[發明專利]一種聲納半實物仿真系統

有效

• 申請號: 201310086595.2
• 申請日: 2013-03-19
• 公開（公告）號: CN103163785A
• 公開（公告）日: 2013-06-19
• 發明（設計）人: 馬曉川;鄢社鋒;秦博;楊力;彭承彥;林津丞
• 申請（專利權）人: 中國科學院聲學研究所
• 主分類號: G05B17/02
• 分類號: G05B17/02
• 代理公司: 北京法思騰知識產權代理有限公司 11318
• 代理人: 楊小蓉;楊青

技術領域

本發明涉及數學仿真技術，尤其涉及聲納信號處理中的仿真技術。

背景技術

大型數字信號處理系統設計一般經過純軟件仿真、半實物仿真、設備樣機等設計階段，其中半實物仿真是算法由軟件仿真向硬件移植的關鍵步驟。半實物仿真系統軟件設計均以相應系統的硬件結構為基礎，同時僅能驗證相應硬件體系結構下算法的有效性、實時性等性質。

典型的聲納系統的處理機硬件使用一種級聯式拓撲結構，如圖1所示，這種結構由多片處理器協同完成運算，各片處理器之間通過共享內存實現通信。這種級聯設計基于以下原因：典型的水聲信號處理算法包含降頻、FFT、寬帶波束形成、匹配濾波、背景歸一化等步驟為線性結構，適宜進行分段處理；聲納信號處理對實時性要求嚴格。

相應的，聲納系統的半實物仿真平臺軟件設計也以此級聯式的硬件體系結構為基礎，聲納信號處理算法表現為單一、連續的一條算法鏈，這些算法通過適應于硬件的驅動程序和硬件緊密聯系起來構成完整的仿真系統。換言之，典型的聲納半實物仿真系統的軟件只能將各個聲納信號處理算法模塊拼接為一條流水線，如圖2所示。并只能驗證級聯系統結構下聲納系統的準確性、實時性、有效性等性質。

針對樹形結構，以往仿真系統表現出如下缺點：

1)典型的聲納半實物仿真系統軟件設計與實現方法僅適用于級聯式系統結構，無法滿足本實驗室研制的樹型拓撲結構信號處理系統的使用要求。

2)依據級聯結構的半實物仿真平臺軟件，無法驗證樹形結構下算法的正確性、實時性、有效性。

3)依據級聯結構的半實物平臺軟件實時性差，仿真效率低下。級聯系統需要在各級間傳遞中間結果，尤其在聲納信號處理中，這些通信數據量極大。使用共享存儲器的方法進行傳遞時，明顯受到存儲器的讀寫速度限制。

4)由于通信時兩級處理單元共享外部存儲器的同一數據區域，需要同步兩級處理器防止同時進行讀寫操作中出現錯誤，依據級聯結構的半實物平臺軟件控制復雜，設計困難。

發明內容

本發明基于聲納系統樹型體系結構，結合數學計算軟件Matlab，依據實際應用環境和聲納算法流程特點，提出了半實物仿真系統設計與實現方法。

具體而言，本發明提出了一種聲納半實物仿真系統，其中該系統包括仿真上位機、D/A轉換箱、信號采集模塊、總線背板、DSP信號處理板、信號處理上位機，其中DSP信號處理板和信號處理上位機構成信號處理的運算部分，其中

仿真上位機，為通用計算機，用于模擬回波信號產生、錄制數據存儲、仿真數據播放；

D/A轉換箱，為D/A板卡。將所述仿真上位機發送來的數字信號實時轉換為多路模擬信號；

信號采集模塊，為A/D板卡，由帶通濾波器對模擬信號進行放大和子帶劃分；由FPGA同步控制A/D進行實時采樣，將采樣數據存儲在FIFO芯片中；由FPGA使用板間通信協議經由總線背板完成信號采集模塊和DSP信號處理板之間的通信；

總線背板，用于連通所述信號采集模塊和所述DSP信號處理板以及所述信號處理上位機，為各板卡之間的通信提供硬件通路；

仿真上位機，使用PC板卡，用于初始化數據表，針對各工作模式的FFT、IFFT點數，產生計算FFT、IFFT蝶形運算所需旋轉因子，并設置陣元位置、有效譜線范圍、掃描波束方向、子帶中心頻率，得到寬帶波束形成權矢量，以及設置匹配濾波容限、有效譜線范圍、發射信號模式和參數，通過FFT計算得到匹配濾波器的頻譜；

DSP信號處理板，包含交換機、主DSP、從DSP、FPGA模塊，其中各DSP之間的通信由交換機通過SRIO協議完成，DSP通過兩步完成和其他模塊之間的通信，DSP通過板內通信協議與FPGA模塊進行通信，FPGA模塊完成板內通信協議向板間通信協議的轉換，經由總線背板與其他模塊進行通信。

根據本發明一個方面，其中所述仿真上位機進一步包括模擬回波信號產生模塊、錄制數據存儲模塊、數據播放模塊。

模擬回波信號產生模塊，基于Matlab平臺，用于產生陣元路數的模擬回波，信號回波時間起點、脈沖長度可調，波形包括水聲信號處理常用的CW波、LFM波，含有噪聲、混響、干擾信號。

錄制數據存儲模塊，用于按照數據播放模塊要求的格式存儲實際水聲試驗中錄制的數據。

數據播放模塊，包括D/A轉換箱的底層驅動，可按采樣率設置將存儲的數據發送給D/A轉換箱。

根據本發明一個方面，其中所述信號采集模塊進一步包括：

通濾波器子模塊，用于對模擬信號進行放大和子帶劃分；