基于CUDA的声纳系统仿真技术研究

发布时间：2020-10-22 02:02

　　 声纳仿真系统作为声纳系统开发的一部分,在声纳系统的研究与开发过程中发挥着重要的探索和验证作用,可以利用声纳仿真系统摸索声纳技术新的研究方向,也可以通过声纳仿真系统将研究开发的功能模块进行性能检测。同时随着声纳技术的不断发展,如何提高声纳仿真系统的系统运算性能,逐渐成为研究热点。本文结合当前在高性能计算领域快速发展的GPU计算技术,分别针对声纳仿真系统中的声纳信号仿真和声纳信号处理部分,提出了基于CUDA技术的并行化设计方案。设计并实现了基于CUDA编程模型的声纳仿真系统。首先,本文介绍了典型声纳信号仿真和声纳信号处理的基本原理,对包括舰船辐射噪声、海洋信道、海洋环境噪声的信号仿真及对接收信号的波束形成、单波束LOFAR谱分析和DEMON谱分析的信号处理过程进行了数学建模和仿真,为下面的算法并行化奠定了理论基础。然后对系统性仿真的并行化发展趋势及各领域的仿真系统对并行化的应用进行了总结和分析,并根据本系统的特点和需求探讨GPU计算在本系统中应用的可行性及优势。接下来从系统中频繁调用的4个基本运算单元:傅里叶变换、矩阵运算、循环运算和归约运算,实现了基于CUDA编程模型的并行化,然后进行各模块算法的并行化设计:舰船辐射噪声、海洋环境噪声、阵列接收信号、常规波束形成、LOFAR谱分析和DEMON谱分析,最后设计并实现了系统整体的并行化实现方案。系统的开发平台选择为NVIDIA公司开发的Jetson TX1开发板。在此基础上,根据系统需求设计并开发了相应的显示控制模块和网络传输模块,完善与系统之间的信息交互功能。在系统整体搭建完成后,对其进行了稳定性、准确性和加速性能的测试。通过对测试结果进行统计和分析,本系统可在保证仿真准确性的前提下有效提高系统的仿真效率,为提高声纳系统仿真技术的开发效率打下了基础。
【学位单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：U666.7
【部分图文】：

因此该系统可有效减少开发声纳设备所有阶段有可能遇到的风险，从而减少整合不同系统的所需时间。该公司还开发设计了多种海军战术模拟器，该模拟器可实现在声纳和通信领域一对一或系统对战中，根据实时的战术需求，对作战范围内、所有参与人员和目标进行设置和模拟；为西班牙海军开发并集成了用于扫雷训练系统的声纳和ROV模拟器，在模拟环境中提供舰船作战系统的态势信息和信号传输接口。

因此该系统可有效减少开发声纳设备所有阶段有可能遇到的风险，从而减少整合不同系统的所需时间。该公司还开发设计了多种海军战术模拟器，该模拟器可实现在声纳和通信领域一对一或系统对战中，根据实时的战术需求，对作战范围内、所有参与人员和目标进行设置和模拟；为西班牙海军开发并集成了用于扫雷训练系统的声纳和ROV模拟器，在模拟环境中提供舰船作战系统的态势信息和信号传输接口。

图 2. 1 阵列接收信号仿真流程上图为阵列信号仿真的一般流程，包括舰船辐射噪声的仿真、海洋信道的仿真、环境背景噪声的仿真三个部分。下面将对三个仿真算法分别进行介绍。.2.1 舰船辐射噪声仿真舰船辐射噪声是声纳探测的主要目标信号，此类噪声信号噪声源广泛且噪声强，因此舰船辐射噪声信号的频谱成分较为复杂。其主要来源为舰船(军舰、民用渔船艇、鱼雷等)在运行过程中，各种机械模块均处于工作状态，尤其以推进器为例，器直接与水体接触，产生的机械振动持续向水中辐射，形成声波。由统计结果表明噪声源主要包括[12]：（1）船体机械噪声，主要由舰船上的各种机械(包括主机：动力机、减速器等，机：发电机、泵等)振动产生，期频谱特征主要与舰船类型有关，为舰船辐射噪声频段的主要成分；（2）螺旋桨噪声，主要由螺旋桨上及其附近的空化噪声和由螺旋桨引起的船壳噪声构成，螺旋桨噪声的频谱特征与螺旋桨叶片数和转速有着密切关系；
【参考文献】

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本文编号：2850933