一种基于GSL的吊放声纳信号处理实现方法

宋飞飞 许弋慧

中国船舶第七一五研究所，浙江杭州 310012

0 前言

吊放声纳是海军反潜直升机对水下目标进行探测的重要装备，主要用于对潜艇的搜索、定位、识别及跟踪[1]。吊放声纳根据接收的回波声信号，采用多种算法获取目标的参数信息，可以及时、准确地搜索指定海域内的敌方潜艇[2]。

吊放声纳信号处理算法一般基于DSP（digital signal processing）实现，但DSP价格高，开发周期长[3]，在算法仿真及验证阶段，该方法存在一定的困难。仿真系统往往以通用CPU作为平台，而普通CPU处理高速数据能力有限，本文着重研究了一种基于GSL科学计算库的吊放声纳信号处理方法在CPU上的高效实现。仿真数据比对结果验证了该方法的正确性和有效性。

1 算法原理

吊放声纳发射某种形式的声信号，在声纳作用距离内，发射脉冲在水中传播，遇到某一目标，经反射产生回波信号，水下基阵接收回波声信号和背景噪声[4]进行信号处理，获取目标的距离、方位等信息。HFM双曲调频信号为常用的发射信号，其信号波形与频谱如图1所示。

1.1 目标距离测量

HFM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[5]，发射机发射HFM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：

其中，c ——声速；

t ——信号往返时间差。

根据式（1）即可计算出目标距离。

1.2 目标方位测量

吊放声纳对接收的目标回波信号进行处理，在波束形成结果中搜寻最大值，该最大值所在的波束角作为目标的粗方位。根据预成波束计算获取标准测向表，利用最大值所在的波束号及其相邻2个波束数据（共3个值）与标准测向表对应的值进行欧氏距离计算，如式（2）、式（3）所示。

其中，X(n0)、X(n0-1)、X(n0+1)——最大值所在波束号及其相邻2个波束的数据；

Δθ' ——设定的偏差角分值；

D1(Δθ')、D2(Δθ')——d1、d2的理论计算值（标准测向表对应的值）。

将欧氏距离r(Δθ')最小值所对应的标准测向表中的角度数作为修正量，粗方位＋修正量即为该目标的方位。

2 GSL设计思路

信号处理算法通常基于DSP芯片来实现，但DSP芯片价格高，开发周期长，因此，在算法仿真及验证阶段，使用该方法存在一定的困难。现在CPU相较以前性能有了很大的提升，再借助一些科学计算库，在CPU上就可高效实现吊放声纳信号处理算法。

GSL是专门为应用数学和科学技术领域的数值计算提供支持的软件库，该函数库提供了广泛的数学算法的实现函数，提供超过1,000个函数，这些函数包含的范围有：复数计算、多项式求根、特殊函数、向量和矩阵运算、排列、组合、排序、线性代数、特征值和特征向量、快速傅立叶变换（FFT）、数值积分、随机数生成、随机数分布、统计、蒙特卡洛积分等。

吊放声纳信号处理中，FFT运算可调用GSL中的快速傅里叶模块，分为3个步骤进行：首先，分配wavetable和workspace所需的空间；然后，调用函数gsl_fft_complex_forward；最后，释放之前分配的空间。为方便使用，将这3个步骤封装成一个函数，代码如下所示。

其中，函数gsl_fft_complex_forward的参数data为输入输出所共用，不利于后期软件调试。因此，在封装函数时分别定义了输入输出数组，并在调用函数gsl_fft_complex_forward前将输入数组搬移至输出数组，从而避免处理过程中输入数组数据被覆盖的问题。

吊放声纳信号处理中的复解调、降采样低通滤波、频域波束形成等运算可调用GSL的向量与矩阵模块，涉及到的函数为向量相乘函数、向量搬移函数、向量求模函数等，根据各个函数的运算特点进行封装即可使用。对函数进行封装，不仅避免对GSL底层函数的直接调用，减少了开发人员的工作量，而且具有很好的移植性。

3 GSL实现方法

3.1 算法流程

算法流程图如图2所示。首先，对吊放声纳回波信号进行复解调，消除载波的影响；接着，对信号进行降采样低通滤波，提高分辨率，减少运算量，降采样滤波完成后，进行FFT变换，在频域做波束形成、谱线选择、匹配相关；最后，对其进行逆快速傅里叶变换（inverse fast fourier transform，IFFT）。通过以上运算可得到HFM信号处理结果，根据1.1节的目标距离测量和1.2节的目标方位测量原理所述，对HFM信号处理结果进行处理即可获取目标距离和目标方位。

3.2 实现条件

在Intel x86硬件平台进行验证，CPU为i7-4770，内存为16 G，操作系统为Windows，开发工具为Visual Studio 2005。

在进行开发之前，VS2005需配置GSL开发环境，分3个步骤进行[3]：

（1）向Visual Studio C++项目代码中添加GSL的包含文件目录为gsl/include；

（2）在项目中增加GSL软件库文件libgsl.lib和libgslcblas.lib；

（3）在项目运行目录中增加动态链接库libgsl.dll和libgslcblas.dll。

3.3 实验验证

设置2个模拟目标，目标1距离为3 km，方位为255°，目标2距离为5 km，方位为135°，仿真信号采用脉冲宽度为300 ms的HFM，信号处理结果如图3所示。

图中对应的纵坐标为目标距离，横坐标为目标方位，从图中可以看出，两目标对应的距离、方位与预设值相符。其他预设值与测量值如表1所示。

表1 测量结果

由表1可以看出，预设值与实测值的误差均在合理范围之内，本文研究的基于GSL实现吊放声纳信号处理方法能正确且有效地估算出目标的参数信息。

对比基于DSP平台的实现方法，基于GSL的实现方法具有以下几个优点：

1、代码规模减少了约15%；

2、开发人员可以充分利用Visual Studio强大的调试功能降低调试难度，减少工作量，缩短开发周期；

3、可移植性，对GSL的库函数进行二次封装，通过不同的编译宏隔离，对硬件平台进行屏蔽。

4 结束语

本文对吊放声纳信号处理算法原理进行了简单介绍，着重对GSL的设计思路和实现方法进行了说明。实验结果表明，基于GSL信号处理算法的实现方法具有实用性，且在满足算法仿真的正确性和有效性的前提下降低了利用DSP芯片开发的开发成本和周期，同时，也降低了直接利用CPU实现算法的运算时间，但该方法数据处理耗时较DSP平台长，需进一步改进。