基于信号处理机的声纳基阵信号模拟方法、系统及模拟器

摘要

本发明涉及一种基于信号处理机的声纳基阵信号模拟方法、系统及模拟器。所述方法在以多核DSP为核心的标准信号处理机硬件环境中完成，具体包括以下步骤：首先，模拟产生舰船辐射噪声及海洋环境噪声并作为目标信号；其次，将目标信号传递到声纳基阵阵元；然后，在声纳基阵阵元中选定一个阵元作为参考阵元，计算该参考阵元的接收目标信号，对到达基阵其他各阵元的每条传播路径上的信号进行相应的阵元间延时从而得到其他阵元的接收目标信号；最后，对接收到的目标信号进行处理，并传输到外部。所述系统包括：舰船辐射噪声生成模块、海洋环境噪声生成模块、阵元域信号仿真模块和数据输入输出模块。本发明具有体积小、通用性强和智能化程度高等特点。

说明书

技术领域

本发明涉及海洋探测技术领域，特别是涉及一种基于信号处理机的声纳基阵信号模拟方法及模拟器。

背景技术

本发明以声纳技术需求为背景，在新型声纳研制时，声纳基阵信号模拟器是一种可模拟不同水文条件下声纳所接收到的原始基阵信号的模拟装置。作为声纳技术发展中的一个重要组成部分，在实验室条件下就可完成陆上试验声纳所需接收信号的模拟，为声纳样机提供调试和测试环境，对技术指标进行初步验证。

标准信号处理机由1块主控板，2块电源板，2块交换板和9块信号处理板组成。其中，每块信号处理板又包含4块TMS320C6678信号处理DSP(数字信号处理器芯片)，每片DSP有8个核，每片DSP芯片对应2G内存和512M外存。板卡之间通过以太网和SRIO总线相连，信号处理机的典型特点是具备大规模并行信号处理能力。

为克服传统声纳基阵信号模拟器体积较大不方便携带、电路复杂、无法在原有基础上更新换代升级、缺乏通用性等问题，本发明运用现代数字信号处理技术结合当今先进的多核DSP信号处理机研制的声纳信号模拟器可以很好地解决上述问题，该发明具有体积小、通用性强和智能化程度高等典型特点，并可以通过上位机软件的设置满足不同声纳系统测试需求。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于信号处理机的声纳基阵信号模拟方法、系统及模拟器。

本发明所述方法在以多核DSP为核心的标准信号处理机硬件环境中完成，多核DSP是指每块DSP中包含有8个处理核心，可同时并行处理8组任务。

本发明所采用的技术方案是：

在标准信号处理机硬件平台基础上，针对声纳基阵信号模拟器模型、算法结构特征，对DSP内资源调配方式进行定制化设计，采用模块化编程方式，将模拟器软件结构划分为三个主要模块，舰船辐射噪声生成模块、海洋环境噪声生成模块和基于逆波束形成的阵元域信号生成模块，各模块可单独运行，同时可提供外部参数输入输出接口。为充分发挥硬件平台性能，在编程上实现模块与模块之间、模块内部的算法流程之间以及芯片内部的功能单元之间的同步和异步并行处理，实现了声纳阵元域信号的实时产生与输出。

本发明提出了一种基于信号处理机的声纳基阵信号模拟方法，所述方法在以多核DSP芯片为核心的标准信号处理机硬件环境中完成，具体包括以下步骤：

首先，模拟产生舰船辐射噪声及海洋环境噪声，并作为目标信号；

其次，将目标信号传递到声纳基阵阵元；

然后，在声纳基阵阵元中选定一个阵元作为参考阵元，计算该参考阵元的接收目标信号，对到达基阵其他各阵元的每条传播路径上的信号进行相应的阵元间延时从而得到其他阵元的接收目标信号；

最后，对接收到的目标信号进行处理，并传输到外部。

作为上述技术方案的改进之一，所述方法模拟产生的目标辐射噪声信号s(t)的表达式为：

s(t)＝(1+m(t))c(t)+l(t)

其中，c(t)为平稳连续分量，m(t)为调制函数，l(t)为线谱分量；

所述目标辐射噪声信号s(t)的时变功率谱P

P

其中，P

作为上述技术方案的改进之一，所述方法采用三参数模型法对平稳连续谱P

其中，f

作为上述技术方案的改进之一，所述方法采用一个幅度随机、形状相同的重复性脉冲序列来模拟调制函数m(t)，表达式为：

其中，Λ

作为上述技术方案的改进之一，所述方法采用多个谐波函数来完成线谱分量P

其中，f为谐波频率；

其中，L为谐波函数的个数；

其中，ζ

作为上述技术方案的改进之一，所述方法对产生舰船辐射噪声和海洋环境噪声及进行阵元域信号仿真时的运算量进行分配；所述运算量包括模型执行时间和动态运行时占用内存空间；

同时所述方法提出多层级硬件资源分配策略，所述分配策略具体表现为：首先设置第一层作为管理节点，第二层为计算节点，第三层为计算结果后置输出节点；

第一层具体对应硬件资源为DSP芯片中的一个核core，完成参数的接收与设置；第二层中所需硬件资源以第一层接收参数中的阵元数作为分配依据，完成具体模型算法的并行计算，满足实时性约束条件；第三层具体对应硬件资源为DSP芯片中的一个核core，完成第二层中不同核的计算结果汇总、按照输出格式进行整理；

其中，层与层之间的数据采用SRIO总线传输，参数的发送与接收采用UDP(用户数据报协议，User Datagram Protocol)方式，使通信带宽达到合理分配。

本发明提出了一种基于上述方法之一的声纳基阵信号模拟系统，

所述模拟系统包括：舰船辐射噪声生成模块、海洋环境噪声生成模块、阵元域信号仿真模块和数据输入输出模块；

所述舰船辐射噪声生成模块，用于实时模拟产生舰船辐射噪声，包括连续谱、线谱、调制谱，并将模拟舰船辐射噪声传递给所述阵元域信号仿真模块；

所述海洋环境噪声生成模块，用于实时模拟产生海洋环境噪声，并将模拟海洋环境噪声传递给阵元域信号仿真模块；

所述阵元域信号仿真模块，用于对接收到的模拟舰船辐射噪声和模拟海洋环境噪声进行处理后实时产生声纳基阵原始阵元域信号；

所述数据输入输出接口模块，用于实现所述模拟器内部模块之间数据的处理与传输，同时用于输出所述阵元域信号仿真模块产生的声纳基阵原始阵元域信号。

本发明提出了一种基于上述系统的声纳基阵信号模拟器，所述模拟器具体包括：主控板、标准信号处理板、电源板、SRIO总线、以太网接口和以太网线路；

所述电源板，用于给所述模拟器提供电源，以支持模拟器工作；

所述标准信号处理板，包括舰船辐射噪声生成模块、海洋环境噪声生成模块和阵元域信号仿真模块；所述舰船辐射噪声生成模块，用于实时模拟产生舰船辐射噪声，包括连续谱、线谱、调制谱，并将模拟舰船辐射噪声传递给所述阵元域信号仿真模块；所述海洋环境噪声生成模块，用于实时模拟产生海洋环境噪声，并将模拟海洋环境噪声传递给阵元域信号仿真模块；所述阵元域信号仿真模块，用于对接收到的模拟舰船辐射噪声和模拟海洋环境噪声进行处理后实时产生声纳基阵原始阵元域信号；

所述标准信号处理板内部数据和信号进行同步或异步并行处理；

所述数据输入输出接口模块包括所述SRIO总线和所述以太网线路和所述以太网接口；所述SRIO总线和所述以太网线路与所述主控板、所述电源板和所述标准信号处理板通过交换机互联，用于支持所述模拟器内数据和信号的传输；所述以太网接口与上位机和声纳设备分别连接，用于接收上位机设置的软件参数，同时将产生的声纳基阵信号传输到声纳设备；

所述主控板，用于控制所述模拟器及各组成部分的运行。

与现有技术相比，本发明的有益效果是提供了一种运用现代数字信号处理技术结合当今先进的多核DSP标准信号处理机研制的声纳信号模拟方法及模拟器，可实时产生高精度的声纳阵元域信号数据。通过硬件平台的标准化设计，满足了产品六性(可靠性、维修性、测试性、保障性、安全性和环境适应性)设计要求。同时，本发明的产品体积小，可通过不同的参数设置，满足不同阵形结构、不同阵元数和不同频段的系统要求。

附图说明

图1为本发明所述的基于标准信号处理机的声纳基阵信号模拟器的系统组成框图；

图2为标准信号处理板的组成结构框图；

图3为舰船辐射噪声产生模块的结构框图；

图4为海洋环境噪声产生模块的结构框图；

图5为基阵阵元域信号产生模块的结构框图；

图6为实施例中本发明所述模拟器产生的阵元域时域及时域波形图，其中，图6(a)为船舰辐射噪声时域波形图，图6(b)为产生的船舰辐射噪声时域图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例进一步说明本发明所提供的技术方案。

本发明的技术方案包括：

1、舰船辐射噪声生成模块

舰船辐射噪声谱特性分为平稳连续谱、线谱和时变调制谱三大谱分量，假设需要仿真的目标辐射噪声信号为s(t)，其时变功率谱为P

P

其中，P

时域表达式s(t)为

s(t)＝(1+m(t))c(t)+l(t)

其中，c(t)为平稳连续分量，m(t)为调制函数，l(t)为线谱分量。

(1)平稳连续谱的仿真

在高频部分，平稳连续谱的谱级大约以6dB/倍频的斜率下降，在低频部分，其谱级则随频率的增大而增大，在100-1000Hz的某处存在一个谱峰。

为了求解c(t),需要对其功率谱P

三参数模型法指的是通过设置三个参数来精确定义平稳连续谱的形状，即令：

其中，f

(2)调制谱分量的仿真

时变调制谱是舰船辐射噪声的重要组成部分，携带有水声目标轴频及叶频等重要的本征信息，由时变调制谱的产生原因，可将调制函数m(t)看作是一个准周期函数。周期性的存在导致m(t)的频谱在螺旋桨轴频f

其中，E

(3)线谱分量的仿真

舰船辐射噪声的线谱分量主要来源于螺旋桨的“唱音”和机械噪声，这两部分噪声携带有与目标船体结构和机械运动相关的频率信息。机械噪声的频率一般认为是由机械运动的基频及其各次谐波组成，所以线谱分量的仿真通常用多个谐波函数来完成，假设谐波函数的表达式如下：

其中f

2、海洋环境噪声生成模块

与舰船辐射噪声的仿真相同，海洋环境噪声仿真采用AR建模拟合功率谱曲线的方法来模拟海洋环境噪声。

若令海洋环境噪声为w[n]，则其计算公式为：

其中p为建模阶数，v[n]为高斯白噪声，而σ

3、基阵阵元域信号产生模块

选定一个阵元作为参考阵元，计算该参考阵元的接收目标信号，对到达基阵其他各阵元的每条传播路径上的信号进行相应的阵元间延时得到其他阵元的接收目标信号。由于涉及宽带信号的时延，如果用信号模拟器的采样频率去量化输入的信号时延往往太粗糙，通过高精度时延滤波器对参考阵元的信号进行相应的时延得到其他阵元的接收信号。

下面结合附图对本发明进一步说明。

如图1所示，是本发明所述的基于标准信号处理机的声纳基阵信号模拟器的系统组成框图，模拟器设置在智能机箱内，其组成具体包括：主控板、信号处理板、电源板、SRIO总线、以太网接口和以太网线路；

所述电源板，用于给所述模拟器提供电源，以支持模拟器工作；

所述标准信号处理板，用于产生舰船辐射噪声、海洋环境噪声和声纳基阵原域信号，同时用于所述模拟器内部数据和信号的同步或异步并行处理；

所述SRIO总线和所述以太网线路，与所述主控板、所述电源板、和所述标准信号处理板之间由交换机互联，用于支持所述模拟器内数据和信号的传输。

所述主控板，用于控制所述电源板和所述标准信号处理板；

所述以太网接口，与上位机和各型声纳设备分别连接，用于接收上位机设置的软件参数，同时将产生的声纳基阵信号传输到各型声纳设备。

声纳基阵信号的模拟全部使用标准信号处理机，模拟器可根据上位机软件参数设置进行基阵原始阵元域信号的实时产生，并将结果封装到UDP数据包中，通过以太网接口对外部声纳设备进行输出。

如图2所示，是信号处理板的组成结构框图，每块标准信号处理板由4片TMS320C6678多核(CORE0-7)处理器(DSP1-4)组成，每片处理器外接DDR3存储芯片(DDR3SDRAM)，处理器之间由交换机(SWITCH)互联。

如图3所示，是舰船辐射噪声产生模块的结构框图，计算结构采用主从模式。管理节点作为主节点，由一片DSP组成，负责外部参数数据的采集与分发、计算基阵参数的初始化、计算资源的分配与计算结果的回收汇总。计算节点作为从节点，根据计算量需要由多片DSP组成。下行参数采用UDP接口，上行基阵数据采用SRIO接口。以每片DSP中的一个核作为一个计算单元，将多片DSP划分为多个计算单元，然后依据阵元数与处理频段将计算任务均匀分配到每个计算单元。其中，每个计算单元单独计算连续谱、线谱和调制谱，多个计算单元之间并行计算不同阵元的数据：计算单元1计算第1～L个阵元的数据，计算单元2计算第(L+1)～2L个阵元的数据，以此类推，计算单元N计算第(N-1)L～NL个阵元的数据。

如图4所示，是海洋环境噪声产生模块的结构框图，整体结构与图3类似。其中，每个计算单元单独产生高斯白噪声，然后通过AR滤波器独立产生一个阵元的数据。

如图5所示，是基阵阵元域信号产生模块的结构框图，首先对产生的舰船辐射噪声进行交叠采样，然后通过FFT变换到频域处理，选择待处理频段并进行相位延迟，然后进行IFFT(快速傅里叶反变换)处理，得到每个阵元对应的舰船辐射噪声信号，最后，与产生的海洋环境噪声线性叠加，即可得到不同阵元的原始基阵数据(阵元时域信号)。

如图6所示，是实施例中声纳基阵信号模拟器产生的基阵中某一个阵元时域及频域波形，其中，图6(a)为船舰辐射噪声时域波形图，图6(b)为产生的船舰辐射噪声时域图，在功率谱中，可观察到指定线谱及连续谱结构。

通过上位机软件设置不同阵形结构时，声纳基阵信号模拟器可按照设定阵形结构输出原始阵元数据，满足了阵形结构动态设定的需求。

通过上位机软件设置不同阵元数时，声纳基阵信号模拟器可按照设定阵元数输出阵元数据，满足了阵元数动态设定的需求。

通过上位机软件设置不同频段时，声纳基阵信号模拟器可按照设定频段输出阵元数据，满足了频段动态设定的需求。

从上述对本发明的具体描述可以看出，具有体积小、通用性强和智能化程度高等典型特点，并可以通过上位机软件的设置满足不同声纳系统测试需求。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。