软件声纳的目标自动跟踪系统建模

摘 要:数字声纳软件化是未来水声装备发展的必然趋势。这里依照软件声纳的内涵,应用模型驱动的体系结构研究数字声纳的目标自动跟踪系统,进行系统的平台无关模型建模,对其主题事务进行了高相关性、低耦合性的域分层,且各层有较高的可复用性。在转化驱动规则下从平台无关模型转化为平台相关模型,运用xUML(可执行统一建模语言)在该转换规则下在计算机上完成了软件的仿真,并对模拟目标进行自动跟踪,实现了目标自动跟踪系统的功能,为软件声纳的进一步发展提供了一定的参考意义。这里将软件声纳的概念运用于目标自动跟踪系统的软件开发,运用模型驱动架构开发符合软件声纳要求的软件,证明了软件声纳在声纳系统开发中的可行性。

关键词:软件声纳; 模型驱动体系结构; 平台无关模型; 主题事务

中图分类号:TN929 文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2010)14-0073-03

Modeling of Target Auto-tracking System on Software-defined Sonar

ZENG Jin-song1, ZHU Yan2, YAO Shan-liang2

(1. PLA Academy of Equipment Command & Technology Beijing, 100702, China; 2.Unit 91630 of Naval Guangzhou 510320, China)

Abstract: The software-defined sonar technology is a inevitable trend of development for future underwater sonar equipments. In term of the connotation of the software-defined sonar, the target auto-tracking system with digital sonar is studied by means of a model driven architecture, and the modeling of the platform independent model is performed, for which the domain stratification of high correlation and low coupling is carried out for its main affairs. The software simulation and the auto-tracking of analog targets are achieved on computer by xUML(executing unified modeling language)under the transformational rule (transform from the platform independent model to PSM). A reference to the development of software-defined sonar is offered. Theconception of software-defined sonar is applied to the software development of the target auto-tracking systems, and the software developed by the model-driven architecture, meets the requirement of software-defined sonar. It proves that the software-defined sonar is feasible.

Keywords:software-defined sonar; model-driven architecture; platform independent model; main affairs

0 引 言[1]

数字信号处理技术的快速发展使声纳电子设备(通常指干端设备)实现了以通用DSP为核心,数字声纳系统逐渐“软件化”。随着声纳信号处理、海洋声学模式与水声物理模型的结合,以及声纳空时频性能与技术指标的不断进步,声纳系统软件的规模与复杂度迅速膨胀,声纳的发展不能仅停留在硬件标准化,应该超越“软件化”声纳,发展成为软件声纳。其中,蔡志明等提出了较为完善的软件声纳内涵及研究方向[2]。

软件声纳(software-defined sonar)的内涵主要应包括以下2方面:

(1) 在水声换能器与水听器阵(可能有多个)所能提供的全频段范围内,主要以软件形式设置并实现声纳功能,也就是说,声纳设计是面向多功能、与硬件无关的(目前主要指干端)。

(2) 根据声纳检测定位的判决情况,可通过算法自适应地改变声纳系统参数(如主动声纳的重复发射周期或测程等),使系统使用性能最优化。而且,这种改变是在系统运行过程中完成的,无需重新引导、下载或启动。

本文根据软件声纳的理论,按照软件工程的思想,用模型驱动架构(MDA)方法,对目标自动跟踪系统进行分析,运用可执行统一建模语言(xUML)建立平台无关模型(PIM),并运用系统化的规则映射为平台相关模型(PSM),在此基础上完成该系统的设计与仿真软件。

1 模型驱动体系结构介绍[1-2]

模型驱动体系结构(MDA)开发是针对分布式应用或系统的功能和行为,它将实现细节与软件功能分开,这样就无需在每次新技术革新时对应用程序或系统的功能和行为重新建模。从平台无关模型(platform independent model,PIM)到MDA所支持平台上的平台相关模型(platform specific model,PSM)的映射将会由转换规则来实现。

平台无关模型(PIM)获取和表达了所建立系统的所有需求。它包含了对系统的所有规约,但是中立于任何实现平台。平台相关模型(PSM)包含了所有在PIM中表示的功能,并且添加了针对实现平台的设计思想。PSM用两种主要的方法表示:用UML表示的设计模型和用某一种语言(如C++)描述的具体实现。可执行统一建模语言(xUML)是MDA的一种关键技术,其在UML的基础上加入了动作语义进行增强,即是核心UML加上动作语义,用它可以建立可执行PIM。

2 目标自动跟踪系统建模

2.1 目标自动跟踪系统原理

如图1所示,当目标以角速度Е鬲b运动,波束以角速度ω转动,它们之间失调角为α。目标噪声被基阵接收后,通过水平波束和垂直波束形成,产生左、右两路波束信号。再经双通路放大被加到正交相关检测电路输入端。正弦相关检测电路依照其测向特性输出失调电压Uα,如图2所示。失调电压Uα一路经加法器去直接控制目标跟踪执行驱动器,另一路被加到目标跟踪速度驱动器。目标跟踪速度驱动器产生与目标角速度ωb成正比的输出电压U│鬲b,也通过加法器加到目标跟踪执行驱动器。所以目标自动跟踪执行驱动装置是在失调电压Uα和与目标角速度成正比的控制电压U│鬲b作用下,使波束向减小失调角α的方向转动。当失调角α=0时,失调电压Uα=0,波束则在U│鬲b作用下继续以恒角速度ωb下旋转,始终跟上目标运动,从而实现目标跟踪。

图1 目标自动跟踪系统的功能框图

2.2 目标自动跟踪系统PIM建模

在以代码为中心的软件开发过程中,一种常用的方法是以基于功能的思想来进行系统初始分解。但这种分解存在一些缺陷,系统容易受到不断变化技术(如变化的工具语言、用户接口技术、数据库等)的影响;系统对随时间而变化的需求存在不稳定性;将各个功能部分集成为最终系统时有高风险性。相对于基于功能分解,主题事务的分解策略可以实现MDA方法的所有优点。

主题分解的基础是意识到任何系统都是由一系列主题(或域)所组成的。这些单元将被用作分解系统分析工作量的基础。每一个域表示整个系统中一个独立的主题事务,由一系列类组成,并用UML中的一个包来表示。如图3所示,根据主题事务的分解原则对目标自动跟踪系统进行PIM建模,即由其最基本的域及相互依赖关系组成。

图2 图2 正交相关检测器测向特性与速度

驱动器U│鬲b~ ωb关系曲线

图3 目标自动跟踪系统的MDA建模

应用域从最终系统软件的视角表示系统,其与最初的用户需求最接近、最匹配。在服务域中,按照软件工程中最小耦合的方法对其分层,将通用性较高的模块(如显示控制部分)放在域层次结构的底部,而比较特殊的信号处理部分放在域层次结构的顶部,以达到在其他系统中可以复用显示控制模块的目的。体系结构域和它的支撑域一起提供了一个xUML虚拟机,为系统最终转换为PSM模型奠定了基础,其与从xUML模型到目标代码转化过程紧密相联。实现域中选择VC++和DSP技术构造Windows操作系统下的目标自动跟踪系统,算法流程如图4所示。

3 目标自动跟踪系统仿真软件及结果

在从PIM模型向PSM模型转换的工程中采用了转换驱动开发,这种方法区别于传统开发方法和模式驱动开发方法,将对目标自动跟踪系统的分析方法和将用于实现系统的解决方案分离出来。连接两个不同主题事务的方式是建立在xUML分析结构到它们的解决方案的系统的、完整的转换规则。因xUML有精确的可执行语义支撑,可以为这些语义指定一个抽象的实现,而不考虑具体的应用。目标自动跟踪系统软件如图5所示为在PC上进行的该系统软件仿真,可自动跟踪3个目标,并同时以时间-方位的瀑布图形式显示在3个分隔栏内,同时可以实现存档、查询,打印目标,以及检测、诊断功能。

图4 目标自动跟踪系统算法

图5 目标自动跟踪系统软件

图6所示为在模拟目标下的系统仿真结果,横坐标表示目标方位,纵坐标表示时间历程,可以看到在背景均衡处理后目标从-10°运动到-50°,目标越近瀑布图显示的亮度越高,实现了运动目标自动跟踪的功能,在MDA建模基础上实现了目标自动跟踪系统软件的仿真。

4 结 语

该目标自动跟踪系统设计采用模型驱动的体系结 构(MDA),从平台无关模型(PIM)转换为平台相关模型(PSM),将系统的指标参数与实现技术分离开来。一方面PIM设计可以专注于系统的逻辑设计,不需要考虑具体的实现技术;另一方面,有关系统实现的技术被表示为模型转换规则。从而该系统可以在用户需求改变或技术方法革新后直接从PIM模型开发软件,有较高的可复用性、易理解性、更高的软件质量、较低的软件开发费用,缩短了软件开发周期,为推进软件声纳发展提供了一定的参考意义。

图6 目标自动跟踪仿真结果

参考文献

[1]李启虎.数字式声纳设计原理[M].合肥:安徽教育出版社,2003.

[2]蔡志明,王希敏.软件声纳的概念与趋势[J].声学技术,2007,26(5):968-971.

[3]RAISTRICK Chris, FRANCIS Paul, WRIGHT John, et al.Model driven architecture with executable UML[M].Beijing: Machinery Industry Press, 2006.

[4]MILES Russ, HAMILTON Kim. Learning UML 2.0[M].北京:清华大学出版社,2006.

[5]国刚,周峰,孙更新.UML与Rational Rose 2003软件工程统一建模原理与实践教程[M].北京:电子工业出版社,2007.

[6]阎福旺,刘载芳,荣新光,等.现代声纳技术[M].北京:海洋出版社,2000.

[7]孙鑫,余安萍.VC++深入详解[ M] .北京:电子工业出版社,2006.

[8]龚建伟,熊光明.Visual C++/Turbo C串口通信编程实践[M].北京:电子工业出版社,2004.

[9]王亚迅.短基线声纳系统跟踪水下目标的误差分析[ J] .现代电子技术,2008,31(15):40-41.