自导系统仿真建模及仿真系统研究
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摘要
自导系统的仿真研究是目前海军装备建设和发展中的一项重要任务，是综合研究自导系统性能、理论和方法，提高自导系统技术战术指标的有效手段之一。自导系统仿真建模及仿真系统研究包括建立自导系统的数学模型和仿真模型，研制开发自导仿真系统，并进行自导系统仿真实验等。本文在课题组前期研究工作的基础上，又取得了一些新的研究进展和有价值的研究成果。主要有：
1．对自导系统信号与信息处理的理论和方法进行了全面系统的研究，建立了相应的数学模型
首先，对自导系统的总体性能及工作过程进行了深入的研究和分析，明确了系统的信息交互关系及模块划分。其次，深入研究了信号与噪声模型、时域和频域信号处理、空域信号处理(波束形成)、目标信号检测与参数估计等原理和方法，建立了自导系统各个功能模块的数学模型，这对研究自导系统具有重要的指导意义，同时也为建立自导仿真系统提供了理论基础。
2．建立了自导系统的各个功能模块的仿真模型
自导系统的数学模型只有变成为仿真模型后，才能在计算机上进行仿真实现。论文重点研究了自导系统各个功能模块的仿真建模问题，以A244鱼雷的自导系统为例建立了发射信号、目标回波、目标辐射噪声、背景噪声、海洋混响、阵元接收信号、前置滤波器、波束输出、积分输出、目标检测、信号参数估计等子模块的仿真模型。
3．对自导仿真系统的整体结构及性能进行了深入的研究和分析
深入研究并建立了自导仿真系统的系统结构、模块组成以及各个功能模块之间的信息交互关系。以A244鱼雷为例研究分析了自导仿真系统的性能及实时性问题，并提出了提高自导系统实时性的降采样和BittWare Hammerhead PCI加速卡解决方案。
4．根据系统的仿真模型使用VC++编制了自导系统仿真软件
本文利用Micosoft Visual C++、matlab、matcom和olechart等编程语言和工具，依据模块化的编程思想，在计算机上对自导系统的各个功能模块进行了仿真实现，这些模块的适当组合可以构成不同类型的自导仿真系统。该套软件具有标准的Windows应用程序界面、良好的集成环境和先进的信号波形观察手段，是对自导系统进行研究、开发及系统性能评估的有效工具。
5．利用编制的自导系统仿真软件进行了系统仿真实验
利用本文所编制的自导系统仿真软件在计算机上进行了仿真实验，给出了主要功能模块的仿真结果，通过对仿真结果的研究分析从而验证了本文所采用和建立的数学模
自导系统仿真建模及仿真系统研究
摘要
型、仿真模型及研制的自导仿真系统的正确性和有效性。
With the development of the computer technology, the application of simulation in the scientific research can not only save a large amount of outlay, but also shorten the research period. The research of homing simulation system is an important area. It is an efficient tool of investigating the performance, theory and method of homing system. It is also a good way to improve the tactics index of homing system technique. The study of simulation modeling and simulation system of homing system, which includes building the mathematical model and simulation model of the system, developing simulation software and conducting system simulation experiments. Based on the previous research of our research group, some new development is achieved and more valuable research conclusions are drawn. The main research advances can be summarized as follows.
1. Investigate the performance and method of homing system signal processing comprehensively, and found the corresponding mathematical models
First, the holistic performance and operation process are thoroughly investigated. The function blocks are partitioned and the information flow connection is established. Especially, mathematical models of signal and noise, the principles and methods of signal processing in the time domain, frequency domain and the space domain (beam-former), the target detection and signal parameter estimation are emphasized. Then, the mathematical models of all the function blocks are founded.
2. Found the simulation model of all the function blocks
The homing system can be simulated by the computer only if the mathematical models are turned into simulation models. The simulation modeling of every function block is studied in the paper. Taking A244 torpedo as an example, the simulation models such as transmitting signal, target echo signal, target radiating noise, background noise, ocean reverberation, array signal, conditioner filter, beam-form output, time processor output and signal parameters estimation of A244 torpedo are established.
3. Study and analysis of homing simulation system
First, the system structure, blocks composing and the information exchange relationship of every function blocks are studied and founded. Then, the real-time performance of homing simulation system is analyzed by taking the example of A244 Torpedo. And the means of settlement such as depressed sampling and BittWare Hammerhead PCI accelerate board are presented, too.
4. Programm the simulation software of homing system by using VC++ and Matcom according to the simulation models
With the programming of modularizing hierarchy design, a piece of software of complete homing system is built. All the function blocks of homing system are realized by simulation method, which can make up of all kinds of homing system. The software is developed by using Microsoft Visual C++, Matlab, Matcom and Olechart with the standard interface of Windows style. So it is an effective tool of developing new methods for homing system and evaluating the performance.
5. Simulation experiments
The simulation results of main function blocks are presented. And the study and analysis of the simulation results show that the mathematical models, simulation models and simulation software system adopted and founded in the paper are more accurate and efficient.
1．对自导系统信号与信息处理的理论和方法进行了全面系统的研究，建立了相应的数学模型
首先，对自导系统的总体性能及工作过程进行了深入的研究和分析，明确了系统的信息交互关系及模块划分。其次，深入研究了信号与噪声模型、时域和频域信号处理、空域信号处理(波束形成)、目标信号检测与参数估计等原理和方法，建立了自导系统各个功能模块的数学模型，这对研究自导系统具有重要的指导意义，同时也为建立自导仿真系统提供了理论基础。
2．建立了自导系统的各个功能模块的仿真模型
自导系统的数学模型只有变成为仿真模型后，才能在计算机上进行仿真实现。论文重点研究了自导系统各个功能模块的仿真建模问题，以A244鱼雷的自导系统为例建立了发射信号、目标回波、目标辐射噪声、背景噪声、海洋混响、阵元接收信号、前置滤波器、波束输出、积分输出、目标检测、信号参数估计等子模块的仿真模型。
3．对自导仿真系统的整体结构及性能进行了深入的研究和分析
深入研究并建立了自导仿真系统的系统结构、模块组成以及各个功能模块之间的信息交互关系。以A244鱼雷为例研究分析了自导仿真系统的性能及实时性问题，并提出了提高自导系统实时性的降采样和BittWare Hammerhead PCI加速卡解决方案。
4．根据系统的仿真模型使用VC++编制了自导系统仿真软件
本文利用Micosoft Visual C++、matlab、matcom和olechart等编程语言和工具，依据模块化的编程思想，在计算机上对自导系统的各个功能模块进行了仿真实现，这些模块的适当组合可以构成不同类型的自导仿真系统。该套软件具有标准的Windows应用程序界面、良好的集成环境和先进的信号波形观察手段，是对自导系统进行研究、开发及系统性能评估的有效工具。
5．利用编制的自导系统仿真软件进行了系统仿真实验
利用本文所编制的自导系统仿真软件在计算机上进行了仿真实验，给出了主要功能模块的仿真结果，通过对仿真结果的研究分析从而验证了本文所采用和建立的数学模
自导系统仿真建模及仿真系统研究
摘要
型、仿真模型及研制的自导仿真系统的正确性和有效性。
With the development of the computer technology, the application of simulation in the scientific research can not only save a large amount of outlay, but also shorten the research period. The research of homing simulation system is an important area. It is an efficient tool of investigating the performance, theory and method of homing system. It is also a good way to improve the tactics index of homing system technique. The study of simulation modeling and simulation system of homing system, which includes building the mathematical model and simulation model of the system, developing simulation software and conducting system simulation experiments. Based on the previous research of our research group, some new development is achieved and more valuable research conclusions are drawn. The main research advances can be summarized as follows.
1. Investigate the performance and method of homing system signal processing comprehensively, and found the corresponding mathematical models
First, the holistic performance and operation process are thoroughly investigated. The function blocks are partitioned and the information flow connection is established. Especially, mathematical models of signal and noise, the principles and methods of signal processing in the time domain, frequency domain and the space domain (beam-former), the target detection and signal parameter estimation are emphasized. Then, the mathematical models of all the function blocks are founded.
2. Found the simulation model of all the function blocks
The homing system can be simulated by the computer only if the mathematical models are turned into simulation models. The simulation modeling of every function block is studied in the paper. Taking A244 torpedo as an example, the simulation models such as transmitting signal, target echo signal, target radiating noise, background noise, ocean reverberation, array signal, conditioner filter, beam-form output, time processor output and signal parameters estimation of A244 torpedo are established.
3. Study and analysis of homing simulation system
First, the system structure, blocks composing and the information exchange relationship of every function blocks are studied and founded. Then, the real-time performance of homing simulation system is analyzed by taking the example of A244 Torpedo. And the means of settlement such as depressed sampling and BittWare Hammerhead PCI accelerate board are presented, too.
4. Programm the simulation software of homing system by using VC++ and Matcom according to the simulation models
With the programming of modularizing hierarchy design, a piece of software of complete homing system is built. All the function blocks of homing system are realized by simulation method, which can make up of all kinds of homing system. The software is developed by using Microsoft Visual C++, Matlab, Matcom and Olechart with the standard interface of Windows style. So it is an effective tool of developing new methods for homing system and evaluating the performance.
5. Simulation experiments
The simulation results of main function blocks are presented. And the study and analysis of the simulation results show that the mathematical models, simulation models and simulation software system adopted and founded in the paper are more accurate and efficient.
引文
[1] 胡广书，数字信号处理——理论、算法与实现，清华大学出版社，1997．8
[2] 董大群、黄建国，数字信号处理，西北工业大学出版社，1994
[3] [美]奧本海姆 著，刘树棠、黄建国译，离散时间信号处理(第二版)，西安交通大学出版社，2001．
[4] [美]S．M．Kay著，黄建国、武延祥、杨世兴 译，现代谱估计——原理与应用，科学出版社，1994
[5] 张贤达，现代信号处理，清华大学出版社，1995
[6] 刘伯胜、雷家煜，水声学原理，哈尔滨传播工程学院出版社，1993．12
[7] 李启虎，声纳信号处理引论，海洋出版社，1985
[8] 田婉逸、张效民，信号检测与估值，西北工业大学出版社，1990
[9] 朱埜，主动声纳检测信号原理，海洋出版社，1990
[10] 郑兆宁、向大威，水声信号被动检测与参数估计理论，科学出版社，1981
[11] 肖国有、屠庆平，声信号处理及其应用，西北工业大学出版社，1994
[12] 谢一清、李志舜，鱼雷自导系统，西北工业大学303教研室，1985
[13] 宋志杰 等，潜艇水声对抗原理与应用，海军潜艇学院出版社，2000年
[14] 谢一清、黄建国、冯西安，“任意形离散阵指向性通用程序设计”，西安(西北)造船工程学会第四次学术会议交流与专题研讨会论文选编，1994
[15] 张群飞、谢一清，“分裂波束精确定向”，西北工业大学科技资料，1991．9
[16] 陈景熙、谢一清、黄建国，“鱼雷制导目标识别与反对抗技术”，中国国防科技报告，1994
[17] 谢一清、黄建国、田战省，“鱼雷精确制导目标参数估计”，中国国防科技报告，1992
[18] 吴祈耀，随机过程， 国防工业出版社，1987
[19] 朱燕堂，应用概率统计方法，西北工业大学出版社，1995．12
[20] 聂铁军、侯谊、郑介庸，数值计算方法，西北工业大学出版社，1990
[21] 程云鹏等，矩阵论，西北工业大学出版社，1989
[22] 颐启泰，系统设计与仿真，清华大学出版社，1996
[23] 汤毅坚、过介，计算机局域网，人民邮电出版社，1988
[24] 官章全、韩云君，Visual C++ 6.0高级编程范例，电子工业出版社，2001．1
[25] 余英、梁刚，Visual C++实践与提高——COM和COM+篇，中国铁道出版社，2001
[26] 陈永基、张陆平 等译，Microsoft Windows 95程序员指南，清华大学出版社，1996
[27] (美)Mattbew Telles、Andrew Cooke，Windows 95 API开发人员指南，机械工业
出版社，1997
[28] (美)David J．Kruglinski，Visual C++技术内幕，清华大学出版社，1996
[29]柳永新、杨东凯，Visual C++ 4.x入门与提高，清华大学出版社，1997
[30]Microsoft著、何晓刚 译，Visual C++ 4.0教程，科学出版社，1997
[31](美)Herbert Schildt著、杨长虹 等译，最新C++语言精华，电子工业出版社，1997
[32]Microsoft Corporation著、陈维 等译，Microsoft Visual C++ 2.0 for Win32大全(二)——用MFC和Win32编程，清华大学出版社，1996
[33]顾晓明、韩复生 等，Visual C++ 图文程序设计，国防工业出版社，1996
[34](美)Scott Stanfield、Ralph Arvesen著，Visual C++4开发人员指南，机械工业出版社，1997
[35](美)Michael J．Young著、邱仲潘 等译，Visual C++ 4从入门到精通，电子工业出版社，1997
[36]程文斌、王一行 等，C库函数和MFC库类详解，北京航空航天大学出版社，1995
[37]陆润民，C语言绘图教程，清华大学出版社，1996
[38]杨猛，“任务条状态区的应用”，计算机世界报，1997．12．8
[39]聂志农，“利用VC++进行工具条的显示更新”，计算机世界报，1997．12．1
[40]郑杰，“在VC++中实现基于MFC的组件本地化”，计算机世界报，1997．9．15
[41]纪秀花，“用VC++定制通用对话框”，计算机世界报，1997．9．1
[42]蒋志华，“使用Visual C++ 4.0经验谈(上、下)”，计算机世界报，1997．9．8
[43]刘瑞，“构件软件连接的技术规范”，计算机世界报，1997．8．18
[44]寥成真，“谈Windows 95抢先多任务技术”，计算机世界报，1997．7．28
[45]李海，“防止应用程序两次加载”，计算机世界报，1997．7．28
[46]吴芸、徐超，“Windows 95下多线程编程技术及其实现”，计算机世界报，1997．9．1
[47]张会强，“鱼雷自导系统数学仿真研究”，西北工业大学硕士论文，1998．3
[48]刘团结，“鱼雷自导系统仿真研究”，西北工业大学硕士论文，2000．2
[49]陈景东，“水下目标特征提取与分类技术研究”，西北工业大学硕士学位论文，1996
[50]张群飞，“水下目标高分辨参数估计”，西北工业大学硕士学位论文，1993
[51]王蕴平，“数字波束形成与目标精确定向”，西北工业大学硕士学位论文，1994
[52]闫娟，“水下目标自动识别技术”，西北工业大学硕士学位论文，1997
[53]S.H.Isabelle and G.W.Wornell, "Statistical Analysis and Spectral Estimation Techniques for One-Dimensional Chaotic Signals", IEEE Transactions on Signal Processing, Vol.45, Number 6, 1997
[54]Y.-M.Chen, " On Spatial Smoothing for Two-Dimensional Direction-of-Arrival
Estimation of Coherent Signals", IEEE Transactions on Signal Processing, Vol.45, Number 7, 1997
[55] J.A.Stuller and N.Hubing, "New Perspectives for Maximum Likehood Time-Dela
[56] A.M.Maras, "Threshold Parameters Estimation in Nonadditive Non-Gaussian Noise" , IEEE Transactions on Signal Processing, Vol.45, Number 7, 1997
[57] Steven M.Kay, Modern Spectral Estimation: Theory and Application, University of Rhode Island, 1987
[58] Ana Perez-Neira and Miguel A Lagunas, "Multiuser Array Beamforming Based on a Neural Network Mapping", ICASSP-93, Vol 4, 1993
[59] Doug Gray, "Parameter Estimation of Periodic Discrete Event Processes", ICASSP-93, Vol4, 1993
[2] 董大群、黄建国，数字信号处理，西北工业大学出版社，1994
[3] [美]奧本海姆 著，刘树棠、黄建国译，离散时间信号处理(第二版)，西安交通大学出版社，2001．
[4] [美]S．M．Kay著，黄建国、武延祥、杨世兴 译，现代谱估计——原理与应用，科学出版社，1994
[5] 张贤达，现代信号处理，清华大学出版社，1995
[6] 刘伯胜、雷家煜，水声学原理，哈尔滨传播工程学院出版社，1993．12
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[8] 田婉逸、张效民，信号检测与估值，西北工业大学出版社，1990
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[11] 肖国有、屠庆平，声信号处理及其应用，西北工业大学出版社，1994
[12] 谢一清、李志舜，鱼雷自导系统，西北工业大学303教研室，1985
[13] 宋志杰 等，潜艇水声对抗原理与应用，海军潜艇学院出版社，2000年
[14] 谢一清、黄建国、冯西安，“任意形离散阵指向性通用程序设计”，西安(西北)造船工程学会第四次学术会议交流与专题研讨会论文选编，1994
[15] 张群飞、谢一清，“分裂波束精确定向”，西北工业大学科技资料，1991．9
[16] 陈景熙、谢一清、黄建国，“鱼雷制导目标识别与反对抗技术”，中国国防科技报告，1994
[17] 谢一清、黄建国、田战省，“鱼雷精确制导目标参数估计”，中国国防科技报告，1992
[18] 吴祈耀，随机过程， 国防工业出版社，1987
[19] 朱燕堂，应用概率统计方法，西北工业大学出版社，1995．12
[20] 聂铁军、侯谊、郑介庸，数值计算方法，西北工业大学出版社，1990
[21] 程云鹏等，矩阵论，西北工业大学出版社，1989
[22] 颐启泰，系统设计与仿真，清华大学出版社，1996
[23] 汤毅坚、过介，计算机局域网，人民邮电出版社，1988
[24] 官章全、韩云君，Visual C++ 6.0高级编程范例，电子工业出版社，2001．1
[25] 余英、梁刚，Visual C++实践与提高——COM和COM+篇，中国铁道出版社，2001
[26] 陈永基、张陆平 等译，Microsoft Windows 95程序员指南，清华大学出版社，1996
[27] (美)Mattbew Telles、Andrew Cooke，Windows 95 API开发人员指南，机械工业
出版社，1997
[28] (美)David J．Kruglinski，Visual C++技术内幕，清华大学出版社，1996
[29]柳永新、杨东凯，Visual C++ 4.x入门与提高，清华大学出版社，1997
[30]Microsoft著、何晓刚 译，Visual C++ 4.0教程，科学出版社，1997
[31](美)Herbert Schildt著、杨长虹 等译，最新C++语言精华，电子工业出版社，1997
[32]Microsoft Corporation著、陈维 等译，Microsoft Visual C++ 2.0 for Win32大全(二)——用MFC和Win32编程，清华大学出版社，1996
[33]顾晓明、韩复生 等，Visual C++ 图文程序设计，国防工业出版社，1996
[34](美)Scott Stanfield、Ralph Arvesen著，Visual C++4开发人员指南，机械工业出版社，1997
[35](美)Michael J．Young著、邱仲潘 等译，Visual C++ 4从入门到精通，电子工业出版社，1997
[36]程文斌、王一行 等，C库函数和MFC库类详解，北京航空航天大学出版社，1995
[37]陆润民，C语言绘图教程，清华大学出版社，1996
[38]杨猛，“任务条状态区的应用”，计算机世界报，1997．12．8
[39]聂志农，“利用VC++进行工具条的显示更新”，计算机世界报，1997．12．1
[40]郑杰，“在VC++中实现基于MFC的组件本地化”，计算机世界报，1997．9．15
[41]纪秀花，“用VC++定制通用对话框”，计算机世界报，1997．9．1
[42]蒋志华，“使用Visual C++ 4.0经验谈(上、下)”，计算机世界报，1997．9．8
[43]刘瑞，“构件软件连接的技术规范”，计算机世界报，1997．8．18
[44]寥成真，“谈Windows 95抢先多任务技术”，计算机世界报，1997．7．28
[45]李海，“防止应用程序两次加载”，计算机世界报，1997．7．28
[46]吴芸、徐超，“Windows 95下多线程编程技术及其实现”，计算机世界报，1997．9．1
[47]张会强，“鱼雷自导系统数学仿真研究”，西北工业大学硕士论文，1998．3
[48]刘团结，“鱼雷自导系统仿真研究”，西北工业大学硕士论文，2000．2
[49]陈景东，“水下目标特征提取与分类技术研究”，西北工业大学硕士学位论文，1996
[50]张群飞，“水下目标高分辨参数估计”，西北工业大学硕士学位论文，1993
[51]王蕴平，“数字波束形成与目标精确定向”，西北工业大学硕士学位论文，1994
[52]闫娟，“水下目标自动识别技术”，西北工业大学硕士学位论文，1997
[53]S.H.Isabelle and G.W.Wornell, "Statistical Analysis and Spectral Estimation Techniques for One-Dimensional Chaotic Signals", IEEE Transactions on Signal Processing, Vol.45, Number 6, 1997
[54]Y.-M.Chen, " On Spatial Smoothing for Two-Dimensional Direction-of-Arrival
Estimation of Coherent Signals", IEEE Transactions on Signal Processing, Vol.45, Number 7, 1997
[55] J.A.Stuller and N.Hubing, "New Perspectives for Maximum Likehood Time-Dela
[56] A.M.Maras, "Threshold Parameters Estimation in Nonadditive Non-Gaussian Noise" , IEEE Transactions on Signal Processing, Vol.45, Number 7, 1997
[57] Steven M.Kay, Modern Spectral Estimation: Theory and Application, University of Rhode Island, 1987
[58] Ana Perez-Neira and Miguel A Lagunas, "Multiuser Array Beamforming Based on a Neural Network Mapping", ICASSP-93, Vol 4, 1993
[59] Doug Gray, "Parameter Estimation of Periodic Discrete Event Processes", ICASSP-93, Vol4, 1993