一种主动全向浮标仿真系统的设计与实现

许弋慧，宋飞飞

（中船重工第715 研究所，浙江杭州，310012）

0 引言

浮标作为重要搜潜装备，在反潜工作中具有极其重要的作用。主动全向浮标可提供目标距离、径向速度，并且布设速度快，受载机自噪声影响小，三枚主动全向浮标还可精准测定目标的距离及速度[1,2]。而在实际浮标声处理设备研制、测试、维修过程中，由于在地面缺乏浮标声处理设备进行正常工作所需的水声环境，有时无法完成对浮标声处理设备的校准和测试。本文根据实际需求，研制了一种主动全向浮标仿真系统，模拟实际主动全向浮标的特性，采用相应的算法进行处理，完成目标距离和速度的检测。

1 理论分析

1.1 目标速度测量数学模型

主动全向浮标发射某种形式的声信号，利用信号在水下传播途中障碍物或者目标反射的回波来进行探测目标距离及径向速度。CW 单频信号为常用的发射信号。中心频率为500Hz 的信号波形与频谱如图1 和图2 所示。

图1 CW 单频信号时域示意图

图2 CW 单频信号频域示意图

CW 信号测量目标径向速度是基于多普勒频移现象[3]，其基本原理是发射频率为ft单频信号，一旦经目标反射，接收机接收到的信号频率为fr，根据多普勒频移公式即可得出

1.2 目标距离测量数学模型

CW 信号测量目标距离是通过接收回波与发射信号的时间差来计算[3]，根据1.1 节所述，发射机发射单频信号，一旦经目标反射，接收机接收到回波信号，测得信号的往返时间差，对其取半即为单程时间差，通过距离计算公式得出：

如图3 所示，时间t为信号往返时间差，根据式（4）即可计算出目标距离。

图3 CW 信号测距原理

2 系统组成和实现

2.1 组成

系统主要由声信号模拟器单元、信号处理单元、显示控制单元等三部分组成。系统组成框图如图4 所示。

图4 系统的组成框图

模拟器单元根据信号参数设置信息，运行声信号模拟算法，不断产生各通道数字信号，当数据累积到计算时长后输出；信号处理单元接收模拟器单元上传的数据，并对数据进行分析处理，然后将视频结果发送至显示控制单元；显示控制单元用于PC 机与用户进行交互，控制系统的启动或停止，显示信号处理单元输出的数据结果等。

2.2 模拟声信号

模拟器单元根据信号参数设置信息，运行声信号模拟算法，不断产生各通道数字信号，当数据累积到计算时长后输出。

2.3 信号处理单元的实现

信号处理单元接收模拟器上传的数据，并对数据采用各种算法进行分析处理，主要包括复解调、降采样滤波模块、FFT、求模四个模块，软件框图如图5 所示。

图5 软件框图

2.3.1 复解调和降采样滤波模块

该模块主要包括复解调和降采样滤波两个部分，该模块将声信号变频到基带，减少了运算量，便于后续处理。相关计算方式如下所示：

2.3.2 FFT 与求模模块

该模块主要分为快速傅里叶变换(FFT)、结果求模、排列选择等部分，该模块将基带信号变换到频域，进行求模，然后对求模结果进行排列选择最大值即为频移点。相关计算方式如下所示：同时得出时间差，计算距离；

2.4 显示控制单元的实现

显示控制单元接收来自信号处理单元的处理结果，以多普勒为横轴、以距离为纵轴，把每个数据点合并成图像，用OpenGL 语句输出到屏幕上。

该单元还接收光标在屏幕上的点击坐标，转换成相应的多普勒和距离数值，从而可以读出目标回波的定位信息；该单元同时提供参数设置界面，由用户选择发射模式、频率、量程等参数，分别设置到声信号模拟器单元和信号处理单元。

程序的界面截图如图6 所示。

图6 程序界面

3 实验验证

在Intel x86 硬件平台进行验证，CPU 为i7-4770、内存为16G、操作系统为Ubuntu Linux 14.10、编译器为GNU C/C++ Compiler，采用C 语言编程，得到的实验结果为:

由表1 可以看出，本文设计的仿真系统很好的完成了对实际声纳水面和水下部分的仿真，且能正确估算出目标的参数信息。在以后的研制、测试等工作中，可以作为问题测试、算法改进等的平台，具有一定的应用价值。

表1 实验结果

4 结束语

本文对主动全向浮标仿真系统的数学模型和相应算法进行了简要介绍，着重对其软件架构和实现方法进行了说明。实验结果表明，该系统能满足设计要求，可应用于浮标声处理设备研制、测试等任务，验证浮标声处理设备存在的技术问题。