0 引　言

随着海战中鱼雷的出现，且装药量大，直接攻击舰船水线以下部位，导致其比导弹更容易将舰船击沉或造成毁灭性打击，因此科学家们开始着手研发反鱼雷装备^[1]。但是随水下信号处理算法的改进，鱼雷与反鱼雷装置二者的性能都有显著的提升。我国对声模拟器的研究起步于20世纪80年代，经过几十年的发展，已经研制出了多种舰船声特征模拟器。随着反鱼雷技术的日益成熟，智能鱼雷已无法对目标进行准确定位跟踪^{[2 – 3]}。为增强我国智能鱼雷的检测与识别能力，通过模拟主动侦察过程中目标回波在不同探测角度下强度与尺度的差异，为智能声探测系统以及分布式水下协同探测系统提供多个视角下的目标特征智能融合的声模拟输入；通过模拟被动侦察过程中目标辐射的宽带谱和低频线谱，为智能声探测系统以及分布式水下协同探测系统提供与目标吨位、航速、尺度相匹配的频域特性的声模拟输入，为增强以信息化作战为主体的未来海战场的攻防能力提供智能、实时的声模拟装置，从而提高安静型潜艇和水下武器的探测能力和识别能力。

1 系统设计 1.1 系统总体设计

舰船模拟器通过三路水听器对三路信号进行采集，通过信号处理进行参数估计，并根据功能要求进行回波重构，模拟3个亮点的反射信号。系统总体设计如图1所示，骨架由轻质均匀材质节杆拼接而成，发射换能器与接收传感器之间设有隔声装置，防止模拟器的输出回波对自身的输入信号造成干扰。发射换能器发射模拟的舰船辐射噪声，对敌方的被动声呐目标系统进行诱骗。接收换能器可将接收到的信号，发送给信号处理板。

1.2 处理器选择

本系统采用的信号处理器，为德州仪器（TI）研制的TMS320C6678，其集成了8个高性能的定/浮点运算的CPU内核，每个内核的最高频率高达1.25 GHz，定点性能高达40 GMAC，浮点性能高达20 GFLOP^{[4 – 5]}，每个内核的内部架构如图2所示。

为实现完整、准确模拟信号回波的要求，声特征模拟器采取ALE滤波器提高信号信噪比配合多次Notch滤波器迭代的算法测量信号参数，且所模拟的舰船信息为空间体目标信号，三通道信号同时处理。算法复杂，处理时间长，对于普通处理器无法满足虚靶量要求。因此，选取多核DSP-TMS320C6678，不仅具有8个处理核芯，且每个内核均具有超强的处理运算能力。在实验室水池试验中，可在100 ms内实现三通道LFM信号的回波模拟。

1.3 信号处理板设计

采集后的三路信号经过信号处理板的滤波放大电路，将信号加强后输入给信号处理板的AD转换模块，AD模块生成的数字信号进入FPGA中。FPGA通过SRIO协议100次/s向DSP发送三通道数据，DSP的处理节拍由FPGA控制。DSP每个节拍内产生的回波数据经由FPGA发往DA转换模块，生成的模拟信号经由功率放大器放大后，由换能器发出，声特征模拟器的信号处理板结构如图3所示。

2 声特征模拟器算法在多核DSP上的应用 2.1 声特征模拟器的被动工作模式

在被动工作模式下，声模拟器通过模拟舰船噪声来模拟假的舰船目标。舰船辐射噪声模拟是通过连续谱和线谱的输出来模拟目标辐射源噪声，本系统中，利用多节点的组合，不仅可以模拟点目标，还可以模拟具有空间尺度的体目标源。

舰船辐射噪声的频谱由连续谱和线谱组成。其中，连续谱噪声由机械噪声、螺旋桨噪声以及水动力噪声产生。连续谱的频段很宽，在低频段，由于螺旋桨的空化效应，噪声的谱级随频率上升，但并不是十分明显；在高频段，在高于峰值频率的频段中，频谱呈下降趋势。峰值对应的频率一般存在于200 ～400 Hz频段内，由船型决定。线谱主要由机械噪声与螺旋桨噪声引起。其中，机械噪声引起的线谱及其谐波分量在强度与频率上很稳定，不会因为船的运动状态改变而改变。而螺旋桨噪声引起的线谱，其强度与频率会因船的运动状态改变而产生变化。当螺旋桨未发生空化时，其产生的线谱强度很强，但随着航速的增加，空化效应增强，宽带噪声增强，会淹没某些线谱^{[6 – 7]}。将仿真得到的连续谱与线谱相加，得到真实的舰船辐射噪声，其功率谱如图4所示。

被动工作模式下的声模拟器采用2个内核协同工作的方式进行，其中0核负责控制系统运行，另一个内核7核负责产生实时的辐射噪声信号。噪声模拟之前，PC机通过网口对DSP进行控制即将指令写入到DSP的共享内存中，DSP通过上位机传来的指令、参数要求进行相应的噪声模拟，多核协作模式如图5所示。

0核：声模拟器的总控制核。负责与PC机进行网口的收发控制，包括接收PC机的控制命令以及向PC机发送信号数据；负责与FPGA之间进行SRIO口的数据收发，如果是播放录取的辐射噪声，要将得到AD数据进行整理，将生成的DA数据发送给FPGA；负责通知7核产生噪声信号数据。

7核：当收到0核的辐射噪声生成指令后，在指定的内存位置读取噪声参数信息，生成辐射噪声信号，将其写入固定的内存位置。此处，7核不需要向0核发送噪声数据写完成指令，0核会在固定时间对信号进行读取。

2.2 声特征模拟器的主动工作模式

声模拟器的主动工作模式通过多路水听器、滤波放大电路、AD转换模块接收对目标的寻的信号进行检测，根据PC机传来的设置参数，生成不同的回波信号，通过DA转换模块、功放、换能器发射出去，以反映舰船的运动态势。

1）在上位机上对DSP进行设置，包括所实现功能以及模拟所需参数。DSP收到中断后，对数据包进行判断，包括功能位是否存在，所设参数是否在规定范围内等。如果判断出参数信息合理，则开始对信号数据进行分析。

2）DSP等待FPGA的门铃中断的到来，有中断触发时，说明FPGA已经将信号数据写进DSP内存中。AD转换模块精度为32 Bit，因此需要将数据换算处理为某一范围内的合理数据才可使用。

3）由于寻的信号中心频率未知，将得到的信号经过线谱增强器（ALE）以增强其信噪比，对处理好的数据进行能量检测，并与所设门限对比，若大于门限值，则认为检测到目标的寻的信号，若小于门限值，则认为所处理数据为环境噪声，未检测到寻的信号^[8]。若检测到寻的信号，对信号进行准确的参数估计，包括幅度、频率、调频斜率等。其中，频率经由过零频率估计器粗测，Notch滤波器细测得到。幅度、调频斜率斜率都可由Notch滤波器选择不同的中心频带，多次滤波迭代得到。

主动工作模式需要实时地计算出信号的幅度、频率、调频斜率。而其中的调频斜率在本系统中用多次Notch滤波器迭代求出，计算量大且耗时长，因此，此任务分配给3个核并行执行，以保证系统的实时性与准确性。主动模式需要不间断检测信号能量，且当检测到信号时，须准确对信号进行参数估计，并模拟回波。在多核DSP TMS320C6678上单核实现一路信号的参数估计（信号幅度、频率、调频斜率）时，用时间函数测量1 000点样本信号的算法时间为7 ms。因此，如果将信号检测与信号参数估计放在同一核内执行，即检测到信号后立刻估计信号参数，且当信号脉宽小于7 ms时会发生检测错误。为解决这一冲突，将信号的能量检测与信号的参数估计分开，在不同的内核上运行。1核、2核、3核对信号进行持续检测，发现信号后交由其他核进行处理，具体的多核协作模式如图6所示。

0核：声模拟器的总控制核。负责与PC机进行网口的收发控制，包括接收PC机的控制命令以及向PC机发送信号数据；负责与FPGA之间进行SRIO口的数据收发，包括将得到AD数据进行整理，将生成的DA数据发送给FPGA；负责通知1核、2核以及3核数据到达，处理数据。

1核、2核、3核：当收到0核的数据到达指令时，在指定内存位置取出数据，分别对三路信号进行实时的能量检测，即1核负责处理1通道的数字信号，2核负责处理2通道信号，3核负责处理3通道信号。当检测到信号的能量大于设定门限值时，分别通知4核、5核或6核进行参数估计。当发现信号下降沿时，计算信号脉宽，告知7核。

4核、5核、6核：当收到1核、2核或3核的估计信号参数的命令时，在指定内存位置取出数据，分别对三路信号进行参数估计，包括估计信号的幅度、频率、调频斜率等，并将所得参数写入DSP的共享内存中，同时通知7核。

7核：当收到4核、5核或6核的回波生成指令后，在指定的内存位置读取信号参数信息，生成回波信号，将回波信号数据写入固定的内存位置。此处，7核不需要向0核发送写完成指令，0核会在固定时间对信号进行读取。

3 结　语

在实验室信道水池，对存储转发式回波模拟功能进行验证。选取2个工作频带为15～25 kHz的换能器，2个JYH1000型号的功放，水听器为8104标准水听器。试验场地选取信道水池，标准水听器与模拟寻的信号的换能器间的距离为1 m，与声模拟器的发射换能器间距离为5 m，且模拟器的发射换能器与水听器之间有相应的消声装置。

换能器所模拟的寻的信号为25 kHz的正弦信号，占空比为0.1，信号脉宽为0.1 s。示波器监测到的水听器接收信号如图7所示，可见模拟器所发射的回波信号脉宽也为0.1 s。由于隔声装置的存在，模拟器的回波信号在模拟器的接收水听器处强度很小。模拟器回波信号参数与寻的信号参数一致。当入射的寻的信号到达100 ms后，模拟器的发射换能器将回波信号发出，虚靶量满足要求。