声纳目标模拟器实时仿真系统开发

发布时间:2013.09.12 新闻来源:反射内存-实时仿真技术网 浏览次数:

声纳目标模拟器实时仿真系统开发

 

摘要:该文以通用的阵列信号处理系统为运行环境,详细介绍了一种声纳目标模拟器的系统设计与开发过程。并提出了一种基于反射内存网的实时数据传输的解决方案。实践证明,该系统能够很好的模拟出作战目标在设定的海洋环境下的声学特性。

关键词:目标模拟器;反射内存网;并行;DSP;VMIC5565;VMIPCI5565;

vmipci-5565;vmipmc-5565;vmipcie-5565;vmivme-5565

1声纳目标模拟器系统结构

声纳目标模拟器是一个联机工作的数字仿真系统,它的主要作用是根据设定的海洋环境实时地仿真水听器基阵接收到的运动目标发出或发射的相应信号。以产生鱼雷自导仿真或水声对抗实验所必须的阵元域数据。声纳目标模拟器的使用将有效缩短数字声纳的研发周期,大大减少湖试和海试的次数,因此它的研制已经成为声纳技术发展过程中一个重要组成部分。某型声纳目标模拟器实现了多部声纳基阵信号的仿真任务,其系统结构框图如图1所示。目标模拟器借助于通用阵列信号处理平台,实现了对目标的辐射噪声、侦察脉冲的回波信号、本舰或鱼雷的自噪声、来自环境的背景噪声,以及对传播信道和声纳基阵(最多48个基元)等大量仿真算法的实时处理。显控台是仿真系统显示和控制的终端设备,具有可视化的数据显示、控制和图形输出功能,可以实时控制模拟器处理系统的工作流程。为了实现数据的远传,系统将直接输出阵元域数据。比起通常的设计中通过模拟器加DA板输出模拟信号,很大程度上提高了对数据实时传输能力的要求。本设计利用反射内存网解决上述问题,并选用基于ADSP—TS201S高速阵列信号处理平台(以下称为阵列信号处理平台,由北京中科海讯数字信号处理技术有限公司研制)为整个系统的硬件设计和软件开发都提供了很高的可靠性和方便性。

 

2系统硬件环境

本模拟器主要在海军第二代标准信号处理机上完成。该处理机含有信号处理板、信号集成装置、网络接口板和主控板等,系统结构如图2所示。不但要完成目标和环境模拟所需要的数字信号处理运算,而且还要实现与其他分系统的网络数据交换与控制。该平台具备内存反射网和千兆以太网两种网络接口,可支持同时两种网络数据交换模式。信号处理板是处理机的核心部分,该板选用6片主频为600MHz的ADSP—TS20ls卷片,峰值浮点运算能力可达21.6GFLOPS,任何一个DSP都可以通过LINK口将数据传送给其它DSP,每个LINK口最高速度为600M字节/秒,且不占DSP处理器时间,这样在DSP间进行数据传递将会有较高的传输率;系统总线使用CPCI总线,最高传输速率高达133M(字节1:板内采用3片ALTERA公司的STRATIX—II系列FPGA实现访问DSP外总线的主机接口,ADSP'IS201S在外部总线和主机处理器之间通过外部端口提供了方便和可配置的接口。为了能和各种主机处理器配合工作,主机接口支持流水线或慢速的协议,用于从机访问。每种协议带有可编程的传输参数,例如空闲状态、流水深度、插入等待状态等。反射内存(RFM)网是一种基于环状或者星状的高速复制型共享内存网络。它能够通过局域网}一的汁饥提供商效的数据传输,冈此硬求强实时网络的设计人员已经越来越多地采用这种技术。利用它陶建实时局域网卜狮;,枕足没一种网络内板,存分布系统中实现内存至内存的通信,并且不需要额外的软件开销。

图1声纳目标模拟器系统结构

图2:系统硬件组成框图

 

3主要功能模块仿真说明

3。1目标辐射噪声仿真模块的设计

被攻,噪声的产生是利刚向噪声作为激励噪声源,通过自回归滤波器,得到的具有一定的谱状的信号序列。其中自噪声采用混合乘同余法产。F1回滤波器系数需要首先得到目标的功率谱分布,目标幅度需要先计算目标到声阵之间的传播损失。目标功率以频率一谱级数组的形式给出.能够反映目标的类型和运动状态,由目标噪声模型或目标噪声数据库确定。声传播捌失根环境条件、T作频段和敌我空间位置,通过声传播信道仿真模块计算出来的。计算出传播损失后,用目标辐射声源级减传播衰减就可得到阵元接收到的日标噪声级。然后再根据阵元接收噪声级对仿真舰船噪声进行谱级控制,使得模拟器输出的¨怀噪,苦具有阵元接收级相对应的幅度。

3.2声传播信道仿真模块设计

该模块能够据射线模型计算声线轨迹和声传播损失分布,将信道传递函数和目标回波信号、目标辐射信号,生成含有声传播信道信息的水听器阵仿真信号。可以反映出海深、海况、海底底质、海底地貌、声速梯度分布、工作频率、敌我双方空间位置、不同传播途径以及插入气幕弹等因素变化。模拟频率10kHz~40kHz。仿真分为窄带宽带明类。宽带情况下,从环境特性数据库中调取经过校验的声传播模型,并调取给定海区、给定季节或月份的水声环境参数,结合声纳工作频段,计算声场衰减分布,从而提供了任意机动过程中实时计算目标能量变化的可能。窄带情况下.~t-x,t频段的离散频点用经过校验的模型计算声场的幅度与相位,再用傅里叶反变换得到声信道脉冲响应函数。在离散频点}的,场幅频、相频计算过程中引入实测的水声环境参数、实际的声纳参数、以及目标距离和深度信息。水声信道的脉冲响应与源信巷积后成为导声纳阵元接收波形。

3。3主动目标回波仿真模块设计

由于侦察脉}【II和主动回波信号都是确定性信号可以用显函数表示}1_,通常是按照函数表达式计算产生。本仿真采用迭代算法产牛各种单频信号和捌频信号,然后通过改变迭代参数产生具有不同特性的单频脉冲和调频脉冲信号。

3.4主动混响仿真模块设计

混响过简化处理可以被看作是一个可平稳化的高斯随机过程,它的瞬时值符合高斯分布,其包络为指数形式衰减。在仿真中我们用高斯白噪声通过窄带滤波器来模拟混响,混响的带宽与发射信号相比存在着频率扩展,这一方面与海洋中散射体的多普勒和随机相移有关.和发射信号包络的时问长度与形状以及声纳系统发射信号的波束宽度有关。海洋混响仿真还以瑞利分布反映混响但络的起伏特征。

35反波仿真模块设计

反波束形成首先根据基阵结构和目标方位计算入射波到达各基元的延,计把时延缸量化。然后采用存储器寻址方法和从任意时延型滤波器出发,采用窗函数方法设计内插FIR滤波器,通过遗抒参数控制误差可以实现高精度的宽带时延。

4实时多任务软件的设计与开发

系统的小功能模块包括:目标信号仿真模块,基阵仿真模块(48路),背景噪声仿真模块(48路)、混响仿真以及传播信道仿真模块。其结构框图如图3所示。为了提商系统的实时性,本设计采用多DSP系统对各个功能模块进i了,于运算处理。综合考虑各功能模块的运算量,系统选用5块DSP板,另外再加上反射内存网卡、光纤网卡和主控板卡总共8块板卡组成。每个板卡中所定义的节点及所实现的功能如表1所示。

5声纳目标模拟器显控软件的开发

显控软件是声纳目标模拟器仿真系统中最主要的人机接口。主要完成仿真过程的三维视景演示、参数设置、操作控制和软硬件自检等功能。该它软件基于Windows操作系统,应用MjcrosoftVisualC++的IDE开发而成。三维视景演示采用建模软件MultiGenCreator进行视景建模,利用Vega进行驱动,并结合Vega的附加模块VegaMarine增强对海洋环境模拟的逼真效果。

图3声纳目标模拟器任务框图

表1系统任务的分配

 

6结束语

本文介了某型声纳目标模拟器实时仿真系统的设计与开发过程,目前该系统已经研制工作已经获得成功,并顺利通过了军方的验收践l:明它能够提供了非常好的仿真结果。

 

参考文献:

[1]李启虎.数字式声纳设计原理[M].合肥:安徽教育出版社,2002.

【2】李蕾,吴永清.声纳基阵信号模拟器实时软件的开发lJ1.声学技术,2004(3)

[3]杨日杰.现代水声对抗技术与应用[M】.北京:国防工业出版社,2008.

[4]张贤达.现代信号处理[M】.北京:清华大学出版社,1994:101-104.

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