一种声纳仿真模拟可视化导调系统的设计与实现∗

张振华俞 剑陈少锋罗淑萍

（1.中国电子科技集团公司第二十八研究所 南京 210007）

（2.北京志成凌云科技有限公司 北京 100044）

1 引言

1.1 声纳仿真模拟系统

声纳仿真模拟系统，通过部署声呐位置、雷达位置、目标位置，设定水文气象声场环境信息［1］，模拟声呐、雷达对水面、水下目标的探测，并将声呐、雷达探测结果信息上报，用于对探测目标进行数据融合，确定目标的准确位置、航向、航速、属性、目标类型等信息。

整个声纳仿真模拟系统由导调软件、目标模拟软件、声场计算软件、水声环境模拟软件、声呐仿真软件组成，如图1所示。

其中导调软件运行在操作前台，是整个仿真系统的指挥和人机交互中枢［2］。其它软件运行在服务器端，用于算法结算和模型生成，可模拟在多种海洋环境、战场想定、目标特征条件下，声呐对水面、水下目标的实时探测情况，并将探测结果融入整个模拟作战环境中，可用于技术论证、设备研制、战法研究、形象展示等。

图1 声纳仿真模拟系统软件模块关系图

1.2 声呐仿真系统导调软件

系统导调软件主要完成想定剧情的创建、剧情管理、推演控制及可视化数据显示［3］。作为整个声纳仿真系统的数据交互中心及操作控制核心，它将剧情、平台初始化参数下达给各模拟软件，通过仿真控制指令控制整个分布式系统的启动、暂停和停止［4～5］。系统导调软件由剧情管理、剧情编辑、辅助工具、参数设定和仿真推演几个功能模块组成。如图2所示。

图2 系统导调软件功能模块组成图

2 系统设计

声呐仿真模拟导调软件，依功能可划分为剧情管理、想定编辑、辅助工具、参数设置和仿真推演等5个软件模块，具体设计流程如下。

2.1 剧情管理

剧情管理功能主要包括：新建剧情、打开剧情、保存剧情、另存剧情、删除剧情、关闭剧情、导入导出剧情。剧情管理流程图如图3所示。

图3 剧情管理流程图

2.2 想定编辑

想定编辑及系统配置功能主要包括：兵力属性/操作模块、航路编辑模块。

想定编辑流程图如图4所示。

图4 想定编辑流程图

2.3 辅助工具

辅助工具主要包括：生成兵力模块、兵力配置模块、航路显示/隐藏模块、特效显示模块。

想定编辑流程图如图5所示。

2.4 参数设置

参数设置模块主要包括：目标参数设置模块、声呐参数设置模块、声场参数设置模块、雷达参数设置模块。

图5 辅助工具流程图

参数设置流程图6如所示。

图6 参数设置流程图

2.5 仿真推演

仿真推演主要包括：仿真初始化、仿真开始、仿真暂停/继续、仿真停止操作。

仿真推演流程图如图7所示。

3 软件实现

3.1 软硬件资源平台

3.1.1 硬件环境

1）CPU：Intel酷睿i7 3970K四核；

2）内存：8GB DDR3以上；

3）硬盘：500G以上；

4）显卡：显存4G；

5）网卡：1000M以太网卡；

6）显示器：24寸 1920*1080分辨率。

3.1.2 软件环境

1）前台软件：操作系统 Windows 7-64bit，编译环境QT4.86+VS2010；

2）服务器软件：操作系统 Windows 7-64bit，编译环境QT4.86+VS2010；

3）数据库：Oracle 11g。

3.2 模块实现

1）界面设计原则

在进行导调软件可视化交互界面设计实现时，主要遵循以下原则。

（1）显示内容：按照显示信息分类，在不同窗口显示重点关心的数据；

图7 仿真推演流程图

（2）界面风格：采用标准的控件，使用统一的信息表示方法，包括字体、颜色、术语、错误信息等；

（3）目录层次：工具条信息、操作信息、显示信息按层次清晰展现［6］；

（4）交互信息：要检查正确性，出错时，能明确提示用户；

（5）操作控制：系统功能操作易于理解，操作容易，快捷方便；

（6）美观效果：图形界面的显示美观，布局合理，色调搭配科学；

（7）自动选择：常用信息输入如批号、经纬度可以在图形上拾取，界面上自动更新拾取目标数据；

（8）告警提示：在需要提示与告警的情况下，提供声音、图形闪烁等方式告警。

2）主框架程序类

声呐仿真模拟可视化导调系统软件，采用QT4.84+VS2010环境进行设计开发，主框架程序类如图8所示。

图8 导调软件主框架程序类图

3.2.1 导调主界面

导调软件主界面窗口，设计包含标题栏、菜单栏、工具栏和态势图显示界面，如图9所示。

图9 导调系统主界面

菜单栏：仿真系统可视化导调集成环境软件客户端程序的功能集合。

工具栏：菜单栏中常用的功能菜单项。

工作区：编辑剧情文件以及剧情导演显示。

地图操作按钮：控制地图的缩放、漫游等。

状态栏：显示鼠标当前在地图上的经纬度信息。

3.2.2 兵力配置

兵力配置对话框，如图10所示，包括了模型列表选择、兵力属性设定、二维模型视图、三维精灵模型视图、模型插件绑定控制等操作显示区。

图10 兵力配置界面

3.2.3 剧情编辑

剧情编辑模块，操作界面如图11、图12所示，可进行声呐仿真模拟剧情的新建、打开、导入、导出、删除、保存、另存等具体剧情相关操作。模拟剧情包含了剧情名称、创建人、创建如期、剧情简要描述等剧情属性项。

图11 剧情创建

图12 剧情加载

关于剧情属性，说明如下：

1）剧情名称：新建剧情的名称；

2）创建人：剧情的创建作者；

3）创建日期：剧情的创建日期；

4）简要描述：新建剧情的详细描述信息。

输入完整的剧情信息后，点击“确定”，创建新的态势也可点击“取消”按钮取消本次操作。

3.2.4 想定编辑

想定编辑，即是根据预先计划的模拟剧情，通过导调软件在态势界面上添加雷达装备、声呐装备、水下目标、各类水面舰船等，再设定行进航路［7］。实现剧情的编辑及剧情文件的生成，提供给模拟推演时加载使用［8］。操作界面如图13（剧情想定编辑及兵力属性设置）、图14（目标航线设置）所示。

图13 目标剧情编辑

图14 航路设定

3.2.5 参数设定

1）目标参数设定

通过目标参数设定界面，如图15所示，可对目标相关属性参数进行设置修改，具体包括目标名称、目标所属经纬度/高深度、目标航向/航速、类型、类别、机械参数等相关信息［9］。

2）声场参数设定

通过声场参数设定界面，如图16所示，可对水文气象声场环境相关属性参数进行设置修改，具体包括浪高、风速、深度、声速、密度等相关信息。

3）声呐参数设定

通过声呐参数设定界面，如图17所示，可对声呐工作参数进行设置修改，具体包括声呐机械参数、探测参数、工作参数和装备参数等相关信息［10～11］。

图15 目标参数设置

图16 声场参数设置

图17 声呐参数设置

4 结语

视景仿真环境，是一种基于可计算技术的沉浸式交互环境，是图形技术与图像生成、计算机、显示和信息合成等高新技术的综合应用［12］，正是基于这种设计准则和技术体制，整个声呐仿真模拟导调可视化系统软件的设计与实现，基本可满足后台的算法结算、模型生成以及前台的人机交互与操作控制，可实现多种水文环境、剧情想定、目标设定条件下的声呐探测模拟环境，以用于技术研究、平台验证、论证演示等场景，但同时也有一些心得与不足之处，下面列举几条：

1）对于各项装备及目标的工作参数设定中，仅能满足日常技术实验，后期可进一步研究各项参数之间的联动关系，实现匹配性设置；

2）导调操控较为繁琐，人机交互友好性不够，有较大提升空间；

3）公共参数设置过程较复杂，应进行统一设定，给出默认参数；

4）在各项模型结算实现时，可进行分布式系统验证，以提高模拟效率；

5）处理声场环境信息的后台建模过程较慢，一是硬件环境所限，二应该继续优化模型处理算法。