(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111500681.4 (22)申请日 2021.12.09 (71)申请人 海鹰企业 集团有限责任公司 地址 214000 江苏省无锡市新吴区运河西 路3000号 (72)发明人 徐娜　 (74)专利代理 机构 无锡派尔特知识产权代理事 务所(普通 合伙) 32340 代理人 杨强　杨立秋 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G06F 119/10(2020.01) (54)发明名称 一种基于GPU通用型声纳信号模拟器设计方 法 (57)摘要 本发明涉及一种基于GPU通用型声纳信号模 拟器设计方法， 所述模拟器设计方法基于工作参 数库搭建设计， 包括如下步骤： 配置模拟器工作 参数库； 生成环境噪声； 生成舰船辐射噪声信号； 生成声纳发射信号； 模拟声纳探测性能； 生成目 标回波信号； 生成阵列信号； 通过对外接口发送 到DA模块。 本发明所述的基于GPU通用型声纳信 号模拟器设计方法， 有效缩短声纳研制周 期、 节 省研制经费并能适用于低频、 中频、 高频等不同 声纳应用场景， 通过该设计方法的设计的模拟 器， 能够具 备实时、 开 放及可复用的特 征。 权利要求书1页 说明书4页 附图2页 CN 114266143 A 2022.04.01 CN 114266143 A 1.一种基于GPU通用型声纳信号模拟器设计方法， 所述模拟器设计方法基于工作参数 库搭建设计， 其特 征在于， 包括如下步骤： 步骤S1： 配置模拟器工作参数库， 该工作参数库模块工作CPU上， 并将参数库变量设置 为全局变量； 步骤S2： 生成环境噪声， 首先根据海况信息计算获取噪声谱级NL， 然后产生高斯白噪 声， 将高斯白噪声经 过FIR带通滤波， 再对完成滤波的信号进行谱级调幅； 步骤S3： 生成舰船辐射噪声信号； 根据目标的参数信息， 分别对目标舰船辐射噪声的平 稳连续谱和线谱分量进行仿真， 将二者叠加得到目标辐 射噪声信号， 即将宽带信号与线谱 信号进行叠加； 步骤S4： 生成声纳发射信号； 根据声纳参数库中的信号形式和发射声源级， 计算声纳发 射信号样本； 步骤S5： 模拟声纳探测性能； 根据声纳的发射方式和信号长度， 判断目标的方位是否在 声波覆盖范围内以及目标距离是否在脉冲宽度盲区中， 从而确定声纳能否 探测到目标； 步骤S6： 生成目标回波信号； 根据目标的方位和距离信 息， 通过反波束形成的方法计算 出参与模拟的声纳条阵数及每条阵的时延； 再根据参与工作的条阵数和对应的时延， 以发 射信号为参考数组， 计算每 个目标在每 个量程中的回波信号； 步骤S7： 生成阵列信号； 根据不同声纳的节拍时间， 将环境噪声、 辐射噪声、 目标回波信 号等信号进行叠加； 步骤S8： 发送到DA模块， 按照节拍时间向阵列信号数据通过对外 接口发送到DA模块。 2.根据权利要求1所述的一种基于GPU通用型声纳信号模拟器设计方法， 其特征在于： 所述的工作参数库包括声纳工作参数库、 目标信息参数库、 环境 参数库、 本舰信息参数库。 3.根据权利要求1所述的一种基于GPU通用型声纳信号模拟器设计方法， 其特征在于： 所述的步骤S2中FIR滤波器的输出与输入信号的关系为： 其中， y为环境噪声， x为高斯白噪声信号， hk为滤波器系数， N 为滤波器阶数。 4.根据权利要求1所述的一种基于GPU通用型声纳信号模拟器设计方法， 其特征在于： 所述的步骤S4中生成声纳发射信号在GPU上的实现过程为， 假设要计算的声纳发射信号长 度为Sig_Len， 将其平均分成Sig_N， 即调用Sig_N个线 程， 每个线 程的线程ID为0～Sig_N ‑1, 各个线程循环计算y_sig[i]、 y_sig[i+N ]、 y_sig[i+N*2] …的值， 直到 数组角标超 过数组长 度Sig_Len， i 为每个线程的ID号， y_sig为保存发射信号的全局变量。 5.根据权利要求4所述的一种基于GPU通用型声纳信号模拟器设计方法， 其特征在于： 所述的步骤S7中阵列信号长度为ZS_Len,将其平均分成ZSN， 其在GPU上的实现过程。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 114266143 A 2一种基于GPU 通用型声纳信号 模拟器设计方 法 技术领域 [0001]本发明涉及水声探测仿真技术领域， 尤其是指一种基于GPU通用型声纳信号模拟 器设计方法。 背景技术 [0002]GPU自1999年由NVIDIA公司推出以来， 由于其强大的运算能力， 得到迅速的发展和 应用。 相对于CPU， GPU的多核系统及并行化结构， 使其拥有并行计算的天然潜力， 因此其数 据传输带宽更大、 计算单元更多、 浮点计算能力也更强， 非常适合大数据吞吐和计算量且同 时多仿真任务并行进行的仿真系统运算需求。 并且通过PCI  Express通信接口， GPU卡可以 非常方便的在多个处理平台移植， 并且具备者非常高的可靠性， 可为水声信号处理提供一 种经济有效的解决方案。 CUDA是英伟达公司推出的GPGPU技术， 它 提供了类似C语言的程序 开发环境， 程序设计更便捷， 可以使得众多的GPU处理核心同步协调的执行数据并行计算， 其处理速度和性能最高可达 到传统CPU 串行执行方式的上 百倍。 [0003]随着国家环境和国民生活需求， 在海洋或河流环境探测应用与国民经济发展中， 能够对水下目标或者水底地貌进 行精确探测与捕获变得极为重要。 然而声纳系统在实际应 用中是一项系统而复杂的工程， 无论从工业实现阶段还是进行实地试验阶段， 都具有十分 庞大且复杂的工作量。 很多资料表明， 对于具有一定复杂程度的声纳， 目前发达国家的研制 周期大约为2～5年， 而我国约为5～10年。 同时， 从20世纪80年代 起， 几乎每台新型声纳的研 制同时都研制一款对应的声纳信号模拟 器。 所谓的声纳信号模拟 器是指在虚拟海洋环境中 与虚拟科研考察情况下， 实时产生声纳传感器所接 收的信号。 阵信号包括多个目标 的辐射 噪声或回波信号、 海洋环境噪声等声纳接收全信号。 声纳阵元域仿 真可用于声纳 装备测试、 模拟训练与科研考察研究等。 为了有效缩短声纳研制周期， 节省研制经费， 设计一种通用型 声纳模拟器的设计方法是非常有必要的。 [0004]为了满足模拟器的不 同应用场景， 所设计 的模拟器需要具备实时、 开放及可复用 的特征。 实时的含义是指声纳全信号仿 真生成的速度要与声纳信号处理速度关联。 因此， 仿 真系统必须是一个高效的并行 处理系统， 其整体吞吐率要能支持多达几百路的复杂信号计 算， 且最高信号频率可达100kHz。 开放的含义是指仿 真的主要对象(目标、 声纳运载平台、 声 纳、 海洋环境)的属性可由使用者在任务启动前选定， 或由操作者在任务过程中修订。 这就 要求仿真系统是可重配置的， 且不断地进行适应性维护以满足新的需求。 可复用的含义是 指在保持各主要对象间复杂逻辑关系的前提下， 可以方便地对它们的属性与方法进行扩展 与修订。 例如， 随着技 术发展， 声纳的功能、 性能参数及波形不可避免地需要重 定义。 [0005]为了满足模拟器的实时、 开放及可复用的特征， 模拟器系统必然具备数据吞吐量 和运算量大的特点， 若要提升系统性能、 减小运算时间、 依靠基于CPU或单核的DSP的传统串 行算法的计算已不 适应对于复杂环境、 多任务、 大规模数据处 理的需求。说　明　书 1/4 页 3 CN 114266143 A 3