多普勒頻移公式即可得出

1.2 目標(biāo)距離測量數(shù)學(xué)模型

CW 信號測量目標(biāo)距離是通過接收回波與發(fā)射信號的時間差來計算[3]，根據(jù)1.1 節(jié)所述，發(fā)射機發(fā)射單頻信號，一旦經(jīng)目標(biāo)反射，接收機接收到回波信號，測得信號的往返時間差，對其取半即為單程時間差，通過距離計算公式得出：

如圖3 所示，時間t為信號往返時間差，根據(jù)式（4）即可計算出目標(biāo)距離。

圖3 CW 信號測距原理

2 系統(tǒng)組成和實現(xiàn)

2.1 組成

系統(tǒng)主要由聲信號模擬器單元、信號處理單元、顯示控制單元等三部分組成。系統(tǒng)組成框圖如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)的組成框圖

模擬器單元根據(jù)信號參數(shù)設(shè)置信息，運行聲信號模擬算法，不斷產(chǎn)生各通道數(shù)字信號，當(dāng)數(shù)據(jù)累積到計算時長后輸出；信號處理單元接收模擬器單元上傳的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行分析處理，然后將視頻結(jié)果發(fā)送至顯示控制單元；顯示控制單元用于PC 機與用戶進行交互，控制系統(tǒng)的啟動或停止，顯示信號處理單元輸出的數(shù)據(jù)結(jié)果等。

2.2 模擬聲信號

模擬器單元根據(jù)信號參數(shù)設(shè)置信息，運行聲信號模擬算法，不斷產(chǎn)生各通道數(shù)字信號，當(dāng)數(shù)據(jù)累積到計算時長后輸出。

2.3 信號處理單元的實現(xiàn)

信號處理單元接收模擬器上傳的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)采用各種算法進行分析處理，主要包括復(fù)解調(diào)、降采樣濾波模塊、FFT、求模四個模塊，軟件框圖如圖5 所示。

圖5 軟件框圖

2.3.1 復(fù)解調(diào)和降采樣濾波模塊

該模塊主要包括復(fù)解調(diào)和降采樣濾波兩個部分，該模塊將聲信號變頻到基帶，減少了運算量，便于后續(xù)處理。相關(guān)計算方式如下所示：

2.3.2 FFT 與求模模塊

該模塊主要分為快速傅里葉變換(FFT)、結(jié)果求模、排列選擇等部分，該模塊將基帶信號變換到頻域，進行求模，然后對求模結(jié)果進行排列選擇最大值即為頻移點。相關(guān)計算方式如下所示：同時得出時間差，計算距離；

2.4 顯示控制單元的實現(xiàn)

顯示控制單元接收來自信號處理單元的處理結(jié)果，以多普勒為橫軸、以距離為縱軸，把每個數(shù)據(jù)點合并成圖像，用OpenGL 語句輸出到屏幕上。

該單元還接收光標(biāo)在屏幕上的點擊坐標(biāo)，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的多普勒和距離數(shù)值，從而可以讀出目標(biāo)回波的定位信息；該單元同時提供參數(shù)設(shè)置界面，由用戶選擇發(fā)射模式、頻率、量程等參數(shù)，分別設(shè)置到聲信號模擬器單元和信號處理單元。

程序的界面截圖如圖6 所示。

圖6 程序界面

3 實驗驗證

在Intel x86 硬件平臺進行驗證，CPU 為i7-4770、內(nèi)存為16G、操作系統(tǒng)為Ubuntu Linux 14.10、編譯器為GNU C/C++ Compiler，采用C 語言編程，得到的實驗結(jié)果為:

由表1 可以看出，本文設(shè)計的仿真系統(tǒng)很好的完成了對實際聲納水面和水下部分的仿真，且能正確估算出目標(biāo)的參數(shù)信息。在以后的研制、測試等工作中，可以作為問題測試、算法改進等的平臺，具有一定的應(yīng)用價值。

表1 實驗結(jié)果

4 結(jié)束語

本文對主動全向浮標(biāo)仿真系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和相應(yīng)算法進行了簡要介紹，著重對其軟件架構(gòu)和實現(xiàn)方法進行了說明。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)能滿足設(shè)計要求，可應(yīng)用于浮標(biāo)聲處理設(shè)備研制、測試等任務(wù)，驗證浮標(biāo)聲處理設(shè)備存在的技術(shù)問題。