一種主動全向浮標仿真系統的設計與實現

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。主動全向浮標可提供目標距離、徑向速度，并且布設速度快，受載機自噪聲影響小，三枚主動全向浮標還可精準測定目標的距離及速度[1,2]。而在實際浮標聲處理設備研制、測試、維修過程中，由于在地面缺乏浮標聲處理設備進行正常工作所需的水聲環境，有時無法完成對浮標聲處理設備的校準和測試。本文根據實際需求，研制了一種主動全向浮標仿真系統，模擬實際主動全向浮標的特性，采用相應的算法進行處理，完成目標距離和速度的檢測。

1 理論分析

1.1 目標速度測量數學模型

主動全向浮標發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反射的回波來進行探測目標距離及徑向速度。CW 單頻信號為常用的發射信號。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 信號測量目標徑向速度是基于多普勒頻移現象[3]，其基本原理是發射頻率為ft單頻信號，一旦經目標反射，接收機接收到的信號頻率為fr，根據多普勒頻移公式即可得出

1.2 目標距離測量數學模型

CW 信號測量目標距離是通過接收回波與發射信號的時間差來計算[3]，根據1.1 節所述，發射機發射單頻信號，一旦經目標反射，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，根據式（4）即可計算出目標距離。

圖3 CW 信號測距原理

2 系統組成和實現

2.1 組成

系統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。系統組成框圖如圖4 所示。

圖4 系統的組成框圖

模擬器單元根據信號參數設置信息，運行聲信號模擬算法，不斷產生各通道數字信號，當數據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據，并對數據進行分析處理，然后將視頻結果發送至顯示控制單元；顯示控制單元用于PC 機與用戶進行交互，控制系統的啟動或停止，顯示信號處理單元輸出的數據結果等。

2.2 模擬聲信號

模擬器單元根據信號參數設置信息，運行聲信號模擬算法，不斷產生各通道數字信號，當數據累積到計算時長后輸出。

2.3 信號處理單元的實現

信號處理單元接收模擬器上傳的數據，并對數據采用各種算法進行分析處理，主要包括復解調、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 復解調和降采樣濾波模塊

該模塊主要包括復解調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，便于后續處理。相關計算方式如下所示：

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，然后對求模結果進行排列選擇最大值即為頻移點。相關計算方式如下所示：同時得出時間差，計算距離；

2.4 顯示控制單元的實現

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

該單元還接收光標在屏幕上的點擊坐標，轉換成相應的多普勒和距離數值，從而可以讀出目標回波的定位信息；該單元同時提供參數設置界面，由用戶選擇發射模式、頻率、量程等參數，分別設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、內存為16G、操作系統為Ubuntu Linux 14.10、編譯器為GNU C/C++ Compiler，采用C 語言編程，得到的實驗結果為:

由表1 可以看出，本文設計的仿真系統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的參數信息。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，具有一定的應用價值。

表1 實驗結果

4 結束語

本文對主動全向浮標仿真系統的數學模型和相應算法進行了簡要介紹，著重對其軟件架構和實現方法進行了說明。實驗結果表明，該系統能滿足設計要求，可應用于浮標聲處理設備研制、測試等任務，驗證浮標聲處理設備存在的技術問題。