一种仿海豚主动脉冲信号建模方法与流程

本发明涉及一种仿海豚主动脉冲信号建模方法。

背景技术：

海豚(Bottlenose Dolphin)是齿鲸亚目海豚科的一种，它是海洋中分布最广、人类研究和认识最多的海豚之一。海豚的声呐系统经过千百万年的自然选择和进化，具有非常优异的目标和环境感知能力和抗干扰能力。通过声呐系统发出的click信号(咔哒声)，它们能够完成种群个体的识别、定位、导航、避障、猎食和躲避天敌等各种复杂任务。

当前声纳系统在进行目标探测时，主要采用单频和调频等脉冲信号，采用固定的探测模式，难以适应水下环境和目标的不断改变。随着国内外对海豚等海洋哺乳动物的发生机理、以及利用声纳进行探测的行为研究和理解的不断深入，使模仿海豚进行水下目标探测成为可能。海豚能够通过其独特的发声机构和聪明的大脑，根据目标任务和环境的变化，改变发射波形，实现最佳的目标探测。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种用于仿海豚自适应探测系统的仿海豚主动脉冲信号建模方法。

本发明的目的是这样实现的：

通过将常规的单频、线性调频、双曲调频等脉冲信号作为种子信号，通过时延和加权叠加，再通过高斯窗，通过参数控制创建具有不同频谱分布的仿海豚主动脉冲信号，为实现目标和环境自适应的仿生探测系统提供发射信号。具体的方案如下：

(1)选择脉冲种子信号：可根据任务目标，从单频、线性调频、双曲线性调频和瑞利脉冲中选择一种或多种脉冲作为分量种子信号；

(2)确定仿声信号的分量数和频谱分布：分量数可取任意数目，为简化起见可取2-3个；频谱的能量分布主要考虑目标探测时关注的是低频部分还是高频部分，从而给出合适的加权；

(3)将各分量时延和加权后线性叠加；

(4)将叠加结果通过高斯包络。

具体的公式如下：

其中，w_i是相对的幅度，p_i是合成信号的子脉冲分量，τ_i是脉冲之间的时间延迟,T是脉冲周期，N是合成信号中子脉冲信号的个数。

用本发明的模型创建的主动脉冲信号具有宽带、短脉宽的特点，多个子脉冲分量之间具有特定的时延，通过子分量类型、频带、加权和时延的设置，可以创建具有特定频谱分布的脉冲信号；创建的主动脉冲信号可以单独发射，可以组合成一串发射。

本发明的有益效果在于：本发明输出的合成信号的频谱分布，可通过调整权系数和时延获得，采用一定的自适应机制，可以获得最佳的探测波形，可有效改善传统的固定探测模式下的探测性能受限环境和目标改变的缺陷。需要指出的是，对click信号的仿真，不是完全照搬海豚的信号，而是借用其思想，其波形、频率分布和相关参数可以根据需要调整。创建的主动脉冲信号可以单独发射，可以组合成一串发射。

附图说明

图1为仿海豚click信号建模示意图。

图2为仿海豚click信号仿真时域波形。

图3为仿真信号的频谱。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明提供一种仿海豚主动脉冲信号建模方法，将常规脉冲信号作为种子信号，通过加权和延时将多个种子分量叠加在一起，仿照海豚click信号的频谱能量分布，创建具有宽带、短脉宽的多分量仿海豚click信号，为建立仿海豚自适应探测的声纳系统提供发射信号。该模型的关键点包括：(1)仿海豚的主动脉冲信号是由多个常规脉冲信号(CW,LFM,HFM等)按照一定的加权和时延叠加而成的。(2)根据不同的探测目标和环境选择频带分布；(3)由于脉冲种子的不同，创建的仿海豚click信号也具有种子信号的相关特性。由于该模型产生的脉冲信号可以由任意组合的参数控制，即可单独发射，也可组合发射，可为仿生探测系统提供几乎无限的探测信号，以适应探测目标和环境。

如图1所示的模型示意图，以三个子分量的click脉冲信号为例进行说明，具体步骤如下：

1.分别以LFM、HFM和CF脉冲信号作为种子信号，创建click信号，各分量之间的时延为τ_i＝20us,i＝1…2，τ₀＝0；

2.设定分量个数N＝3，各分量的频谱分布脉冲周期参数如表1所示：

3.权系数w_i＝1,i＝0…2,对各分量按照如下公式进行叠加运算：

当分量信号为LFM时，子脉冲分量信号p_i可表示为：

当分量信号为CF时，子脉冲分量信号p_i可表示为：

当分量为HFM时，子脉冲分量信号p_i可表示为：

其中f_L和f_H分别为个子分量信号的下限频率和上限频率，B为分量的带宽。

4.将3中线性叠加的结果与高斯信号相乘，即：

其中高斯函数的参数u＝1。

图2给出了表1所示对应参数click信号时域仿真结果，图3给出了图2对应信号的频谱，频谱分布的不同，表示探测需要关注不同的频带。

Click信号的子脉冲分量可以采用相同的脉冲类型，也可采用不同脉冲类型，分量数可根据需要设置，频率分布也可根据实际发射换能器的具体指标和探测距离进行合理选择。另外，Click信号合成除了采用上述数字叠加的方法外，也可使用具有不同频率指标的换能器基阵，每个换能器发射一个分量，在水下声场环境中叠加，当然这又涉及基阵相关参数的设计。

表1各分量参数