专利名称：水声场信号实时产生器的制作方法
技术领域：
本发明涉及水声工程技术领域，尤其涉及一种水声场信号实时产生器。
背景技术：
在声纳维修过程中，声纳接收传感器和发射换能器已经完全脱离了它赖以正常工 作的海洋环境。由于声纳接收传感器在空气中不能产生信号，一般无法在车间条件下按整 机性能指标检查声纳，也无法在下水前对声纳大中修级别的修理质量进行控制。在声纳研制过程与保障性综合测试中，也经常需要虚拟的传感器阵元级声场信 号。该信号是包括舰艇辐射噪声、水下目标回波、海洋环境噪声、海洋混响、外部声纳侦察脉 冲等多种声场时间序列的综合信号。在声纳模拟作战训练中，更需要仿真的传感器阵元级声场信号。该综合声场信号 要能匹配海洋环境条件(海区深度、海面波高、声速剖面、海底底质)、要能关联声纳工作参 数(频段、发射波形等)、要能体现敌我双方的几何态势与工况(航向、航速等)。现有的各型声纳通常配置了“声纳基阵信号模拟器”。这类信号源虽属于可控的多 通道阵元级声场信号产生器，但是其声场信号的种类较少(只有宽带辐射噪声与背景均勻 噪声，没有混响等信号形式)，信号形式固定(只有固定目标，没有运动目标或运动形式简 单)，信号形式单一(低频警戒信号、高频侦察信号等多种信号不能混合)，因此不能用作复 杂的声纳性能测试。并且，这些传统的信号产生器都是按声纳型号专门研制的，对不同型号 声纳不具备通用性。“不通用”造成设备系列化成本开销，也造成开发人力资源与时间的浪 费，还造成多通道声场信号产生软件维护升级成本的大幅度上升。因此，需要有一种可通用的信号实时产生器，其可以产生复杂的多通道特殊信号， 同时满足各种型号声纳的需求。这种通用性需求通常以数字技术与软件技术方式实现。由 于信号处理技术的快速发展，现在一般以通用处理器(GPU)或专用信号处理器(DSP)承载 信号产生模型与算法，由于需要实时在线产生多路信号，则要求强大的并行计算能力与足 够的数据吞吐量，通常需要多片专用DSP构成高效互连的并行机。在任务并行性与功能通 用性兼顾的情况下，容易发生死锁等不稳建行为。因此，亟待提供一种改进的声场信号实时产生器以克服上述缺陷。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种结构紧凑、运行稳定且可以通用于各种不 同型号声纳的水声场信号实时产生器。为了解决上述技术问题，本发明提供了一种水声场信号实时产生器，其包括多个 信号样本生成模块、信号合成模块、第一数据缓冲器、第二数据缓冲器、FIFO缓冲器、帧中断 同步脉冲产生器和硬时钟产生模块。所述多个信号样本生成模块用于产生各种类型的信号 波形；所述信号合成模块用于将所述信号样本生成模块产生的信号波形混合后输出；所述 第一数据缓冲器用于接收并转发所述信号合成模块产生的多路混合波形；所述第二数据缓冲器用于接收并转发所述信号样本生成模块产生的数据；所述FIFO缓冲器用于接收所述 第一数据缓冲器转发的数据并将其输出；所述帧中断同步脉冲产生器用于监测所述FIFO 缓冲器的状态，根据所述FIFO缓冲器的状态产生同步脉冲信号，并将所述同步脉冲信号发 送给所述第一数据缓冲器和第二数据缓冲器作为数据传输的时间基准；所述硬时钟产生模 块用于为所述信号样本生成模块和所述FIFO缓冲器提供时间基准。
本发明的水声场信号实时产生器以硬时钟产生模块产生的硬件时钟作为整个系 统的统一时间基准，FIFO缓冲器以该时间基准来传输数据，由于FIFO输出数据是受硬件时 钟控制，因此不会被软件停止。当其中的数据流出一定值或其底部空标志为空时，帧中断同 步脉冲产生器产生一个同步脉冲信号，该同步脉冲信号作为信号样本生成模块和信号合成 模块的中断信号，进而同步第一数据缓冲器和第二数据缓冲器中数据帧的传输，从而实现 了硬件同步。由于采用了硬件同步，只要中断不被嵌套、并行计算实时性满足，数据流就不 会中断。即使混合后的波形不正确，或者因为并行通信链路上的意外而未被送达第一数据 缓冲器中，打入FIFO缓冲器的数据流也不会间断，因而帧同步不会消失，系统也不会死锁。 此外，所述水声场信号实时产生器采用了流水线式设计，各种信号数据被一级一级地输出， 在帧律脉动式的推进过程中，分布式地完善计算并实现通信时延的隐藏，由此实现计算系 统的高数据吞吐量。 优选地，所述第一数据缓冲器和第二数据缓冲器均为乒乓缓冲器，所述乒乓缓冲 器以所述帧中断同步脉冲产生器产生的同步脉冲信号为跳转条件。优选地，所述水声场信号实时产生器还包括直接存储控制器，用于控制所述第一 数据缓冲器和第二数据缓冲器的以非等待直接存储访问(DMA，Direct Memory Access)的 方式进行数据传输。非等待DMA通信方式确保向FIFO缓冲器中打入信号帧数据不会被软 件的各种缺陷所终止。并且在采用了乒乓缓冲机制的情况下，在每一帧的头部就引发通信， 使几乎整个帧周期均可完全用于通信，因此，既最大可能地隐藏了通信时延，又确实保证了 可靠通信的时间要求，实现了计算系统的高数据吞吐量。优选地，所述水声场信号实时产生器还包括复杂参数计算模块，用于计算产生复 杂信号参数；第三数据缓冲器，用于接收和转发所述复杂参数计算模块产生的数据；和第 一分频器，用于对所述帧中断同步脉冲产生器产生的同步脉冲信号进行分频，并将分频后 的脉冲信号提供给所述第三数据缓冲器以同步第三数据缓冲器的参数传输。这样，可以在 多倍的帧周期中完成复杂信号的动态参数计算，使信号模拟的真实度更高。优选地，所述水声场信号实时产生器还包括第二分频器，用于对所述硬时钟产生 模块产生的时间基准进行分频，为所述多类信号样本生成模块提供不同的采样速率，所述 不同的采样速率之间为整数倍关系。将所述硬件时钟分频，不同的信号样本生成模块分别 以不同的采样数率进行采样，节省硬件资源，降低设备成本。较佳地，所述水声场信号实时产生器还包括接口模块，用于与不同型号的声纳对接。通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明 的实施例。
图1为本发明水声场信号实时产生器一个实施例的结构示意图。
图2为图1所示水声场信号实时产生器实现双采样率的原理示意图。
具体实施例方式现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。如 上所述，本发明提供了一种结构紧凑、运行稳定且可以通用于各种不同型号的声纳的水声 场信号实时产生器。下面将结合附图详细阐述本发明实施例的技术方案。如图1所示，本实施例的水 声场信号实时产生器包括多个信号样本生成模块1、信号合成模块2、第一数据缓冲器3、第 二数据缓冲器4、FIFO缓冲器5、帧中断同步脉冲产生器6和硬时钟产生模块7。所述多个 信号样本生成模块1用于产生各种类型的信号波形，在本实施例中，其分别为多目标信号 样本生成模块la、多路环境信号生成模块Ib和多路混响信号样本生成模块lc。所述第二 数据缓冲器4用于接收并转发所述信号样本生成模块1产生的数据。所述信号合成模块2 用于接收所述第二数据缓冲器4转发的数据，并将其混合后输出至所述第一数据缓冲器3。 具体的，在混合前，先对多目标信号样本生成模块Ia产生的多个目标信号分别进行高精度 逆波束变换形成声阵所感知的水声场波形，其后将多目标多路信号波形与多路环境信号生 成模块Ib产生的多路环境噪声、多路混响信号样本生成模块Ic产生的多路混响进行混叠。 所述第一数据缓冲器3用于接收并转发所述信号合成模块2产生的混叠数据。所述FIFO 缓冲器5用于接收所述第一数据缓冲器3转发的数据并将其按多路并行方式输出。所述帧 中断同步脉冲产生器6用于监测所述FIFO缓冲器5的状态，根据所述FIFO缓冲器5的状 态产生同步脉冲信号，并将所述同步脉冲信号发送给所述第一数据缓冲器3和第二数据缓 冲器4作为数据传输的时间基准。具体地，所述FIFO缓冲器5的底部一定位置处被设计为 数据空标志，所述帧中断同步脉冲产生器6监测所述FIFO缓冲器5的数据空状态。以底部 1/4处被设计为数据空标志为例，当FIFO缓冲器中的数据流出或空出3/4时，此时，所述数 据空标志为空，帧中断同步脉冲产生器6产生一个同步脉冲信号，该同步脉冲信号作为信 号样本生成模块1和信号合成模块2的中断信号，全系统受该中断信号的统一协调，即声场 信号计算与产生的任务被安排在中断处理例程中，进而同步第一数据缓冲器3和第二数据 缓冲器4中数据帧的传输，从而实现了硬件同步。所述硬时钟产生模块8用于为所述信号 样本生成模块1和所述FIFO缓冲器5提供时间基准，也就是说，所述硬时钟产生模块8为 整个系统提供统一的时间基准。本实施例的水声场信号实时产生器还包括复杂参数计算模块9、第三数据缓冲器 8和第二分频器6a。其中，所述复杂参数计算模块9用于动态地计算产生复杂信号参数；所 述第三数据缓冲器8用于接收和转发所述复杂参数计算模块9产生的数据；所述第一分频 器6a用于对所述帧中断同步脉冲产生器6产生的同步脉冲信号进行分频，并将分频后的脉 冲信号提供给所述第三数据缓冲器9作为计算同步。由于更复杂的声场波形，如混响的产 生需要更耗时的动态参数预计算，以所述第二分频器6a为十分频为例，这样，所述复杂参 数计算模块9就可以在10倍的帧周期中完成参数计算。在本实施例中，所述复杂参数计算 模块9可以用于计算混响时变谱，混响空间相关系数等，所述第三数据缓冲器8将接收到的 数据转发至所述多路混响信号样本生成模块lc。前述第一数据缓冲器3、第二数据缓冲器4和第三数据缓冲器8均为乒乓缓冲器，
5且以所述帧中断同步脉冲产生器6产生的同步脉冲信号为跳转条件。进一步地，所述水声 场信号实时产生器还包括直接存储控制器10，用于控制所述乒乓缓冲器以非等待直接内存 访问方式进行数据传输。本实施例的水声场信号实时产生器采用流水线式设计，信号样本产生模块1产生 的数据被送往第二数据缓冲器4，此为第一级流水线，然后数据被转发至信号合成模块2， 此为第二级流水线，合成后的波形被发送至第一存储器3，这是第三级流水线，而复杂参数 计算模块9和第三数据缓冲器8构成第零级流水线，在前述四级流水线中，各种信号数据被 一级一级地输出，在帧节律脉动式的推进过程中，分布式地完善计算并实现通信时延的隐 藏，由此实现计算系统的高数据吞吐量。作为本发明的优选实施例，本实施例还包括第二分频器7a，用于对所述硬时钟产 生模块7产生的时间基准进行分频，为所述多类信号样本生成模块1提供不同的采样速率， 所述不同的采样速率之间为整数倍关系。一般地，高频侦察信号产生器的采样率f2较高， 低频警戒信号产生器的采样率较低，f2 = n*f1; η为正整数。因声场信号是随机时变空 变信号，其计算产生需耗费极大的软硬件资源，信号采样率高则加剧这种耗费。以η = 3为 例，在本实施例中，f2采样时基样本即多目标信号样本生成模块Ia的高频侦察信号，其更 新速度是Π采样时基样本的3倍，而Π采样时基样本即多路环境信号生成模块Ib的信号 和多目标信号样本生成模块Ia的低频警戒信号。也就是说，大量的低频样本计算更新周期 是硬件时基的3倍，或者说大量的低频样本数据帧周期是高频样本数据帧的3倍。由此，以 时间换取了大量的计算资源。双采样率信号样本在往FIFO缓冲器5写入前，须在信号合成 模块2中将低样本速率信号进行升样转换，即对低样本速率信号进行3次样本复制内插，如 图2所示。高、低频信号可以经由各自独立的D/A通道分别输出，也可以将两频段信号(低 频信号3次样本延拓后)混合输出。容易知道，采样率并不仅限于两个，可以为多个，多个 采样率之间为倍数关系。所述水声场信号实时产生器还包括接口模块(图未示)，用于与不同型号的声纳 对接。具体地，所述接口模块包括模拟适配接口和同步信号接口，模拟适配接口的作用是有 效地将声场信号产生器的输出模拟信号引入到特定型号的声纳阵元输入端。同步信号接口 主要是将主动声纳发射脉冲的触发信号引入声场信号产生器，并将各种声纳的触发脉冲转 换为声场信号产生器的内部中断信号制式。显然，所述信号样本生成模块1、信号合成模块2和复杂参数计算模块均可以采用 DSP芯片实现。这些DSP芯片可以独立设置，也可以多片集成在一块板上，集成数量和方式 根据实际需要设定。优选地，可以将所述信号样本生成模块1和所述复杂参数计算模块集 成在一块运算板上，而将信号合成模块设置在D/A板上，便于直接嵌入声纳信号处理机中， 体积小且操作方便。所述信号合成模块的个数也可以根据需要设置。需要说明的是，上述复杂参数计算模块、第三数据缓冲器和第一分频器可以根据 实际需要选用，信号样本生成模块的个数和种类也可以根据实际需要设定，并不以本实施 例为限，也就是说，采用本发明的水声场信号实时产生器产生的信号类型、数量与组合方式 均可受控，信号特征参数均可配置，从而可以针对不同型号的声纳产生所需要的信号。
权利要求
一种水声场信号实时产生器，其特征在于，包括多类信号样本生成模块，用于产生各种类型的信号波形；信号合成模块，用于将所述信号样本生成模块产生的信号波形混合后输出；第一数据缓冲器，用于接收并转发所述信号合成模块产生的多路混合波形；第二数据缓冲器，用于接收并转发所述信号样本生成模块产生的波形；FIFO缓冲器，用于接收所述第一数据缓冲器转发的数据并将其输出；帧中断同步脉冲产生器，用于监测所述FIFO缓冲器的状态，根据所述FIFO缓冲器的状态产生同步脉冲信号，并将所述同步脉冲信号发送给所述第一数据缓冲器、第二数据缓冲器以控制其数据传输；和硬时钟产生模块，用于为所述信号样本生成模块和所述FIFO缓冲器提供时间基准。
2.根据权利要求1所述的水声场信号实时产生器，其特征在于，所述第一数据缓冲器、 第二数据缓冲器均为乒乓缓冲器，所述乒乓缓冲器以所述帧中断同步脉冲产生器产生的同 步脉冲信号为跳转条件。
3.根据权利要求2所述的水声场信号实时产生器，其特征在于，还包括直接存储控制 器，用于控制所述第一数据存储器和第二数据存储器的以非等待直接内存访问方式进行数 据传输。
4.根据权利要求1-3任一项所述的水声场信号实时产生器，其特征在于，还包括第二 分频器，用于对所述硬时钟产生模块产生的时间基准进行分频，为所述多类信号样本生成 模块提供不同的采样速率，所述不同的采样速率之间为整数倍关系，则所述信号合成模块 还用于对低采样速率对应的信号进行样本复制内插。
5.根据权利要求4所述的水声场信号实时产生器，其特征在于，还包括接口模块，用于 与不同型号的声纳对接。
6.根据权利要求1-3任一项所述的水声场信号实时产生器，其特征在于，还包括 复杂参数计算模块，用于计算产生复杂波形的动态参数；第三数据缓冲器，用于接收和转发所述复杂参数计算模块产生的波形参数； 第一分频器，用于对所述帧中断同步脉冲产生器产生的同步脉冲信号进行分频，并将 分频后脉冲信号提供给所述第三数据缓冲器以同步第三数据缓冲器的参数传输。
7.根据权利要求6所述的水声场信号实时产生器，其特征在于，所述信号样本生成模 块、信号合成模块和所述复杂信号计算模块均采用数字信号处理器实现。
8.根据权利要求7所述水声场信号实时产生器，其特征在于，所述信号样本生成模块 和所述复杂信号计算模块被集成在一块运算板上，而所述信号合成模块设置在D/A板上。
全文摘要
本发明公开了一种水声场信号实时产生器，其包括多类信号样本生成模块、信号合成模块、第一数据缓冲器、第二数据缓冲器、FIFO缓冲器、帧中断同步脉冲产生器和硬时钟产生模块，第二数据缓冲器接收并转发信号样本生成模块产生的各种波形；信号合成模块将信号样本生成模块产生的信号波形混合后输出；第一数据缓冲器接收并转发信号合成模块产生的多路混合波形；FIFO缓冲器接收第一数据缓冲器转发的数据并将其输出；帧中断同步脉冲产生器监测FIFO缓冲器的状态，根据该状态产生同步脉冲信号，并用其控制第一和第二数据缓冲器；硬时钟产生模块提供时间基准。该信号实时产生器结构紧凑、运行稳定且可以通用于各种不同型号的声纳。
文档编号G01S7/52GK101957445SQ20101027071
公开日2011年1月26日 申请日期2010年9月2日 优先权日2010年9月2日
发明者姚直象, 幸高翔, 张卫, 王希敏, 蔡志明, 郭瑞 申请人:中国人民解放军海军工程大学