声纳模拟信号源1概述声纳模拟信号源主要是根据目标和声纳接收机的水声信号特性、相对运动特性和水下工作环境噪声特点，实时动态地生成回波模拟信号。

声纳模拟信号源主要由实时操作系统、嵌入式计算机、多通道D/A输出模块、VPC海量连接接插件、ECS机箱以及声纳模拟信号源软件等组成。

声纳模拟信号源基于目前流行且稳定的总线和技术构件，软件采用成熟的虚拟仪器软件开发平台构建，保证系统具有的先进性、可靠性以及可扩充性。

2技术指标2.1功能2.1.1目标机动仿真z目标运动方式：静止和运动目标；z运动速度：目标运动轨迹和速度可动态设置；2.1.2目标信号类型z被动方式目标船辐射平稳连续谱噪声信号；z主动方式目标船回波信号；z环境背景噪声；z在XX工作频段内频率连续可变的连续正弦波；z各路同相正弦波、噪声；2.1.3基阵信号模拟z目标回波与背景噪声模拟：舰船辐射噪声（宽带噪声、线谱、包迹谱等）、XX主动工作方式接收的回波信号；z阵元信号模拟：精确模拟给定基阵各独立阵元的多路时延；2.2性能指标z通道数：64-ch同步输出（可扩展）；z多路输出时延精度：≤0.2μs（同步精度）；z多路输出幅度不一致性：≤5%（RMS）z输出电压分辨率：≤0.1mV；z输出电压精度：≤1mV；z输出信号幅度(单峰值)：1mV～5V；z输出信号频率：10Hz～80kHz；z信噪比动态范围：-35dB～20dB（连续可变）；z通信接口：100M/1000M以太网接口；z输出信号形式：单频、调频和噪声信号，可根据XX主动发射的信号形式，模拟目标回波；2.3其它z声纳模拟信号输出接口：VPC海量连接接插件；z显示控制接口：预留RS-232、USB、键盘、鼠标、显示器接口；z存储机箱：ECS机箱；z重量：约20kg；z外形尺寸：约6U高，19”宽，500mm深。

3系统方案3.1系统原理声纳模拟信号源主要用于舰船声纳设备的测试信号产生任务，与被试船载声纳接口示意图如图 1所示。

图 1 声纳模拟信号源外部接口关系图声纳模拟信号源主要完成目标和背景信号生成、阵元时延叠加以及信号同步产生的任务。

为了完成此任务，声纳模拟信号源一方面需要具有高速运算处理单元、高速通信接口以及多路目标模型数据生成功能；另一方面还需要配置多个高速D/A通道，进行数模转换；第三，系统还必须具有一定的实时数据处理的能力，满足系统实时处理需求。

根据声纳模拟信号源的功能和性能要求，系统组成原理如图2所示。

图 2 声纳模拟信号源组成原理由测试管理系统输出的工作模式、目标参数、背景参数由以太网络送到实时处理器中，经目标信号生成、背景噪声生成、阵元时延生成以及数据组织后进行输出。

D/A数据直接送到多通道DAC上产生模拟输出信号。

多通道DAC模块具有24-bit的精度，由于内部输出数据具有8倍内插，因此实际输入数据速率不需要大于f h/0.45，对于当前最高输出87kHz信号来说，输入数据率不需要大于192kHz。

由于D/A通道具有24-bit的精度，实际小信号情况下用11-bit产生信号也基本够用了，此时D/A的另外13-bit可以用于进行信号幅度的控制，即dB 78)2lg(2013≈满足了系统1mV~5V 信号范围（74dB ）控制需要，达到了设计要求。

3.2 系统组成声纳模拟信号源主要硬件由嵌入式控制器、高速通信接口模块、多通道D/A 输出模块以及声纳模拟信号源软件等组成。

系统硬件组成框图如图 3所示。

64-ch 声纳模拟信号图 3 系统硬件组成框图如图所示，嵌入式控制器与测试管理计算机采用100M 或1000M 以太网络进行数据通信，嵌入式控制器与多通道DAC 采用高速通信接口进行通信，输出的声纳模拟信号通过VPC 海量连接器输出。

考虑到运输和使用方便性，系统配置方便搬运、存储的ECS 机箱，箱内可充入氮气，便于舰船、海边长期存储。

3.3 声纳信号数学模型3.3.1 声纳系统参数声纳系统模型建立主要依据以下两个基本声纳方程:SL-2TL+TS+GS+GT-NL=DT (主动声纳方程)SL-NL-TL+GS+GT=DT (被动声纳方程)式中出现的参数可分为由声纳系统决定的参数、由目标决定的参数和由环境决定的参数三类：a) 由声纳系统决定的参数SL ：发射时的声压；GS：声纳系统的空间增益；GT：声纳系统的时间增益；DT：检测阈。

b) 由目标决定的参数SL：辐射噪声源的指标声压级(又称为声源强度)；TS：目标强度，表示目标截获声能并将之重新辐射的能力。

c) 由环境决定的参数：NL：背景噪声；TL：传播损失，表示声能在水声信道中传播的能量损失。

声纳模拟系统的目的就是根据目标和声纳接收机的水声信号特性、相对运动特性和水下工作环境噪声特点，实时动态地生成回波模拟信号。

因此分析声纳方程的各项参数对于研究声纳的信号回波模拟信号处理方法非常重要。

3.3.2声纳模拟系统建模通过以上的分析，可以建立声纳模拟系统信号处理数学模型：z具有单频、线性调频信号的模拟功能；z信道是单途径、线性的信道；z目标为点目标，目标辐射噪声为平稳高斯噪声；z干扰背景场为均匀各向同性高斯噪声场；z回波模型能够满足舰船和接收机相对运动所需的多普勒频移外信息。

接收阵元信号模拟主要根据接收阵元的空间布放位置，在环境参数确定的情况下，由信号处理计算机系统实现目标模拟信号的生成、空间噪声的生成以及上述信号的合成。

声纳模拟系统建模主要应根据系统需求进行，特别应强调模拟对象和使用目的。

因此模型设计中应根据对信号特征的分析进行简化处理，否则很难满足系统地主要功能和性能指标要求，难以满足系统进行动态数据处理的实时性要求。

4软件方案4.1软件开发平台软件开发平台的选择需要考虑到以下几个方面：首先，与大系统软件的兼容性问题；其次，本系统在进行特定情况下的声信号模拟时，对系统软件的实时性有一定的要求。

第三，为了便于系统升级和扩充，软件设计和编程难度也应同时作出考虑。

随着计算机技术、仿真技术的发展，各种新兴仿真技术也不断涌现，其中最受瞩目的就是基于图形化编程的LabVIEW Real Time开发平台。

LabVIEW Real Time图形编程工具由两部分构成，亦即开发系统和Real Time引擎。

Real Time开发系统的功能是编制和调试LabVIEW RealTime代码，然后将程序下载到RealTime系列硬件上的Real Time CPU，以及提供用户界面。

可见Real Time实时系统是在主机PC下运行的应用软件，Real Time引擎是在Real Time CPU内运行和执行嵌入的LabVIEW Real Time程序。

实时引擎实际上是一个32位内核的实时操作系统，具有与开发系统通信服务等功能。

Real Time引擎运行LabVIEW Real Time的代码，提供确定性的实时特性。

由于Real Time引擎不在主机PC运行，而在Real Time系列硬件上运行，对实时特性调谐，减少瓶颈。

Real Time引擎是在实时操作系统下运行，保证调度程序和其它操作系统服务粘附到实时操作上。

Real Time引擎是多线程的，较高优先级的线程一定比低优先级的线程先执行。

使用者无需了解内核的详细运行，实时操作系统管理全部实时细节。

这种屏蔽作用保证在实时操作系统更新时，用户不必更改代码。

有了LabVIEW Real Time之后，构建实时测控应用变得很容易和方便。

对熟悉LabVIEW的使用者来说，先在LabVIEW Real Time软件开发环境下编写应用程序，然后将代码下载到Real Time系列硬件上的Real Time处理器内。

这样，使用者就备有可靠的独立运行的处理器全力以赴地执行硬实时控制的要求，而其它对时间没有严格要求的用户界面临视，数据收集和有其它功能留给主机PC去处理。

因为LabVIEW Real Time代码在智能的Real Time系列数据采集卡运行，即使主机PC崩溃，控制回路应用程序仍然工作。

对于熟悉LabVIEW编程和传统数据采集插卡的使用者，由于LabVIEW Real Time和Real Time系列硬件采用同样的应用程序接口，使用者可利用从前的编程经验而不必深入了解实时技术来构建硬实时应用。

由LabVIEW Real Time开发实时应用程序可用于大型测控系统的分布式结构，在分布式结构中主机PC运用标准的LabVIEW主程序为用户提供界面，对时间要求不严格的控制硬件可接入分布网络中，对时间要求严格的Real Time系列硬件执行LabVIEW Real Time程序。

标准的LabVIEW主程序软件与嵌入的LabVIEW Real Time程序相互通信和分享Real Time硬件的板上存储器，在网络上运行TCP/IP协调或调用虚拟仪器（VI）服务器，执行分布式硬实时测控作业。

LabVIEW Real Time的主要特性包括：z快速开发LabVIEW Real Time模块扩展了LabVIEW图形化开发环境的应用范围，用户可以使用500多种分析和控制例程来创建高级的确定性应用程序。

z分布式部署可以部署实时应用程序到联网目标硬件上，并通过上千个通道以及鲁棒性通信接口在各个目标对象和大型监控系统之间进行数据共享。

z I/O集成使用现成可用、功能齐全的硬件驱动程序将各种I/O，如模拟I/O、数字I/O、运动控制I/O、视觉I/O与高精度仪器一起集成到实时应用程序中。

z其它特性LabVIEW Real Time的其它特性包括：嵌入式和实时控制的的图形化开发环境，用于PID和模糊逻辑控制的内置式功能库，与RT系列硬件无缝集成，提供真正的实时性能，生成独立应用程序，并将程序应用在RT系列硬件上。

4.2应用软件4.2.1系统主控软件模块系统主控程序主要完成系统任务调度管理、时间分配、命令参数配置、初始化等功能。

该部分程序要求具有较高的效率，可以将多个任务进行时间分配、并行化任务（多核CPU分配），同时进行优先级设定。

4.2.2实时网通信管理软件模块实时网通信管理软件模块主要完成实时网卡配置（中断、DMA设置）、数据接收和发送、接收数据组织、发送数据组织、网络命令参数的解析等功能。

4.2.3信号生成软件模块信号生成软件模块主要完成接收的声纳目标信号、背景信号的生成，信号的叠加、输出通道修正、数据组织和分配等功能。

由于接收数据量较大，因此数据处理软件的效率要求较高。

信号生成软件主要需要考虑以下一些功能和算法：z海洋传播信道仿真功能：由于海水介质的不均匀性，导致了声在海水中的传播一般不会按照直线进行传播，而会发生弯曲现象。

根据介质影响、传播条件和边界影响等因素，仿真海洋传播信道，生成基阵输出信号。