張洪

（91388部隊(duì)92分隊(duì) 湛江 524022）

1 引言

聲納員具備良好的目標(biāo)判別技能是艦艇聲納發(fā)揮其作用的重要保證［1］。一名高水平的聲納員能對很多感覺明顯的艦船保持很高的聽音識別準(zhǔn)確率，在作戰(zhàn)中可以及早地發(fā)現(xiàn)敵目標(biāo)，確保本方艦艇在自我防御的同時能夠主動攻擊，掌握作戰(zhàn)的主動權(quán)，可見聲納員在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的重要性［1］。因此，聲納員判別目標(biāo)技能的培訓(xùn)至關(guān)重要。而聲納員判別目標(biāo)技能水平的高低主要取決于對各種目標(biāo)聲特性的熟悉和了解程度。如何更好地利用目標(biāo)聲特性數(shù)據(jù)和海洋環(huán)境數(shù)據(jù)等信息資源，促進(jìn)聲納員目標(biāo)判別技能水平的提升，是一項(xiàng)值得研究的課題。本文將嘗試性地提出聲納員目標(biāo)判別技能訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)想。

2 系統(tǒng)擬實(shí)現(xiàn)功能

構(gòu)建聲納員目標(biāo)判別技能訓(xùn)練系統(tǒng)在立足充分利用現(xiàn)有資源的同時，要在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能上有所突破［2］。系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)以下三項(xiàng)主要功能：復(fù)雜信號合成功能、信號音頻回放和視頻顯示功能以及訓(xùn)練考評功能。

2.1 復(fù)雜信號合成功能

在訓(xùn)練樣本方面，目前聲納員日常訓(xùn)練所用的大多是相對純凈且信噪比較高的原始樣本，雖然能達(dá)到一定的訓(xùn)練目的，但卻很難使訓(xùn)練質(zhì)量有大幅度的提高［3］。主要原因?yàn)椋阂皇怯?xùn)練用的原始樣本數(shù)目有限；二是多數(shù)樣本與訓(xùn)練對信號復(fù)雜程度的要求還有一定差距，導(dǎo)致缺少復(fù)雜水聲環(huán)境下的信號樣本。為了解決這個問題，本系統(tǒng)應(yīng)具有復(fù)雜信號合成功能，可以在原始樣本的基礎(chǔ)上人工加入各種干擾，以達(dá)到提高聲納員訓(xùn)練質(zhì)量的目的。

2.2 信號音頻回放和視頻顯示功能

在訓(xùn)練方式方面，目前聲納員訓(xùn)練主要是收聽回放的聲音。但聲納在實(shí)際使用中，聲納員往往是通過聽音與顯控臺視頻顯示進(jìn)行信息綜合來對目標(biāo)進(jìn)行判別的［4］。因此，訓(xùn)練系統(tǒng)要同時具備信號音頻回放和視頻顯示功能，即聲納員在聽音的同時又可以看到信號的各種特性，這樣就可以輔助聲納員做出判別。

2.3 考核評估功能

系統(tǒng)構(gòu)建的根本目的是充分高效地利用目標(biāo)聲特性數(shù)據(jù)和海洋環(huán)境數(shù)據(jù)等信息資源，為進(jìn)一步提高艦艇聲納員訓(xùn)練質(zhì)量服務(wù)。訓(xùn)練能否達(dá)到預(yù)期效果，系統(tǒng)必須具備相應(yīng)比較完善的考評系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對聲納員技能水平的考核評估。

3 系統(tǒng)模塊組成

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)構(gòu)建采用模塊化技術(shù)，將各節(jié)點(diǎn)看作頂級模塊，頂級模塊完成各子系統(tǒng)的功能。在頂級模塊的基礎(chǔ)上進(jìn)一步進(jìn)行模塊分級劃分，直到劃分出各功能獨(dú)立、容易實(shí)現(xiàn)的子模塊［5］。本 文 擬 構(gòu)建聲納員目標(biāo)判別技能訓(xùn)練系統(tǒng)包含五個頂級模塊，如圖1所示。

3.1 系統(tǒng)管理模塊

該節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)對各節(jié)點(diǎn)程序進(jìn)行監(jiān)控和管理。從形式上各節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一個子系統(tǒng)，從功能上來講是相互獨(dú)立的，通過系統(tǒng)管理模塊將各子系統(tǒng)組成一個統(tǒng)一的大系統(tǒng)，系統(tǒng)管理節(jié)點(diǎn)主要實(shí)現(xiàn)用戶管理、密碼更改和數(shù)據(jù)備份等功能。此模塊完成對用戶級別的設(shè)置，不同級別的用戶對各個功能模塊的使用擁有不同的權(quán)限［2］。系統(tǒng)管理員可以訪問所有模塊，而普通使用者只能進(jìn)入模擬訓(xùn)練和考核評估模塊。

3.2 數(shù)據(jù)庫模塊

數(shù)據(jù)庫采用層級結(jié)構(gòu)，主要存放下列形式的數(shù)據(jù)：目標(biāo)信息、聲納參數(shù)、海洋環(huán)境噪聲、輻射噪聲和回波信號等［6］。由于數(shù)據(jù)庫獨(dú)立于各節(jié)點(diǎn)之外，因此便于數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，網(wǎng)絡(luò)接口程序及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備保證了各節(jié)點(diǎn)在模擬訓(xùn)練或考評過程中實(shí)時對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行讀寫操作，實(shí)現(xiàn)了資源共享和集中存儲功能。該模塊只有管理員有權(quán)限進(jìn)入，可完成對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)修改、更新等。

3.3 信號管控模塊

該節(jié)點(diǎn)主要是完成各個輻射噪聲或回波信號的融合，以及這些信號與各種干擾及海洋環(huán)境噪聲的融合，從而得到特定海洋環(huán)境噪聲背景和固定干擾情況下的目標(biāo)輻射噪聲或回波信號，并可對訓(xùn)練或考評中信號的出現(xiàn)幾率等進(jìn)行設(shè)置。該模塊只有管理員有權(quán)限進(jìn)入。

3.4 模擬訓(xùn)練模塊

主要用于聲納員模擬訓(xùn)練。通過該模塊聲納員可以通過選擇目標(biāo)、具體聲納、當(dāng)時的海況、加入的干擾獲得某一目標(biāo)的輻射噪聲或回波信號進(jìn)行訓(xùn)練，也可以截取任意一段信號進(jìn)行處理后訓(xùn)練，可以在聽音的同時看到聲信號的各種特征。

3.5 考核評估模塊

用于對聲納員的水平考評?？蓪?shí)現(xiàn)對聲納員水平的測試，聲納員對隨機(jī)出現(xiàn)的輻射噪聲或回波信號進(jìn)行判斷，可以對信號截取、放大、回放聽音，也可以借助于信號的特性輔助判斷，做出判斷后，系統(tǒng)會與正確答案比對，提示聲納員對錯。該模塊可以對不同的樣本設(shè)置不同的出現(xiàn)機(jī)率，還可以設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)，通過測試考核結(jié)果對聲納員水平進(jìn)行評估分級。

4 軟硬件環(huán)境

4.1 硬件環(huán)境

由于所構(gòu)建的系統(tǒng)都位于同一個實(shí)驗(yàn)室中，因此可以通過網(wǎng)線方便的進(jìn)行連接，只需一臺交換機(jī)，每臺計(jì)算機(jī)都配置一個百兆網(wǎng)卡，用單獨(dú)的一臺計(jì)算機(jī)作為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，由此就構(gòu)成了系統(tǒng)所需的局域網(wǎng)（LAN）［3］。本文構(gòu)建的聲納員目標(biāo)判別技能訓(xùn)練系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，其中三個節(jié)點(diǎn)分別負(fù)責(zé)信號管理、模擬訓(xùn)練、考核評估，一個節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)庫管理，另外有一臺計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)系統(tǒng)管理。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，計(jì)算機(jī)及相關(guān)設(shè)計(jì)的性價(jià)比日益提高，根據(jù)系統(tǒng)的要求選定合適的硬件設(shè)備，完全可以滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要。

4.2 軟件環(huán)境

系統(tǒng)的各子系統(tǒng)的軟件組成見圖2，除網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)外，其余子系統(tǒng)都包括管理軟件、接口軟件及功能軟件，各子系統(tǒng)之間具有結(jié)構(gòu)一致性。同時，各子系統(tǒng)軟件有統(tǒng)一的界面風(fēng)格。

圖2 系統(tǒng)軟件組成圖

4.2.1 管理軟件

包括信號管控、模擬訓(xùn)練、考核評估和系統(tǒng)管理子系統(tǒng)的軟件管理及網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)［4］。其功能是對系統(tǒng)資源進(jìn)行有效的組織和分配，負(fù)責(zé)各子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互，同時對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行管理。

4.2.2 人機(jī)交互軟件

人機(jī)交互軟件是外部同系統(tǒng)進(jìn)行交互作用的界面軟件，接收并解釋操作者給出的各種指令及數(shù)據(jù)，使操作者實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的控制，同時將訓(xùn)練的中間過程參數(shù)及結(jié)果通過數(shù)據(jù)文件、圖表等進(jìn)行輸出［5～7］。各子系統(tǒng)的接口軟件都受系統(tǒng)管理節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)管理軟件的控制，并且都具有一致的界面風(fēng)格，可以通過監(jiān)視系統(tǒng)進(jìn)行顯示交流。

4.2.3 功能軟件

包括信號管理、模擬訓(xùn)練、考核評估等子系統(tǒng)，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)各參與單元的實(shí)際功能，通過網(wǎng)絡(luò)對結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，通過兵機(jī)交互界面對訓(xùn)練過程及結(jié)果進(jìn)行實(shí)時顯示，并通過系統(tǒng)管理節(jié)點(diǎn)對訓(xùn)練過程參數(shù)及數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時存儲。

5 系統(tǒng)構(gòu)建的關(guān)鍵點(diǎn)

5.1 數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)庫是本系統(tǒng)構(gòu)建的基礎(chǔ)。從目標(biāo)聲特性、海洋環(huán)境、聲納參數(shù)、目標(biāo)參數(shù)和用戶信息等方面考慮，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫可由六個子庫組成［6］，具體見表1。

5.2 信號仿真與處理

5.2.1 信號仿真

被動聲納接收到的信號是目標(biāo)輻射噪聲、海洋背景噪聲和本艦噪聲等干擾噪聲融合，而主動聲納接收到的信號則是目標(biāo)回波、目標(biāo)輻射噪聲、海洋環(huán)境噪聲和混響等的融合［7］。為了充實(shí)樣本，更有利于聲納員的訓(xùn)練，本系統(tǒng)將對海洋環(huán)境噪聲、海洋混響和目標(biāo)回波等作仿真。在這里僅以海洋混響仿真與目標(biāo)回波仿真為例進(jìn)行簡介。

表1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫構(gòu)成

1）海洋混響仿真

海洋混響具有如下特點(diǎn)：混響的強(qiáng)度與發(fā)射信號的能量成正比關(guān)系；混響與發(fā)射信號的波形相關(guān)，并且混響本身有很強(qiáng)的自相關(guān)性；混響的瞬時值呈高斯分布；混響的頻譜和發(fā)射信號的頻譜具有一致性，但是相對于發(fā)射信號的頻譜混響信號的頻譜有一定的頻譜擴(kuò)展［8］。

通常的混響仿真就是利用混響的理論模型，逐點(diǎn)進(jìn)行仿真，這種方法實(shí)現(xiàn)起來難度較大。本系統(tǒng)嘗試將接收機(jī)的放大增益設(shè)計(jì)為可控，使放大器的放大系數(shù)隨時間的變化規(guī)律與混響過程隨時間衰減的規(guī)律相同，這樣在系統(tǒng)仿真處理時可以把混響看作是經(jīng)過歸一化處理的平穩(wěn)隨機(jī)過程，這樣就可以用高斯白噪聲通過窄帶濾波器的方法來實(shí)現(xiàn)混響的模擬，使混響產(chǎn)生的復(fù)雜過程得到簡化。

2）目標(biāo)回波仿真

目標(biāo)回波仿真的目的是模擬誘餌的信號，訓(xùn)練聲納員區(qū)分真假目標(biāo)的技能［8］。主動回波模擬需要解決回波信號參數(shù)的估計(jì)，主要包括脈沖寬度估計(jì)、多普勒頻移、時延與展寬、目標(biāo)強(qiáng)度、最大回波強(qiáng)度等［9］。仿真時，首先進(jìn)行信號展寬和多普勒頻移，然后對頻移后的信號進(jìn)行目標(biāo)強(qiáng)度的調(diào)幅和最大回波強(qiáng)度的限幅后，將信號輸出。

5.2.2 信號處理

1）判別信號合成

信號合成的根本目的就是構(gòu)建復(fù)雜的聲信號，從而提高增加聲納員判別難度，提高訓(xùn)練質(zhì)量［9］。原則上，信號合成應(yīng)該主要包括以下步驟：一是多個目標(biāo)輻射噪聲或回聲信號之間的合成；二是輻射噪聲或回波信號與海洋環(huán)境噪聲的合成；三是對融合后的信號進(jìn)行濾波；四是對濾波后的信號進(jìn)行移頻。通過這四個步驟合成滿足聲納員訓(xùn)練需求的信號。

2）目標(biāo)聲特征提取

本系統(tǒng)的特色之一就是在實(shí)現(xiàn)聲納員聽到輻射噪聲或目標(biāo)回波的同時，還可以通過視頻顯示看到輻射噪聲或回波的特征。因此，目標(biāo)聲特征提取環(huán)節(jié)也至關(guān)重要［12］。構(gòu)建本系統(tǒng)必須深入研究聲信號的時域、頻域、時頻域及非高斯等特性，提取其有效特征；并對各種特征進(jìn)行綜合優(yōu)化，壓縮特征維數(shù)，消除無效和冗余的特征，提高特征的整體性能［12］。

6 結(jié)語

本文針對如何更加高效地利用水下目標(biāo)聲特性和海洋環(huán)境數(shù)據(jù)庫等信息資源，使之服務(wù)于聲納員訓(xùn)練的問題，嘗試性地提出了聲納員目標(biāo)判別技能訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)想，希望能提供一些參考。

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