基于数据库的声纳员目标判别技能训练系统设计＊

2013-11-23张洪

舰船电子工程 2013年5期

张洪

（91388部队92分队湛江 524022）

1 引言

声纳员具备良好的目标判别技能是舰艇声纳发挥其作用的重要保证［1］。一名高水平的声纳员能对很多感觉明显的舰船保持很高的听音识别准确率，在作战中可以及早地发现敌目标，确保本方舰艇在自我防御的同时能够主动攻击，掌握作战的主动权，可见声纳员在现代战争中的重要性［1］。因此，声纳员判别目标技能的培训至关重要。而声纳员判别目标技能水平的高低主要取决于对各种目标声特性的熟悉和了解程度。如何更好地利用目标声特性数据和海洋环境数据等信息资源，促进声纳员目标判别技能水平的提升，是一项值得研究的课题。本文将尝试性地提出声纳员目标判别技能训练系统设计构想。

2 系统拟实现功能

构建声纳员目标判别技能训练系统在立足充分利用现有资源的同时，要在系统实现的功能上有所突破［2］。系统应实现以下三项主要功能：复杂信号合成功能、信号音频回放和视频显示功能以及训练考评功能。

2.1 复杂信号合成功能

在训练样本方面，目前声纳员日常训练所用的大多是相对纯净且信噪比较高的原始样本，虽然能达到一定的训练目的，但却很难使训练质量有大幅度的提高［3］。主要原因为：一是训练用的原始样本数目有限；二是多数样本与训练对信号复杂程度的要求还有一定差距，导致缺少复杂水声环境下的信号样本。为了解决这个问题，本系统应具有复杂信号合成功能，可以在原始样本的基础上人工加入各种干扰，以达到提高声纳员训练质量的目的。

2.2 信号音频回放和视频显示功能

在训练方式方面，目前声纳员训练主要是收听回放的声音。但声纳在实际使用中，声纳员往往是通过听音与显控台视频显示进行信息综合来对目标进行判别的［4］。因此，训练系统要同时具备信号音频回放和视频显示功能，即声纳员在听音的同时又可以看到信号的各种特性，这样就可以辅助声纳员做出判别。

2.3 考核评估功能

系统构建的根本目的是充分高效地利用目标声特性数据和海洋环境数据等信息资源，为进一步提高舰艇声纳员训练质量服务。训练能否达到预期效果，系统必须具备相应比较完善的考评系统，实现对声纳员技能水平的考核评估。

3 系统模块组成

图1 系统网络结构图

系统构建采用模块化技术，将各节点看作顶级模块，顶级模块完成各子系统的功能。在顶级模块的基础上进一步进行模块分级划分，直到划分出各功能独立、容易实现的子模块［5］。本文拟构建声纳员目标判别技能训练系统包含五个顶级模块，如图1所示。

3.1 系统管理模块

该节点主要负责对各节点程序进行监控和管理。从形式上各节点构成一个子系统，从功能上来讲是相互独立的，通过系统管理模块将各子系统组成一个统一的大系统，系统管理节点主要实现用户管理、密码更改和数据备份等功能。此模块完成对用户级别的设置，不同级别的用户对各个功能模块的使用拥有不同的权限［2］。系统管理员可以访问所有模块，而普通使用者只能进入模拟训练和考核评估模块。

3.2 数据库模块

数据库采用层级结构，主要存放下列形式的数据：目标信息、声纳参数、海洋环境噪声、辐射噪声和回波信号等［6］。由于数据库独立于各节点之外，因此便于数据的统一管理，网络接口程序及网络设备保证了各节点在模拟训练或考评过程中实时对数据库进行读写操作，实现了资源共享和集中存储功能。该模块只有管理员有权限进入，可完成对数据库中的数据修改、更新等。

3.3 信号管控模块

该节点主要是完成各个辐射噪声或回波信号的融合，以及这些信号与各种干扰及海洋环境噪声的融合，从而得到特定海洋环境噪声背景和固定干扰情况下的目标辐射噪声或回波信号，并可对训练或考评中信号的出现几率等进行设置。该模块只有管理员有权限进入。

3.4 模拟训练模块

主要用于声纳员模拟训练。通过该模块声纳员可以通过选择目标、具体声纳、当时的海况、加入的干扰获得某一目标的辐射噪声或回波信号进行训练，也可以截取任意一段信号进行处理后训练，可以在听音的同时看到声信号的各种特征。

3.5 考核评估模块

用于对声纳员的水平考评。可实现对声纳员水平的测试，声纳员对随机出现的辐射噪声或回波信号进行判断，可以对信号截取、放大、回放听音，也可以借助于信号的特性辅助判断，做出判断后，系统会与正确答案比对，提示声纳员对错。该模块可以对不同的样本设置不同的出现机率，还可以设置标准，通过测试考核结果对声纳员水平进行评估分级。

4 软硬件环境

4.1 硬件环境

由于所构建的系统都位于同一个实验室中，因此可以通过网线方便的进行连接，只需一台交换机，每台计算机都配置一个百兆网卡，用单独的一台计算机作为网络服务器，由此就构成了系统所需的局域网（LAN）［3］。本文构建的声纳员目标判别技能训练系统网络结构图如图1所示，其中三个节点分别负责信号管理、模拟训练、考核评估，一个节点负责数据库管理，另外有一台计算机负责系统管理。

随着计算机技术的迅速发展，计算机及相关设计的性价比日益提高，根据系统的要求选定合适的硬件设备，完全可以满足系统设计需要。

4.2 软件环境

系统的各子系统的软件组成见图2，除网络数据库子系统外，其余子系统都包括管理软件、接口软件及功能软件，各子系统之间具有结构一致性。同时，各子系统软件有统一的界面风格。

图2 系统软件组成图

4.2.1 管理软件

包括信号管控、模拟训练、考核评估和系统管理子系统的软件管理及网络实现［4］。其功能是对系统资源进行有效的组织和分配，负责各子系统之间的数据交互，同时对数据库进行管理。

4.2.2 人机交互软件

人机交互软件是外部同系统进行交互作用的界面软件，接收并解释操作者给出的各种指令及数据，使操作者实现对系统的控制，同时将训练的中间过程参数及结果通过数据文件、图表等进行输出［5～7］。各子系统的接口软件都受系统管理节点的系统管理软件的控制，并且都具有一致的界面风格，可以通过监视系统进行显示交流。

4.2.3 功能软件

包括信号管理、模拟训练、考核评估等子系统，负责实现各参与单元的实际功能，通过网络对结果进行数据交互，通过兵机交互界面对训练过程及结果进行实时显示，并通过系统管理节点对训练过程参数及数据参数进行实时存储。

5 系统构建的关键点

5.1 数据库

数据库是本系统构建的基础。从目标声特性、海洋环境、声纳参数、目标参数和用户信息等方面考虑，系统数据库可由六个子库组成［6］，具体见表1。

5.2 信号仿真与处理

5.2.1 信号仿真

被动声纳接收到的信号是目标辐射噪声、海洋背景噪声和本舰噪声等干扰噪声融合，而主动声纳接收到的信号则是目标回波、目标辐射噪声、海洋环境噪声和混响等的融合［7］。为了充实样本，更有利于声纳员的训练，本系统将对海洋环境噪声、海洋混响和目标回波等作仿真。在这里仅以海洋混响仿真与目标回波仿真为例进行简介。

表1 系统数据库构成

1）海洋混响仿真

海洋混响具有如下特点：混响的强度与发射信号的能量成正比关系；混响与发射信号的波形相关，并且混响本身有很强的自相关性；混响的瞬时值呈高斯分布；混响的频谱和发射信号的频谱具有一致性，但是相对于发射信号的频谱混响信号的频谱有一定的频谱扩展［8］。

通常的混响仿真就是利用混响的理论模型，逐点进行仿真，这种方法实现起来难度较大。本系统尝试将接收机的放大增益设计为可控，使放大器的放大系数随时间的变化规律与混响过程随时间衰减的规律相同，这样在系统仿真处理时可以把混响看作是经过归一化处理的平稳随机过程，这样就可以用高斯白噪声通过窄带滤波器的方法来实现混响的模拟，使混响产生的复杂过程得到简化。

2）目标回波仿真

目标回波仿真的目的是模拟诱饵的信号，训练声纳员区分真假目标的技能［8］。主动回波模拟需要解决回波信号参数的估计，主要包括脉冲宽度估计、多普勒频移、时延与展宽、目标强度、最大回波强度等［9］。仿真时，首先进行信号展宽和多普勒频移，然后对频移后的信号进行目标强度的调幅和最大回波强度的限幅后，将信号输出。

5.2.2 信号处理

1）判别信号合成

信号合成的根本目的就是构建复杂的声信号，从而提高增加声纳员判别难度，提高训练质量［9］。原则上，信号合成应该主要包括以下步骤：一是多个目标辐射噪声或回声信号之间的合成；二是辐射噪声或回波信号与海洋环境噪声的合成；三是对融合后的信号进行滤波；四是对滤波后的信号进行移频。通过这四个步骤合成满足声纳员训练需求的信号。

2）目标声特征提取

本系统的特色之一就是在实现声纳员听到辐射噪声或目标回波的同时，还可以通过视频显示看到辐射噪声或回波的特征。因此，目标声特征提取环节也至关重要［12］。构建本系统必须深入研究声信号的时域、频域、时频域及非高斯等特性，提取其有效特征；并对各种特征进行综合优化，压缩特征维数，消除无效和冗余的特征，提高特征的整体性能［12］。