CN116030675A - 一种基于多目标特征的信号级声纳辅助教学装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于多目标特征的信号级声纳辅助教学装置，结构组成上包括训练模拟机柜、导调台、交换机、声纳设备。本发明与现有技术相比的优点在于：本发明中的声纳辅助教学装置可通过设定环境参数、目标特征参数及本舰平台参数，构建声纳使用场景，采用通用的水声传播模型仿真生成声纳接收数据，并按声纳处理方法对数据进行实时处理，模拟声纳对接收信号的处理过程，完成目标听音、检测、跟踪等训练内容，以对学员在培训中进行声纳技能培训，另外，声纳辅助教学装置还可导入声纳记录的真实海洋环境数据，将真实声纳数据作为海洋环境背景数据应用于信号级实景模拟教学功能中，以达到更好的模拟训练效果。

Description

一种基于多目标特征的信号级声纳辅助教学装置

技术领域

本发明涉及声纳辅助教学技术，尤其是指一种基于多目标特征的信号级声纳辅助教学装置。

背景技术

目前使用的声纳教学训练模拟设备是基于目标级训练模拟装置，设置声纳工作方式、目标初始位置、目标运动态势，干扰目标的位置、运动态势、本舰平台态势等信息，周期性产生目标级的模拟目标和干扰目标数据信息进行教学训练。

传统的声纳辅助教学设备模拟的目标、环境等信息是基于目标级的数据，不按照声纳处理方法对数据进行实时处理并进行检测、跟踪，对设备使用的战场的模拟等方面不够真实。

发明内容

本发明要解决的技术问题是相较于传统的目标级模拟声纳教学训练模拟设备，本发明中的声纳辅助教学装置是多目标特征的信号级模拟设备，模拟声纳使用环境、目标信息等内容，采用水声传播模型生成信号级原始数据，按照声纳真实的实时处理流程和算法，最终实现对目标检测、跟踪和显示。训练数据和训练流程的真实性更贴近海洋真实环境下对声纳的使用和训练。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种基于多目标特征的信号级声纳辅助教学装置，结构组成上包括训练模拟机柜、导调台、交换机、声纳设备，具体的：

训练模拟机柜包含数据记录仪、训练模拟器、网络数据记录仪，数据记录仪通过信道接收海上实兵数据，对数据处理后将处理结果分别发送至训练模拟器和交换机，训练模拟器接收数据后通过再处理并将处理结果发送至交换机，训练模拟器包含接口转换、信号处理和信号控制功能；网络数据记录仪通过信道连接交换机，实现指令数据的传输和反馈指令的接收；

导调台包含显示单元、训练控制、数据处理功能，导调台通过信道连接交换机，实现指令数据的传输和反馈指令的接收；

交换机通过信道连接院校作战仿真系统，实现指令数据的传输和反馈指令的接收；

声纳设备包括接收处理分机、发射分机和显控分机。接收处理分机通过信道接收训练模拟器发送的数据，对数据进行处理后发送至显控分机进行综合显示；显控分机下达声纳发射指令控制发射分机进行发射工作，模拟负载为发射分机发射工作提供负载，所述显控分机通过信道连接交换机，实现指令数据的传输和反馈指令的接收。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明中的声纳辅助教学装置可通过设定环境参数、目标特征参数及本舰平台参数，构建声纳使用场景，采用通用的水声传播模型仿真生成声纳接收数据，并按声纳处理方法对数据进行实时处理，模拟声纳对接收信号的处理过程，完成目标听音、检测、跟踪等训练内容，以对学员在培训中进行声纳技能培训，另外，声纳辅助教学装置还可导入声纳记录的真实海洋环境数据，将真实声纳数据作为海洋环境背景数据应用于信号级实景模拟教学功能中，以达到更好的模拟训练效果。

进一步的，训练模拟器包含接口转化模块、目标数据处理模块、D/A转换模块、信号控制模块，数据记录仪通过信号线连接接口转化模块的LVDS接口，接口转化模块通过信号线连接交换机，交换机通过信道连接目标数据处理模块，目标数据处理模块通过总线连接D/A转换模块，D/A转换模块通过信号线连接信号控制模块，信号控制模块将模拟信号发送至接收处理分机。

进一步的，一种基于多目标特征的信号级声纳辅助教学装置包含如下功能：

1)管理控制功能，通过导调台实现，主要包括用户信息管理功能、训练科目管理功能和训练过程控制功能；

2)阵元域仿真模拟训练，通过训练模拟机柜内的训练模拟器实现，根据导调台设置的交战兵力、海洋环境、态势信息，生成阵元域信号，阵元域信号经过A/D转换成多路模拟信号，再经过信号控制模块，最终输出与声纳接收处理机匹配的信号，达到数据仿真模拟的功能；

3)阵元域实景模拟训练，通过训练模拟机柜内的训练模拟器和数据记录仪实现，回放数据记录仪存储的海上实兵阵元域信号数据作为海洋背景数据，按照声纳信号特征叠加由系统仿真生成的目标信号，生成阵元域信号，阵元域信号经过A/D转换成多路模拟信号，同样经过信号控制模块，输出与声纳接收处理机匹配的信号，达到实景数据仿真模拟的功能。

进一步的，管理控制功能主要在导调台实现，导调台控制管理软件主要包括训练管理软件、数据管理软件、考核评估软件、显示控制软件、网络通信模块，其中：

1)训练管理软件模块是管理用户信息添加、修改、删除；用户权限管理，教员登陆权限，学员登陆权限；训练科目选择，海洋环境管理，模拟目标管理，干扰目标管理；训练进度控制功能；

2)数据管理软件模块是学员训练和考核操作信息的记录管理、训练信息的统计、查询功能；

3)考核评估软件模块是对训练、考核操作信息进行评定，按照预先设定好的评分标准进行考核评估并打分的功能。训练信息、训练操作、上报的目标信息与训练模拟目标的匹配度、捕获目标的时机作为考核评估因素；

4)显示控制软件模块是控制各个软件模块参数的设置、显示选择结果，态势显示；

5)网络通信模块是接收显控台的用户训练操作动作信息，与训练模拟器进行通信，发送模拟目标参数、海洋环境信息。

进一步的，阵元域仿真模拟训练是在训练模拟器软件实现。训练模拟器软件主要包括目标信号生成、海洋环境生成、混响信号生成、平台自噪声生成、阵元信号生成模块，其中：

1)目标信号生成模块是根据导调台设置的交战兵力信息、态势信息等对目标进行模拟，产生目标信号；

2)海洋环境生成软件模块是根据导调台设置的海洋环境，海况信息对海洋环境进行模拟，生成海洋环境信号；

3)混响信号生成模块是根据声纳发射参数等信息，生成混响信号；

4)平台自噪声生成是根据本舰平台信息和工况生成平台噪声信号；

5)阵元信号生成是综合上述的信号实时生成多路阵元信号，每路阵元信号包括不同的信号幅度、频带和噪声量级。

进一步的，阵元域实景训练功能也是在训练模拟器软件实现，主要包括目标信号生成、混响信号生成、平台自噪声生成、阵元信号生成模块，海洋环境数据信息是直接回放记录的阵元域原始数据，其中：

1)海洋环境数据由数据记录仪存储的真实海洋数据获得。按照原始数据记录的格式和节拍进行回放；

2)阵元信号生成模块综合上述的信号实时生成多路阵元信号，根据信号不同特征，在回放的海洋环境背景数据上叠加仿真的混响信号、平台自噪声、目标信号数据。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明一种基于多目标特征的信号级声纳辅助教学装置的设备组成示意图。

图2是本发明一种基于多目标特征的信号级声纳辅助教学装置的训练模拟器的示意图。

图3是本发明一种基于多目标特征的信号级声纳辅助教学装置的功能流程示意图。

图4是本发明一种基于多目标特征的信号级声纳辅助教学装置的导调台控制管理软件示意图。

图5是本发明一种基于多目标特征的信号级声纳辅助教学装置的训练模拟器软件示意图。

具体实施方式

本发明在具体实施时，提出一种基于多目标特征的信号级声纳辅助教学装置，具备声纳知识学习和考核，基于多目标特征的信号级模拟，声纳训练考核评估等功能。

在本发明的一个实施例中，如图1所示，在设备组成上，本装置主要由训练模拟机柜(包括训练模拟器、数据记录仪等)、导调台等部分组成。训练模拟器机柜嵌装训练模拟器插箱，该插箱由接口转换模块、目标数据处理模块、D/A模块、信号控制模块等组成。按照训练模式的不同，接口转换模块将数据记录仪的数据直接转换给声纳接收处理机进行声纳检测跟踪；或者转换成网络数据格式，进一步处理后再发送到声纳接收机进行声纳检测等工作。目标数据处理模块由信号处理板实现，负责产生目标信号、海洋环境信号、平台数据信号等，并根据控制命令选择叠加阵元域海洋背景数据或叠加模拟产生的海洋环境数据，将综合后的数据进行数模转换后实现目标模拟；D/A转换模块负责将数字信号转换成模拟信号。信号控制模块将D/A转换后信号进行衰减控制并输出到声纳接收机。

在本发明的一个实施例中，如图2所示的是训练模拟器的功能示意图，训练模拟器包含接口转化模块、目标数据处理模块、D/A转换模块、信号控制模块，数据记录仪通过信号线连接接口转化模块的LVDS接口，接口转化模块通过信号线连接交换机，交换机通过信道连接目标数据处理模块，目标数据处理模块通过总线连接D/A转换模块，D/A转换模块通过信号线连接信号控制模块，信号控制模块将模拟信号发送至接收处理分机。

在本发明的一个实施例中，如图3所示，本装置的主要功能如下；

功能一：管理控制功能

管理控制功能是导调台实现，主要包括用户信息管理功能、训练科目管理功能和训练过程控制功能。

功能二：阵元域仿真模拟训练

该功能是训练模拟机柜内的训练模拟器实现，根据导调台设置的交战兵力、海洋环境、态势信息，生成阵元域信号，阵元域信号经过A/D转换成多路模拟信号，再经过信号控制模块，最终输出与声纳接收处理机匹配的信号，从而达到数据仿真模拟的功能。

功能三：阵元域实景模拟训练

该功能是训练模拟机柜内的训练模拟器和数据记录仪实现，回放数据记录仪存储的海上实兵阵元域信号数据作为海洋背景数据，按照声纳信号特征叠加由系统仿真生成的目标信号，生成阵元域信号，阵元域信号经过A/D转换成多路模拟信号，同样经过信号控制模块，输出与声纳接收处理机匹配的信号，从而达到实景数据仿真模拟的功能。

在本发明的一个实施例中，如图4所示，管理控制功能主要在导调台实现。导调台控制管理软件主要包括训练管理软件、数据管理软件、考核评估软件、显示控制软件、网络通信软件等模块。

1)训练管理软件模块是管理用户信息添加、修改、删除；用户权限管理，教员登陆权限，学员登陆权限；训练科目选择，海洋环境管理，模拟目标管理，干扰目标管理；训练进度控制等功能，其中：

1.1)用户登陆权限管理：输入用户名和密码；用户类型分为管理员、教员、学员三种。

1.2)管理员权限：教员信息的增加、删除、修改、查看、权限设置。

1.3)教员权限：学员信息的增加、删除、修改、查看、权限设置；实践训练功能的设置；维修训练功能的设置；查看理论知识考试成绩，手动评估(输入、删除、修改成绩)实践训练成绩、维修训练成绩、其他成绩。

1.4)学员权限：习题巩固；理论知识考试；查看成绩表(理论知识成绩、实践训练成绩、综合成绩、班级排名、年级排名等。

1.5)训练信息的控制。

2)数据管理软件模块是学员训练和考核操作信息的记录管理、训练信息的统计、查询等功能。

3)考核评估软件模块是对训练、考核操作信息进行评定，按照预先设定好的评分标准进行考核评估并打分的功能。训练信息、训练操作、上报的目标信息与训练模拟目标的匹配度、捕获目标的时机等作为考核评估因素。

3.1)通过网络传输，导调台与声纳设备进行数据通讯，导调台接收声纳输出的目标跟踪信息，记录并显示跟踪目标的方位、距离、速度等参数，并按照导调台接收到目标信息的时间为参照标记时戳，时戳信息包括：年月日时分秒。

4)显示控制软件模块是控制各个软件模块参数的设置、显示选择结果，态势显示等。

4.1)态势图显示是以图形的形式显示目标与本舰的相对位置信息和运动态势；根据阵元域仿真训练或实景训练设置的本舰运动态势和目标运动态势，按照固定时间间隔计算并更新目标相对本舰的位置信息同时显示目标和本舰的历史运动轨迹。

4.2)训练控制参数显示。

5)网络通信模块是接收显控台的用户训练操作动作信息；与训练模拟器进行通信，发送模拟目标参数、海洋环境信息等。

在本发明的一个实施例中，如图5所示，阵元域仿真训练功能是在训练模拟器软件实现。训练模拟器软件主要包括目标信号生成、海洋环境生成、混响信号生成、平台自噪声生成、阵元信号生成等模块，其中：

1)目标信号生成模块是根据导调台设置的交战兵力信息、态势信息等对目标进行模拟，产生目标信号。

1.1)根据声纳发射信号(信号形式、脉宽、频率)实时产生不同形式的回波信号；

1.2)根据声纳声源级(发射方式、发射功率)实时控制产生的不同的回波强度；

1.3)根据模拟目标的类型或反射强度实时产生不同强度回波。

1.4)根据模拟目标的类型或尺度实时产生多亮点的回波，目标尺度和距离影响回波的亮点数。

1.5)根据声纳发射启动控制产生目标回波信号的位置。

1.6)根据声纳工作方式，模拟目标的类型、目标航向、航速或噪声辐射强度、噪声谱、螺旋桨主频实时产生目标辐射噪声。

2)海洋环境生成软件模块是根据导调台设置的海洋环境，海况信息对海洋环境进行模拟，生成海洋环境信号。

2.1)根据不同海况级模拟仿真不同强度的海洋环境噪声。

3)混响信号生成模块是根据声纳发射参数等信息，生成混响信号。

3.1)根据声纳回声脉冲信号宽度控制混响持续时间；

3.2)根据发射信号频率控制混响频率；

3.3)根据海洋环境信息(典型海区或设置的海深)模拟混响特征；

3.4)根据发射信号强度控制混响强度；

3.5)根据海底底质反射情况模拟混响强度；

4)平台自噪声生成是根据本舰平台信息和工况生成平台噪声信号。

4.1)根据本舰航速模拟平台噪声。选取线性变化的简化模型进行仿真功能实现。

5)阵元信号生成是综合上述的信号实时生成多路阵元信号，每路阵元信号包括不同的信号幅度、频带和噪声量级。

5.1)按照声纳工作方式，根据预设的目标方位、距离及运动态势将模拟产生的目标回波与海洋环境信号(海洋环境噪声、混响、平台自噪声、声传播特性)等信息进行综合处理，产生阵元域接收信号。根据目标位置和海洋环境等因素实时计算接收信噪比。

在本发明的一个实施例中，如图5所示，阵元域实景训练功能也是在训练模拟器软件实现。主要包括目标信号生成、混响信号生成、平台自噪声生成、阵元信号生成等模块，海洋环境数据信息是直接回放记录的阵元域原始数据，其中：

1)海洋环境数据由数据记录仪存储的真实海洋数据获得。按照原始数据记录的格式和节拍进行回放。

1.1)按照声纳工作方式，训练模拟器软件通过网络接收到阵元域数据后，实时解析声纳发射参数(信号形式、发射频率、发射功率、发射方式)、发射起扫信号、本舰信息(本舰航向、本舰航速)、数据信息，并将阵元域数据拼包还原成数据帧。处理后的阵元域数据作为实景训练的海洋环境信号。

2)阵元信号生成模块综合上述的信号实时生成多路阵元信号，根据信号不同特征，在回放的海洋环境背景数据上叠加仿真的混响信号、平台自噪声、目标信号等数据。

2.1)按照声纳工作方式，根据预设的目标方位、距离及运动态势将模拟产生的目标回波与解析的海洋环境信号等信息进行综合处理，产生阵元域主动接收信号。根据目标位置和海洋环境、声传播特性等因素实时计算接收信噪比。

在本发明的一个实施例中，如图1至5所示，本装置是基于多目标特征的信号级声纳辅助教学装置主要针对声纳教学训练配套使用。该辅助教学装置具备声纳知识学习和考核，基于多目标特征的信号级模拟，声纳训练考核评估等功能，支持使用和教学单位开展声纳相关训练科目内容。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (6)

1.一种基于多目标特征的信号级声纳辅助教学装置，结构组成上包括训练模拟机柜、导调台、交换机、声纳设备，其特征在于：

所述训练模拟机柜包含数据记录仪、训练模拟器、网络数据记录仪，所述数据记录仪通过信道接收海上实兵数据，对数据进行处理后将处理结果发送至训练模拟器，训练模拟器接收数据后进行叠加目标再处理后将处理结果发送至接收处理机柜，训练模拟器包含接口转换、信号处理和信号控制功能；所述网络数据记录仪通过信道连接交换机，实现指令数据的传输和反馈指令的接收；

所述导调台包含显示单元、训练控制、数据处理功能，导调台通过信道连接交换机，实现指令数据的传输和反馈指令的接收；

所述交换机通过信道连接各分机和院校作战仿真系统，实现指令、数据的传输和反馈指令的接收；

所述声纳设备包括接收处理分机、发射分机和显控分机，接收处理分机通过信道接收训练模拟器发送的数据，对数据进行处理后发送至显控分机进行综合显示；显控分机下达声纳发射指令控制发射分机进行发射工作，模拟负载为发射分机发射工作提供负载，所述显控分机通过信道连接交换机，实现指令数据的传输和反馈指令的接收。

2.根据权利要求1所述的一种基于多目标特征的信号级声纳辅助教学装置，其特征在于：所述训练模拟器包含接口转换模块、目标数据处理模块、D/A转换模块、信号控制模块，数据记录仪通过信号线连接接口转化模块的LVDS接口，接口转化模块通过信号线连接交换机，交换机通过信道连接目标数据处理模块，目标数据处理模块通过总线连接D/A转换模块，D/A转换模块通过信号线连接信号控制模块，信号控制模块将模拟信号发送至接收处理分机。

3.根据权利要求1所述的一种基于多目标特征的信号级声纳辅助教学装置，其特征在于：所述一种基于多目标特征的信号级声纳辅助教学装置包含如下功能：

1)管理控制功能，通过导调台实现，主要包括用户信息管理功能、训练科目管理功能和训练过程控制功能；

2)阵元域仿真模拟训练，通过训练模拟机柜内的训练模拟器实现，根据导调台设置的交战兵力、海洋环境、态势信息，生成阵元域信号，阵元域信号经过A/D转换成多路模拟信号，再经过信号控制模块，最终输出与声纳接收处理机匹配的信号，达到数据仿真模拟的功能；

3)阵元域实景模拟训练，通过训练模拟机柜内的训练模拟器和数据记录仪实现，回放数据记录仪存储的海上实兵阵元域信号数据作为海洋背景数据，按照声纳信号特征叠加由系统仿真生成的目标信号，生成阵元域信号，阵元域信号经过A/D转换成多路模拟信号，同样经过信号控制模块，输出与声纳接收处理机匹配的信号，达到实景数据仿真模拟的功能。

4.根据权利要求1或3所述的一种基于多目标特征的信号级声纳辅助教学装置，其特征在于：所述管理控制功能主要在导调台实现，导调台控制管理软件主要包括训练管理软件、数据管理软件、考核评估软件、显示控制软件、网络通信模块，其中：

1)训练管理软件模块是管理用户信息添加、修改、删除；用户权限管理，教员登陆权限，学员登陆权限；训练科目选择，海洋环境管理，模拟目标管理，干扰目标管理；训练进度控制功能；

2)数据管理软件模块是学员训练和考核操作信息的记录管理、训练信息的统计、查询功能；

3)考核评估软件模块是对训练、考核操作信息进行评定，按照预先设定好的评分标准进行考核评估并打分的功能；训练信息、训练操作、上报的目标信息与训练模拟目标的匹配度、捕获目标的时机作为考核评估因素；

4)显示控制软件模块是控制各个软件模块参数的设置、显示选择结果，态势显示；

5)网络通信模块是接收显控台的用户训练操作动作信息，与训练模拟器进行通信，发送模拟目标参数、海洋环境信息。

5.根据权利要求1或3所述的一种基于多目标特征的信号级声纳辅助教学装置，其特征在于：所述阵元域仿真模拟训练是在训练模拟器软件实现；训练模拟器软件主要包括目标信号生成、海洋环境生成、混响信号生成、平台自噪声生成、阵元信号生成模块，其中：

1)目标信号生成模块是根据导调台设置的交战兵力信息、态势信息对目标进行模拟，产生目标信号；

2)海洋环境生成软件模块是根据导调台设置的海洋环境，海况信息对海洋环境进行模拟，生成海洋环境信号；

3)混响信号生成模块是根据声纳发射参数的信息，生成混响信号；

4)平台自噪声生成是根据本舰平台信息和工况生成平台噪声信号；

5)阵元信号生成是综合上述的信号实时生成多路阵元信号，每路阵元信号包括不同的信号幅度、频带和噪声量级。

6.根据权利要求1或3所述的一种基于多目标特征的信号级声纳辅助教学装置，其特征在于：所述阵元域实景训练功能也是在训练模拟器软件实现，主要包括目标信号生成、混响信号生成、平台自噪声生成、阵元信号生成模块，海洋环境数据信息是直接回放记录的阵元域原始数据，其中：

1)海洋环境数据由数据记录仪存储的真实海洋数据获得，按照原始数据记录的格式和节拍进行回放；

2)阵元信号生成模块综合上述的信号实时生成多路阵元信号，根据信号不同特征，在回放的海洋环境背景数据上叠加仿真的混响信号、平台自噪声、目标信号数据。

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