基于数据分发服务的声呐仿真系统的研究∗

毕晓龙

（渤海造船厂集团有限公司 葫芦岛 125004）

1 引言

21世纪以来，人类进入了信息时代，计算机技术在诸多领域都发挥着极为重要的作用，为军工行业的分布式系统方面提供了高效的解决方法。

传统的声呐仿真系统，采用软硬件配套的形式进行开发，内部的接口均采用点对点的传输形式，每个处理单元之间的连线复杂、物理传输通路多，专用型的信号处理种类多，存在着单机单用的局限性。同时，通讯协议与显示界面之间不能剥离，分布式应用程序的显控界面与应用程序无法做到动态绑定［1］。而用于军事的声呐系统具有网络规模大、协议复杂等的特点，传统的网络通讯方式已无法满足现代化的声呐系统的仿真需求。所以有必要对传统的声呐软件提出新的通讯方式［2～4］。

发布／订阅（Pub/Sub）模型具备多点通信和异步通信的特点，使分布式系统的参与者在时间、空间以及控制流上完全解耦，因此解决了分布式系统的集成问题和动态重组问题。对象管理组织OMG利用传统的发布/订阅模型的特性，建立了相应的DDS（Data-Distribution Service）规范，并提供丰富的QoS（Quality of Service）支持，因此在国防、航天等数据密集型的实时领域有着广泛的应用［5～9］。

本系统提出一种基于DDS的构件化声呐仿真系统，构件化软件集成平台旨在设计一套开放式的系统集成平台，实现分布式系统的集成，提供系统的基本结构（使用总线型结构）和发布订阅通讯机制，各软件可以在该平台上即插即用，实现声呐系统中各仿真软件互连互通。

2 DDS技术特点

DDS是一种基于HLA和CORBA等标准的新一代分布式实时通信中间件技术规范，采用发布/订阅体系结构，以数据为中心，有着丰富的QoS服务质量策略。它具有高效性、灵活性和可靠性，在要求高性能、可预见性和对资源有效使用的关键领域有着广泛的应用［10］。

DDS允许程序实时的发布或者订阅所需的信息，发布者可以高效地将正确的信息传递给适当的订阅者，发布者和订阅者之间采用松耦合的连接方式。DDS在全局数据空间的基础上，能够随意调用与该空间中的信息相关联的离散节点。在信息交流过程中，发布者将数据的属性等信息传到数据空间；信息订阅者表明自己期望的数据属性，并将其调用。

DDS工作流程如下：

1）发布者在中间件注册数据类型，设置Qos并建立主题，同时，订阅者设置Qos并建立主题；

在预测精度方面提出的模型还有进一步提升的空间，例如进一步考虑流场数据的空间相关性，进一步降低不确定性，从而提升漂移轨迹预测精度。此外，提出的方法仅从数值模拟的角度分析比较，其有效性还需要与实际场景下物体漂移轨迹进行比较，这也是未来研究的一个重要方向。

2）建立主题后，中间件服务对主题连接关系进行检查，符合连接要求的发布者/订阅者可以建立连接；

3）连接建立后，发布者设置数据记录者发布数据，订阅者设置数据接受者读取数据。

3 声呐仿真系统总体框架

3.1 系统架构

声呐仿真软件是依据目标与声呐的信道结构来生成基于仿真声场条件下的目标信号，有两种方式来对目标信号进行检测，一种是主动的对波束形成后的信号进行回波检测，另一种是被动的利用时间积分进行能量累积。

声呐仿真软件主要包括6个信号生成构件、2个数据生成构件、1个信号处理构件和1个显控构件。其中，信号生成构件包括目标信号生成、声场信号生成、平台自噪声信号生成、环境噪声信号生成、主动发射信号生成、混响信号生成的构件，数据生成构件包括单阵元数据生成和多阵元数据生成的构件。各构件之间通过DDS进行数据交互，声呐仿真系统交互逻辑如图1所示。

图1 声呐模拟软件构件交互逻辑图

3.2 信息主题订阅/发布

DDS技术是一种以主题的形式来完成数据的交流和传递的，每一个构件的信息主题订阅/发布情况根据构件功能不同而彼此相异［11～13］。声场信号生成构件订阅主题/发布主题如表1所示。

表1 声场信号生成构件订阅主题/发布主题

1）目标信号生成构件

目标信号生成构件的工作模式指令分为主动和被动，两个DDS报文采用“或”的处理逻辑。当选择主动模式时，构件根据订阅的目标参数特征（目标数量、类型、运动参数等），来模拟发布主动工作模式下的目标回波特性（目标强度、频谱特征和调制谱特征）；当选择被动模式时，构件根据订阅的目标参数特征（目标数量、类型、运动参数等），来模拟发布被动工作模式下的辐射噪声信号（目标强度、频谱特征和调制谱特征）。

2）声场信号生成构件

声场信号生成构件是依照水下环境的边界特征，综合提取与信号传播相关的信息要素，利用传播模型，计算给出目标与接受平台的点对点信道特征和冲激响应函数，给出声场中的传播损失图和声线的轨迹历程图。本系统的模型同时考虑了声线传播轨迹和传播时间、声波的声强和声压和传播损失。声场信号生成构件由声场冲激响应计算模块与声场传播损失分析模块构成。声场冲激响应计算模块根据给定的精度要求和环境条件来计算任意收发节点位置之间的信道建模。传播损失分析模块主要是计算全局的声线轨迹，并进行声场的传播损失情况分析。声场信号生成构件工作情况如图2所示。

图2 声场信号生成构件工作情况

3）平台自噪声信号生成构件

船舶在航行过程中会产生一些辐射噪声，产生的原理和目标辐射噪声信号产生原理相同。平台自噪声主要是指我船产生的噪声。艏端阵阵元接收到的平台自噪声，是本船辐射噪声加相当于船身长度的距离传播损失（按球面波扩展计算），不计阵元间接收信号的时间差。拖曳阵阵元接收到的平台自噪声，是本船辐射噪声加1km距离（或用户预先定义距离）传播损失（按球面波扩展计算），不计阵元间接收信号的时间差。

4）环境噪声信号生成构件

环境噪声信号生成构件主要模拟与水文、气象相关的环境噪声数据、噪声功率谱特征。环境噪声是信号检测中所面对的噪声背景，具有时间和位置等特性。因此，环境噪声是去除所有可分辨的瞬态声源后所残留的那部分声级。海洋环境噪声模型中，噪声声压是一个随机量，与时间量之间不存在确定关系，因此分析噪声声压幅值的频谱没有意义；而其功率谱函数是一个确定的统计量，反映了该过程的各频率分量的平均强度。图3给出了不同风速和不同航运时的环境噪声平均功率谱曲线。从图中可以看出，在低于3Hz的频段的区域内只有一根谱线，这是因为在低于3Hz时，风度对噪声功率谱的影响非常微弱，且存在不确定性。使用时，选择相应的航运—风速谱线，与相邻频段的谱线相连，就可以近似对任意时间、任意地点处的环境噪声谱进行预报。

图3 海洋环境噪声平均功率谱图

5）主动发射信号生成构件

主动发射信号生成构件订阅的波形类型有三种，分别为单频矩形脉冲信号（CW）、线性调频脉冲信号（LFM）和双曲线调频信号（HFM）。通过设定合理的参数后，生成相应的主动声呐信号。

图4 混响信号生成实现逻辑图

6）混响信号生成构件

主动声呐信号发射之后，接收海面混响、体积混响和海底混响，最终形成声呐系统的混响信号。

7）单阵元数据生成构件

单阵元数据生成构件包括主动接收信号模拟和被动接收信号模拟，主动接收信号是将平台自噪声、目标回波信号、海洋环境噪声和混响叠加，形成主动接收信号。被动接收信号是将船舶的船舶噪声信号和信道进行卷积，再将卷积后的结果与环境噪声信号、平台自噪声进行卷积后得到的。

8）多阵元数据生成构件

多阵元数据生成构件用于根据用户设置的阵元类型（如线形阵、柱形阵等），将单阵元数据生成构件生成的单阵元数据进行拟合，形成不同阵元类型的多阵元数据。

9）声呐信号处理构件

声呐信号处理构件通过选择声呐是处于主动声呐还是被动声呐，来对多阵元接收信息进行处理，处理后生成DEMON谱数据、LOFAR谱数据和对应的波形数据。

10）声呐显控构件

声呐显控构件用于设置声呐仿真所需的环境参数和工作参数；提供系统工作所需的操控环境；对声场环境、各型声呐输出信息及系统状态进行集中显示。

4 声呐仿真验证

首先加载配置文件，声呐构件判断是否收到仿真控制命令，当收到开始的控制命令后，构件通过接收到的本船信息、目标噪声（被动）、传播损失和冲击响应（被动）、目标回波（主动）、传播损失和冲击响应（主动）以及水声环境噪声，将这些信号通过模型进行计算，通过显控构件选择的“被动/主动”模式，来模拟生成相应的声呐波形。

在被动模式下，声呐被动主界面的波束图在仿真开始后，会有数据输出，如图5所示。

图5 波束输出图

点击波束图中的任意方位，添加被动跟踪信号，“5号目标”的方位为60，舷角为-121，敌我属性为敌方。添加的被动模式跟踪目标的DEMON图和LOFAR图如图6所示。

图6 目标DEMON图和LOFER图

在主动模式下，声呐主动主界面的主动波束输出模块、主动混响抑制模块的波束图在仿真开始后，会有数据输出，如图7所示。

图7 主动模式波束输出

主动模式信号处理界面会提供探测到的目标，点击目标，即可在主动模式辅助界面显示该目标的信号处理过程图像。

图8 主动模式下的发射信号

接收回波信号如图9所示。

图9 主动模式下的接收回波信号

背景干扰信号如图10所示。

图10 主动模式下的背景干扰信号

5 结语

本系统的声呐仿真系统是采用基于DDS模型的构件化结构来进行设计，仿真软件显控界面与业务模块、通讯模块是解耦合关系，可以实现显控界面的动态部署。同时，以构件化形式将仿真软件的功能模块进行独立封装，实现了各软件在平台上的即插即用功能，也便于系统的后期扩充、维护和升级。本系统遵循DDS规范，是通信具备发布/订阅机制和通用性，提高了系统的可重用性。同时，本系统还可以减少船员训练系统的教学成本，提高船员的教学水平，对声呐训练系统具有重要意义。