軟件聲納的目標自動跟蹤系統建模

摘 要:數字聲納軟件化是未來水聲裝備發展的必然趨勢。這里依照軟件聲納的內涵，應用模型驅動的體系結構研究數字聲納的目標自動跟蹤系統，進行系統的平臺無關模型建模，對其主題事務進行了高相關性、低耦合性的域分層，且各層有較高的可復用性。在轉化驅動規則下從平臺無關模型轉化為平臺相關模型，運用xUML(可執行統一建模語言)在該轉換規則下在計算機上完成了軟件的仿真，并對模擬目標進行自動跟蹤，實現了目標自動跟蹤系統的功能，為軟件聲納的進一步發展提供了一定的參考意義。這里將軟件聲納的概念運用于目標自動跟蹤系統的軟件開發，運用模型驅動架構開發符合軟件聲納要求的軟件，證明了軟件聲納在聲納系統開發中的可行性。

關鍵詞:軟件聲納; 模型驅動體系結構; 平臺無關模型; 主題事務

中圖分類號:TN929 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)14-0073-03

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

ZENG Jin-song1， ZHU Yan2， YAO Shan-liang2

(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]

數字信號處理技術的快速發展使聲納電子設備(通常指干端設備)實現了以通用DSP為核心，數字聲納系統逐漸“軟件化”。隨著聲納信號處理、海洋聲學模式與水聲物理模型的結合，以及聲納空時頻性能與技術指標的不斷進步，聲納系統軟件的規模與復雜度迅速膨脹，聲納的發展不能僅停留在硬件標準化，應該超越“軟件化”聲納，發展成為軟件聲納。其中，蔡志明等提出了較為完善的軟件聲納內涵及研究方向[2]。

軟件聲納(software-defined sonar)的內涵主要應包括以下2方面:

(1) 在水聲換能器與水聽器陣(可能有多個)所能提供的全頻段范圍內，主要以軟件形式設置并實現聲納功能，也就是說，聲納設計是面向多功能、與硬件無關的(目前主要指干端)。

(2) 根據聲納檢測定位的判決情況，可通過算法自適應地改變聲納系統參數(如主動聲納的重復發射周期或測程等)，使系統使用性能最優化。而且，這種改變是在系統運行過程中完成的，無需重新引導、下載或啟動。

本文根據軟件聲納的理論，按照軟件工程的思想，用模型驅動架構(MDA)方法，對目標自動跟蹤系統進行分析，運用可執行統一建模語言(xUML)建立平臺無關模型(PIM)，并運用系統化的規則映射為平臺相關模型(PSM)，在此基礎上完成該系統的設計與仿真軟件。

1 模型驅動體系結構介紹[1-2]

模型驅動體系結構(MDA)開發是針對分布式應用或系統的功能和行為，它將實現細節與軟件功能分開，這樣就無需在每次新技術革新時對應用程序或系統的功能和行為重新建模。從平臺無關模型(platform independent model，PIM)到MDA所支持平臺上的平臺相關模型(platform specific model，PSM)的映射將會由轉換規則來實現。

平臺無關模型(PIM)獲取和表達了所建立系統的所有需求。它包含了對系統的所有規約，但是中立于任何實現平臺。平臺相關模型(PSM)包含了所有在PIM中表示的功能，并且添加了針對實現平臺的設計思想。PSM用兩種主要的方法表示:用UML表示的設計模型和用某一種語言(如C++)描述的具體實現?？蓤绦薪y一建模語言(xUML)是MDA的一種關鍵技術，其在UML的基礎上加入了動作語義進行增強，即是核心UML加上動作語義，用它可以建立可執行PIM。

2 目標自動跟蹤系統建模

2.1 目標自動跟蹤系統原理

如圖1所示，當目標以角速度ωb運動，波束以角速度ω轉動，它們之間失調角為α。目標噪聲被基陣接收后，通過水平波束和垂直波束形成，產生左、右兩路波束信號。再經雙通路放大被加到正交相關檢測電路輸入端。正弦相關檢測電路依照其測向特性輸出失調電壓Uα，如圖2所示。失調電壓Uα一路經加法器去直接控制目標跟蹤執行驅動器，另一路被加到目標跟蹤速度驅動器。目標跟蹤速度驅動器產生與目標角速度ωb成正比的輸出電壓Uωb，也通過加法器加到目標跟蹤執行驅動器。所以目標自動跟蹤執行驅動裝置是在失調電壓Uα和與目標角速度成正比的控制電壓Uωb作用下，使波束向減小失調角α的方向轉動。當失調角α=0時，失調電壓Uα=0，波束則在Uωb作用下繼續以恒角速度ωb下旋轉，始終跟上目標運動，從而實現目標跟蹤。

圖1 目標自動跟蹤系統的功能框圖

2.2 目標自動跟蹤系統PIM建模

在以代碼為中心的軟件開發過程中，一種常用的方法是以基于功能的思想來進行系統初始分解。但這種分解存在一些缺陷，系統容易受到不斷變化技術(如變化的工具語言、用戶接口技術、數據庫等)的影響;系統對隨時間而變化的需求存在不穩定性;將各個功能部分集成為最終系統時有高風險性。相對于基于功能分解，主題事務的分解策略可以實現MDA方法的所有優點。

主題分解的基礎是意識到任何系統都是由一系列主題(或域)所組成的。這些單元將被用作分解系統分析工作量的基礎。每一個域表示整個系統中一個獨立的主題事務，由一系列類組成，并用UML中的一個包來表示。如圖3所示，根據主題事務的分解原則對目標自動跟蹤系統進行PIM建模，即由其最基本的域及相互依賴關系組成。

圖2 圖2 正交相關檢測器測向特性與速度

驅動器Uωb~ ωb關系曲線

圖3 目標自動跟蹤系統的MDA建模

應用域從最終系統軟件的視角表示系統，其與最初的用戶需求最接近、最匹配。在服務域中，按照軟件工程中最小耦合的方法對其分層，將通用性較高的模塊(如顯示控制部分)放在域層次結構的底部，而比較特殊的信號處理部分放在域層次結構的頂部，以達到在其他系統中可以復用顯示控制模塊的目的。體系結構域和它的支撐域一起提供了一個xUML虛擬機，為系統最終轉換為PSM模型奠定了基礎，其與從xUML模型到目標代碼轉化過程緊密相聯。實現域中選擇VC++和DSP技術構造Windows操作系統下的目標自動跟蹤系統，算法流程如圖4所示。

3 目標自動跟蹤系統仿真軟件及結果

在從PIM模型向PSM模型轉換的工程中采用了轉換驅動開發，這種方法區別于傳統開發方法和模式驅動開發方法，將對目標自動跟蹤系統的分析方法和將用于實現系統的解決方案分離出來。連接兩個不同主題事務的方式是建立在xUML分析結構到它們的解決方案的系統的、完整的轉換規則。因xUML有精確的可執行語義支撐，可以為這些語義指定一個抽象的實現，而不考慮具體的應用。目標自動跟蹤系統軟件如圖5所示為在PC上進行的該系統軟件仿真，可自動跟蹤3個目標，并同時以時間-方位的瀑布圖形式顯示在3個分隔欄內，同時可以實現存檔、查詢，打印目標，以及檢測、診斷功能。

圖4 目標自動跟蹤系統算法

圖5 目標自動跟蹤系統軟件

圖6所示為在模擬目標下的系統仿真結果，橫坐標表示目標方位，縱坐標表示時間歷程，可以看到在背景均衡處理后目標從-10°運動到-50°，目標越近瀑布圖顯示的亮度越高，實現了運動目標自動跟蹤的功能，在MDA建?；A上實現了目標自動跟蹤系統軟件的仿真。

4 結 語

該目標自動跟蹤系統設計采用模型驅動的體系結 構(MDA)，從平臺無關模型(PIM)轉換為平臺相關模型(PSM)，將系統的指標參數與實現技術分離開來。一方面PIM設計可以專注于系統的邏輯設計，不需要考慮具體的實現技術;另一方面，有關系統實現的技術被表示為模型轉換規則。從而該系統可以在用戶需求改變或技術方法革新后直接從PIM模型開發軟件，有較高的可復用性、易理解性、更高的軟件質量、較低的軟件開發費用，縮短了軟件開發周期，為推進軟件聲納發展提供了一定的參考意義。

圖6 目標自動跟蹤仿真結果

參考文獻

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