[对探潜声纳模拟仿真的技术实现]声纳仿真2017
摘要:声纳模拟器的难点主要集中在对水声处理的模拟计算和声纳音频、视频信号的模拟。 关键词:声纳 模拟仿真 众所周知,海洋环境千变万化,模拟器不可能对之有精确的模拟,而只能有选择地以典型的海洋环境为背景 ,把它理想化为完全符合水声原理的海洋环境。水声条件改变后,再利用水声原理的相关知识对之进行处理,得到改变后的海洋环境。
对声纳音频信号的模拟,我们采用了以声卡为硬件基础,运用DirectX中的DirectSound技术实现对声音的模拟,从而获得所需要的音频信号。
对声纳视频信号的模拟方法,我们运用DirectX中的Directdraw技术实现对实装系统中声纳余辉显示的模拟。
1 建模思路
声纳模拟器要求从视频和音频两个方面来模拟声纳的实际工作情况。因为模拟器中没有信号发生器,没有信号处理系统,模拟的原始信号只能是现成的,而不是实时产生的。我们采用了建立数据库的方法来模拟声纳的典型工作状态,数据库用来存储和管理录制的全部水声信号。这一数据库的建立与水声资料的多少密切相关。水声资料越丰富,数据库就越全面,模拟器所达到的效果与实际越接近。
从音频系统来说,主动声纳接收到的信号可分为两种,一种是噪声信号(这里把海洋混响与海洋噪声统称为噪声信号),一种是海洋中各种目标对发射信号的反射。声纳员通过对接收信号的侦听,可以确定声纳系统是否探测到在声纳的有效作用距离内有目标存在。有目标存在时与没有目标存在时,音频信号的频率成份显然不同,回波的声源级也有很大的变化。
从视频系统来看,显示器上的视频显示是声纳员选定的方位范围内的信号,这种信号即包括噪声信号(背景信号),也包括处在声纳有效作用距离内的目标反射信号的视频信号。
从已确定的终端性的模拟思路出发,可以用下面的数学模型作为仿真处理对象:
式中O(w)为仿真对象,E(w)为噪声对象,N(w)为目标对声信号的反射。把处理好后的E(w)信号与N(w)信号叠加到一起,即为我们所需的O(w)信号。
2 在建立水声模型时我们主要考虑以下主要因素
2.1 声速
海洋中的声速及其分布是一个重要的物理性质,对于声音的传播及声纳设备的性能起着很重要的作用。影响海水中声速值的因素主要有海水的温度,盐度,压力。乌德公式较为简单而又保持了一定精度地反映了它们对声速的影响
C=1450+421×T-0.037×T+1.14×(S-35)+0.175×P
上式中,各物理量的意义和单位如下:
T――温度,℃,其范围在-4℃0
SL : 发射声源级;
NL: 环境噪声级;
DI : 声纳基阵的指向性系数;
DT: 声纳的检测阈;
TL: 声信号的传播损失;
TS: 目标的信号强度;
上式中,SL、DI和DT的具体值与声纳本身的性能有关。
环境噪声级用如下公式计算:
NL = 10*Log (In / Im)
In : 一赫兹带宽的噪声强度,
Im : 参考声强。
声信号的传播损失用如下公式计算
TL = 10*Log (I0 / I);
信号强度可用下式计算:
TS = 10*Log (Ir / I01)
I01 : 距目标声学中心一米处的入射声强
Ir: 距目标声学中心一米处的反射声强
3 音频信号的模拟
本系统中对声音信号的模拟是采用DirectX中DirectSound技术实现的。具体实现方法是:首先我们建立离限声音素材库,主要包括各种海洋噪声、各类潜艇、各类水面舰艇、沉船和礁石等。其次,经过仿真模型的计算获取需要播放的声音文件的索引号,然后调用不同的声音文件由DirectSound实施合成并送计算机后台进行音频播放。
利用这种方法模拟其好处是声音比较逼真,但需要依赖提供较多的声音素材,声音素材越丰富,则模拟得越逼真。其实现的结构图如1所示。
4 视频信号的模拟
本系统中对视频信号的模拟是采用DirectX中DirectDraw的显示技术实现的。因为在实装的视频显示中有余辉效果,而我们用于视频显示的监视器没有余辉,为了实现这个效果,我们运用DirectDraw提供的页面交换和屏幕的光珊操作来模拟余辉效果,以提高显示的逼真度。为此先简单介绍一下DirectDraw。
DirectDraw是DirectX SDK大家族中的一员,也是其中最主要的一个部件。DirectDraw允许程序员直接的操作显存、硬件位图映射以及硬件覆盖和换页技术。它在提供这些功能的同时,也使其与现在的基于Microsoft Windows的应用程序和设备驱动程序相兼容。
DirectDraw是一个软件接口,它在提供直接访问显示设备的同时,与Windows图形设备接口(GDI)相兼容。DirectDraw不是一个高层的图形程序编程接口,它为游戏和Windows子系统软件(例如:3D图形包和数字视频编码)提供了一种与设备无关的途径,以获得访问特定的显示设备的某些高级特性的能力。
DirectDraw适用于种类众多的的显示设备,从简单的SVGA显示器到提供裁剪、缩放、和支持非RGB颜色格式的高级硬件实现设备。设计这样的接口是为了让你的应用程序能够列举低层硬件的能力,并且对那些支持的硬件加速特性加以利用。那些在硬件设备中不能实现的特性,DirectX将仿真出来。
DirectDraw提供了以下几个优点,这些好处在以前只有那些专为特定显示设备所写的软件才能利用。 持双缓冲和换页图形 ;访问、控制显示卡的位图映射
支持3D z-buffers (z缓存); 支持z方向(z-ordering)硬件辅助覆盖。 访问图形缩放硬件; 仿真访问标准的和增强的显示设备内存空间 ;DirectDraw的任务是用与设备无关的途径来提供依赖于设备的访问显示内存的方法。本质上,DirectDraw管理显示内存。你的应用程序只需要懂得那些一般的关于硬件与设备有关的知识,比如RGB和YUV色彩格式和两条光栅线之间的pitch(宽距)。
在需要利用位转换或操作调色板寄存器时,你不需要为调用过程中的细节而烦恼。使用DirectDraw,你可以方便的操作显示内存,充分的利用不同类型的显示设备的位转换和颜色压缩能力,而不需要依赖于某一个特定的硬件。 DirectDraw给运行于Windows 95和Windows NT 4.0或更高版本的计算机提供了一个高性能的的游戏图象引擎。
在本系统中的具体做法是:首先创建并初始化DirectDraw对象,设置Direct工作在独占全屏模式,并且有安全的多线程性能,设置视频显示模式,创建一个带一个后台缓冲的复杂主页面,取得后台缓冲页面的指针,创建第一个离屏页面,创建第二个离屏页面,当这些初始化工作做完后,在第一个离屏页面中将要显示的各图形在内存中画出,在第二离屏页面画上所需余辉长度的渐变色,将第一个离屏页面和第二个离屏页面进行与的光栅操作,并送主页面显示,就获得所需的余辉效果的声纳视频显示效果。
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