[发明专利]一种声纳半实物仿真系统

说明书

技术领域

本发明涉及数学仿真技术，尤其涉及声纳信号处理中的仿真技术。

背景技术

大型数字信号处理系统设计一般经过纯软件仿真、半实物仿真、设备样机等设计阶段，其中半实物仿真是算法由软件仿真向硬件移植的关键步骤。半实物仿真系统软件设计均以相应系统的硬件结构为基础，同时仅能验证相应硬件体系结构下算法的有效性、实时性等性质。

典型的声纳系统的处理机硬件使用一种级联式拓扑结构，如图1所示，这种结构由多片处理器协同完成运算，各片处理器之间通过共享内存实现通信。这种级联设计基于以下原因：典型的水声信号处理算法包含降频、FFT、宽带波束形成、匹配滤波、背景归一化等步骤为线性结构，适宜进行分段处理；声纳信号处理对实时性要求严格。

相应的，声纳系统的半实物仿真平台软件设计也以此级联式的硬件体系结构为基础，声纳信号处理算法表现为单一、连续的一条算法链，这些算法通过适应于硬件的驱动程序和硬件紧密联系起来构成完整的仿真系统。换言之，典型的声纳半实物仿真系统的软件只能将各个声纳信号处理算法模块拼接为一条流水线，如图2所示。并只能验证级联系统结构下声纳系统的准确性、实时性、有效性等性质。

针对树形结构，以往仿真系统表现出如下缺点：

1)典型的声纳半实物仿真系统软件设计与实现方法仅适用于级联式系统结构，无法满足本实验室研制的树型拓扑结构信号处理系统的使用要求。

2)依据级联结构的半实物仿真平台软件，无法验证树形结构下算法的正确性、实时性、有效性。

3)依据级联结构的半实物平台软件实时性差，仿真效率低下。级联系统需要在各级间传递中间结果，尤其在声纳信号处理中，这些通信数据量极大。使用共享存储器的方法进行传递时，明显受到存储器的读写速度限制。

4)由于通信时两级处理单元共享外部存储器的同一数据区域，需要同步两级处理器防止同时进行读写操作中出现错误，依据级联结构的半实物平台软件控制复杂，设计困难。

发明内容

本发明基于声纳系统树型体系结构，结合数学计算软件Matlab，依据实际应用环境和声纳算法流程特点，提出了半实物仿真系统设计与实现方法。

具体而言，本发明提出了一种声纳半实物仿真系统，其中该系统包括仿真上位机、D/A转换箱、信号采集模块、总线背板、DSP信号处理板、信号处理上位机，其中DSP信号处理板和信号处理上位机构成信号处理的运算部分，其中

仿真上位机，为通用计算机，用于模拟回波信号产生、录制数据存储、仿真数据播放；

D/A转换箱，为D/A板卡。将所述仿真上位机发送来的数字信号实时转换为多路模拟信号；

信号采集模块，为A/D板卡，由带通滤波器对模拟信号进行放大和子带划分；由FPGA同步控制A/D进行实时采样，将采样数据存储在FIFO芯片中；由FPGA使用板间通信协议经由总线背板完成信号采集模块和DSP信号处理板之间的通信；

总线背板，用于连通所述信号采集模块和所述DSP信号处理板以及所述信号处理上位机，为各板卡之间的通信提供硬件通路；

仿真上位机，使用PC板卡，用于初始化数据表，针对各工作模式的FFT、IFFT点数，产生计算FFT、IFFT蝶形运算所需旋转因子，并设置阵元位置、有效谱线范围、扫描波束方向、子带中心频率，得到宽带波束形成权矢量，以及设置匹配滤波容限、有效谱线范围、发射信号模式和参数，通过FFT计算得到匹配滤波器的频谱；

DSP信号处理板，包含交换机、主DSP、从DSP、FPGA模块，其中各DSP之间的通信由交换机通过SRIO协议完成，DSP通过两步完成和其他模块之间的通信，DSP通过板内通信协议与FPGA模块进行通信，FPGA模块完成板内通信协议向板间通信协议的转换，经由总线背板与其他模块进行通信。

根据本发明一个方面，其中所述仿真上位机进一步包括模拟回波信号产生模块、录制数据存储模块、数据播放模块。

模拟回波信号产生模块，基于Matlab平台，用于产生阵元路数的模拟回波，信号回波时间起点、脉冲长度可调，波形包括水声信号处理常用的CW波、LFM波，含有噪声、混响、干扰信号。

录制数据存储模块，用于按照数据播放模块要求的格式存储实际水声试验中录制的数据。

数据播放模块，包括D/A转换箱的底层驱动，可按采样率设置将存储的数据发送给D/A转换箱。

根据本发明一个方面，其中所述信号采集模块进一步包括：

通滤波器子模块，用于对模拟信号进行放大和子带划分；