基于實錄音頻的吊放聲吶模擬器設計與仿真

蔣立志，劉旺鎖，姚直象

基于實錄音頻的吊放聲吶模擬器設計與仿真

蔣立志，劉旺鎖，姚直象

(海軍工程大學電子工程學院，湖北武漢430033)

針對多數模擬器無法營造逼真操作感受的問題，提出了一種基于聲吶實錄音頻的吊放聲吶模擬器，并給出仿真實例。該系統運用反波束形成技術，基于實錄音頻合成具有真實聽覺感受的陣元域信號，采用真實的波束形成方法和信號處理方法，能夠得到與實際裝備十分近似的視覺效果和聽覺感受，對聲吶操作員的日常訓練是十分有益的。

實錄音頻；吊放聲吶；模擬器；逼真度

0 引言

吊放聲吶搜潛的優勢十分明顯[1]。吊放聲吶的實裝訓練與考核組織復雜，受保障條件和訓練成本限制，很難進行大量的日常訓練。仿真模擬訓練相比于實裝演練，具有便利、訓練成本低和效益高等優勢。目前，多數吊放聲吶模擬器采用仿真信號作為系統輸入，最終顯示畫面中背景和干擾過于干凈，目標十分容易被分辨和識別，且未設置音頻輸出功能和采用聲吶實際的顯示格式，無法營造出逼真的操作感受。本文介紹了一種基于聲吶實錄音頻的吊放聲吶模擬器：該系統主動方式下從實錄音頻中提取目標回波信號、背景信號分類存儲形成回波庫和背景庫，被動方式下將實錄輻射噪聲信號分類存儲形成艦船噪聲庫，利用反波束形成技術[2]合成陣元域信號。合成的陣元域信號波束形成后轉換為波束域信號，使用真實的信號處理流程進行目標的檢測與參數估計，最終以常用的顯示方式輸出至顯示器。

1 基于實錄音頻的陣元域信號合成

仿真信號真實性欠佳，背景和干擾過于干凈。文獻[3]提出一種在實際海上錄制的背景信號中插入仿真目標回波的方法，以此改善輸出信號的逼真程度。文獻[2]提出利用實錄噪聲信號，通過反波束技術合成陣元域信號的方法，其視覺和聽覺逼真度較高。本文綜合兩種方法，分別設計了模擬器主動方式和被動方式下的陣元域信號合成方案。

1.1 主動方式陣元域信號合成方案

圖1給出模擬器主動方式下的陣元域信號合成方案。圖中實線表示信號傳遞，虛線表示控制信息傳遞。主動方式下陣元域信號的合成主要包括以下步驟：

(1) 實錄音頻信號預處理：將實錄信號提取出的回波按錄制條件、目標類型分類存儲形成回波庫，切掉回波的背景信號按錄制條件分類存儲形成背景庫。

(2) 仿真條件設置與聲場計算：仿真條件的設置包含仿真海區、聲吶工作參數、目標類型、目標距離、目標方位等因素，按照仿真條件進行聲場計算，計算結果給出回波幅度、回波多普勒頻移、混響強度、回波出現時刻等元素。如果目標機動，每個探測周期目標距離和目標方位會發生變化，則要求每個周期都進行一次推算。

(3) 提取背景和回波：按仿真條件從背景庫為每個陣元抽取相異的背景信號，以時間的不相關性代替空間不相關性。盡量使背景錄制條件滿足仿真條件，不滿足時選取相近條件下的背景信號代替。按仿真條件從回波庫抽取一個回波信號，不同探測周期的回波可以是不相同的。

(4) 回波特性變換：按照聲場計算的結果，對提取的參考回波進行幅度變換和多普勒變換。

(5) 時延計算：根據聲場計算得到回波出現時刻作為聲吶基陣參考點處回波出現時刻，根據設置的信號入射方位和聲吶基陣數學模型計算各陣元相對于參考點的時延，兩者相加得到各陣元處回波出現時刻。

(6) 反波束形成：為了得到較高的時延精度，先對背景和回波進行插值處理。根據時延計算的結果，使變換后的回波疊加在陣元背景信號對應時刻，得到各陣元的輸出。回波疊加時，需要對首尾部分進行平滑處理，本文采用文獻[4]的漢寧窗平滑方法。

1.2 被動方式陣元域信號合成方案

圖2給出模擬器被動方式下的陣元域信號合成方案。圖中實線表示信號傳遞，虛線表示控制信息傳遞。被動方式基陣信號合成方案與主動方式類似，以下步驟存在差異：

(1) 實錄音頻信號預處理：實錄艦船噪聲信號按錄制條件、目標類型分類存儲形成艦船噪聲庫，錄制的海洋環境噪聲按錄制條件分類存儲形成環境噪聲庫。

(2) 提取環境噪聲和艦船噪聲：按仿真條件從環境噪聲庫為每個陣元抽取相異的背景信號，以時間的不相關性代替空間不相關性。盡量使環境噪聲錄制條件滿足仿真條件，不滿足時選取相近條件下的環境噪聲代替。按仿真條件從噪聲庫抽取噪聲信號。

(3) 反波束形成：對提取的艦船噪聲進行插值處理，作為聲吶基陣參考點接收信號，在信號起始處分別插入與各陣元時延對應的零點得到各陣元輸出信號，零點數目等于時延與插值后的采樣率的乘積，零點數目不為整數時四舍五入取整。

2 模擬器信號處理流程

2.1 主動方式信號處理流程

主動線性調頻(Linear Frequency Modulation, LFM)方式下信號處理流程如圖3所示，主要步驟為：

(1) 基陣信號合成：原理見1.1節。

(2) 頻域波束形成器：基陣為某圓柱型雙層體積陣，作為一個任意結構基陣，采用凹槽噪聲法[5]進行波束圖設計，波束設計過程中迭代增益選取文獻[6]中的改進方法，每次迭代運算增益都動態變化。參考文獻[7]的波束設計指標見表1。

表1 波束設計指標

(3) 頻域多通道匹配濾波[8]：波束形成后，根據模擬器工作參數設置仿真產生拷貝信號，并進行頻域多通道匹配濾波。

(4) 數據融合：為了使用有限的顯示資源，需要進行數據壓縮和抽取，本文采用基于OR規則數據融合方法[9]。按文獻[10]的方法，將16個波束按地理方位(N、E、S、W)分為四個象限，每個象限內含四個波束。LFM方式時，將各象限內四個波束的時域數據進行比較，每個象限都得到一個最大峰值，再判斷出四個最大峰值中較大峰值所在的波束，最后將該波束的幀數據進行數據壓縮并和相應的波束號一起送顯，最終待顯示波束數量由16個降低為4個。

(5) 顯示：本文LFM方式時采用細距-目標距離B式顯示[8]，細距表示幀內的精細距離。

主動單頻脈沖(Continuous Wave, CW)方式時信號處理流程與LFM方式類似。區別在于信號處理時只采用多通道FFT分析，得到目標的速度信息，數據融合時輸入為FFT后的頻域數據。

2.2 被動方式信號處理流程

被動方式下信號處理流程如圖4所示，信號處理時同樣采用多通道FFT分析，為了得到較高的頻率分辨力，可選擇一根譜線，采用ZOOM FFT方法[8]進行精細分析。

2.3 仿真實例

設置聲吶工作在LFM方式下，目標距離26鏈(約4.82 km)，目標方位33.75°，與2號波束方位相同，聲速=1500 m/s。采用1.1節的方法合成陣元域信號，經過波束形成后，進行多通道匹配濾波處理，數據融合后得到四個象限的輸出，其細距-目標距離B式顯示如圖5所示。由仿真結果可以看出：目標出現在2號波束所在的N象限，提取亮點所處位置，計算得到目標距離約為25.9鏈(約4.80 km)，采用比幅法[11,12]測得目標方位為33.7°，十分接近設定的仿真條件。同時，由于采用了實錄背景信號，顯示畫面中近程區域混響干擾較強，遠程區域混響干擾較弱，這與實際聲吶的顯示效果十分近似。

選取2號波束進行音頻收聽，輸出音頻信號經過頻移和濾波后，其時域波形和時頻分析如圖6所示。可見，輸出音頻信號在時域和頻域均保持了較豐富的成分，具有較高自然度。

3 結論

本文介紹了一種基于實錄音頻的吊放聲吶模擬器設計與仿真，設計出陣元域信號合成方案和信號處理流程，給出主動LFM方式下的仿真實例。仿真結果表明：

(1) 就總體顯示效果來說，LFM方式下各象限的顯示內容，與實際聲吶相同參數下的顯示效果是十分近似的，具有逼真的視覺效果和操作感受。

(2) 系統輸出的音頻信號在時域和頻域均保持了較豐富的成分，具有較高自然度。針對聲吶操作員的聽音測試表明，系統輸出的音頻信號具有較逼真的聽覺感受。

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Design and simulation of recorded audio based dipping sonar simulator

JIANG Li-zhi, LIU Wang-suo, YAO Zhi-xiang

(Naval University of Engineering, Wuhan 430033,Hubei,China)

To resolve the problem that many sonar simulators lack a certain realistic feeling in operation, a dipping sonar simulator based on recorded audio is put forward, and simulation results are given. By using inverse beamforming technology, array signals which have a realistic feeling are produced with recorded audio in element domain. With the true beamforming and signal processing methods used in actual sonar, the simulator has a sense of realistic feeling in vision and hearing just like real equipment, which is profitable for sonar operators’ training.

recorded audio; dipping sonar; simulator; fidelity

TN911.4

A

1000-3630(2015)-05-0399-04

10.16300/j.cnki.1000-3630.2015.05.004

2014-11-06;

2015-02-21

蔣立志(1989－), 男, 甘肅鎮原人, 碩士研究生, 研究方向為水聲裝備與水下探測技術。

蔣立志, E-mail:lizjiang@sina.com