摘要: 相关测速声纳是利用“波形不变性”原理的测速声纳，其通过对回波的理论时空相关函数和数据时空相关函数进行最小二乘拟合或其他优化算法来解算载体速度。搭建一套功能完善、运行稳定、性能可靠的软硬件系统，是相关测速声纳研制工作的最重要环节。软硬件系统的可靠性和稳定性为验证相关测速理论提供了基本保障，是相关测速技术走向应的关键。文研究相关测速声纳软硬件系统的组成结构及设计方法，对于硬件系统和组成软件系统的三部分软件分别进行介绍。
相关测速声纳[1]采用由一个发射阵元和多个接收阵元构成宽波束开角的平面阵，各接收阵元两两之间构成一对空间矢量。发射阵元垂直向下发射延时为某一值时其自相关函数出现峰值的伪随机编码序列脉冲[2][3]。多个接收阵元同时接收回波信号，通过计算各接收阵元两两之间的数据时空相关函数，并套用理论时空相关函数进行最优化拟合，估计出载体( 船舶、潜艇等) 相对海流或海底的速度[4]。
在建立理论体系、完善设计思想和信号处理方法的基础上[5]，可以搭建相关测速声纳的实时工作系统，该系统由硬件和软件两部分组成。硬件系统分为水下分机和水上分机，软系统包括终端软件，控制软件和处理软件。
1 硬件系统设计
相关测速声纳的硬件系统一般包括内置前放和各种传感器的换能器阵、专用水密多芯电缆、模拟分机、SHARC DSP 处理机、数字显示终端等组成，可大致分为 2 部分: ①水下分机，也称为湿端; ②水上的电子机箱，也称为干端。换能器基阵采用均匀阵阵形; 发射机、接收机、通用 SHARC DSP 处理机，再结合数字显示平台，用于完成信号的发射、接收和采集、存储、处理和显示等。另外，整个系统还包括一些辅助设备，比如GPS、电罗经等。图 1 给出了某项目中相关测速声纳的具体硬件组成示意图。
2 软件系统设计
相关测速声纳软件的工作流程如图 2 所示。其中，系统自检在软件系统启动时自动进行，之后软件顺序执行信号发射控制、回波采集、数据处理以及结果的显示和保存等，周而复始。
为了开发维护的方便，我们将相关测速声纳软件系统分为3 部分[6]，如图3 所示: ①终端软件，也称为人机交互软件，用于实现操作人员对系统工作参数的设置、向处理器发送声纳工作控制命令、处理结果的显示以及原始数据的存储等功能; ②控制软件，用于从终端软件接收参数和工作命令、控制声纳系统的硬件协调工作、信号发射和回波数据采集、结果数据整理以及传感器数据接收等功能; ③处理软件，用于发射信号选择、信号检波判断、三维速度估计以及实时信息和控制参数获取等功能。
3 终端软件
相关测速声纳的终端软件与相关测速声纳实时控制和处理软件紧密配合，主要用于实时控制、参数设置以及部分结果的实时显示，其界面如图 4 所示，界面上方为控制设置区，中间部分为数值显示区，下方为波形显示区。终端软件包括控制设置、数值显示、航迹和速度的图形显示等功能。
4 控制软件
控制软件主要用于为相关测速声纳的实时工作提供工作参数以及进行工作任务的选择，包括系统自检控制、信号发射控制、数据采集控制、工作任务分类与选择、数据处理控制等。其中工作任务的分类与选择是声纳实时工作软件顺利运行的关键，流程如图 5 所示。
在任务选择以及数据采集控制中，最主要的是通过软件设置使声纳系统分别采集海底回波数据或者不同深度的流回波数据。底回波数据是声纳系统处于底跟踪模式下采集的主要数据，用于进行载体速度估计，也是本文第六章进行海试数据分析的主要数据源。流回波数据是声纳系统处于流剖面测量模式下采集的主要数据源，用于测量不同深度的流场速度。
5 处理软件
图 6 给出了处理软件工作的简单流程图，主要包括数据初步处理、相关处理和以局域最小二乘为核心的参数分步估计 3 个步骤。数据初步处理是个检波过程，用于获得有效的回波数据，包括各流层回波数据以及底回波数据。可以采用相关判断和信噪比判断两种方法来估计数据的质量。对于测流数据，区分流回波和噪声是判断数据质量的首要任务，可以通过相关判断来区分数据是流回波还是噪声。对于底跟踪数据，干扰包括流回波和噪声，需要同时采用信噪比判断和相关判断来区分噪声和流回波。底回波或者流回波数据通过质量判断后即进入到相关处理阶段和参数分步估计阶段，不再赘述。
6 结束语
搭建完善的软硬件系统是促使相关测速技术走向实用的关键环节。本文对声学所通过多年研究实践获得的相关测速声纳系统硬件系统设计、软件系统设计等方面进行了介绍。由于国家的持续投入，声学所十多年来研制相关测速声纳，理论和技术趋于成熟，研制了不同频率的多台样机，通过多次海上试验验证了样机的性能。
参 考 文 献
[1]王长红，邱薇，汪玉玲，等 . 大深度声相关流速剖面仪样机研制 . 声学技术，2002; 21 卷增刊: 421 -422
[2]冯雷，王长红，汪玉玲，等 . 相关测速声纳工作原理及海试验证 . 声学技术，2005; 24( 2) : 70 -75
[3]朱维庆，冯雷，王长红，等 . 声相关流体速度测量理论和信号处理方法 . 声学学报，2007; 32( 2) : 144 -150
[4]Dickey Jr F R，Edward J A. Velocity measurement using correlation sonar. Proceedings of the IEEE Conference on Position Loca-tion and Navigation，San Diego，USA，1978. 255 - 264
[5]S. E. Bradley，K. L. Deines and F. D. Rowe. Acoustic correlation current profiler. IEEE J. Ocean. Eng. ，1991，16( 4) :408 -414
[6]冯雷 . 相关测速声纳理论、信号处理研究及海试验证 . 中国科学院声学研究所博士学位论文，2005. 15 -16
