一种被动声纳阵列信号仿真中的海洋信道仿真方法
【专利摘要】本发明公开了一种被动声纳阵列信号仿真中的海洋信道仿真方法，包括以下步骤：第一步：在主机中加载实测海洋环境参数；第二步：在主机端利用Bellhop软件包生成实测海洋环境下的海洋信道脉冲响应序列库；第三步：主机从DSP板读取水声目标运动坐标，每次读取水声目标运动坐标后，主机测算当前的海洋信道脉冲响应序列，然后更新水声目标辐射噪声信号到达各个阵元的海洋信道脉冲响应序列，再通过总线将当前的海洋信道脉冲响应序列加载进DSP板；通过主机每隔L个采样间隔从DSP板读取一次水声目标运动坐标，在DSP板上获得实时的海洋信道脉冲响应序列。该仿真方法可完成对水声传播信道的实时仿真，同时确保仿真精度。
【专利说明】一种被动声纳阵列信号仿真中的海洋信道仿真方法
【技术领域】
[0001]本发明属于信号处理领域，具体来说，涉及一种被动声纳阵列信号仿真中的海洋信道仿真方法。
【背景技术】
[0002]声波水下信息传递最有效的载体形式，但是海洋信道复杂多变，包括传播损失，多径效应，多普勒效应等等。此外，海洋信道还随着时间和空间的变化而变化，例如北海的海洋信道和南海的不同，北海海洋信道在不同季节、不同气候和不同时间点的海洋信道也不一样。BELLHOP射线模型是一种常见的海洋信道模型，其在高频和复杂环境下具有计算效率上的绝对优势，同时由于射线模型中的声线方程与信号频率无关，在宽带模拟时只需要求解一次射线轨迹，大大简化了计算量。
[0003]在对此方法的研究和实践过程中，本发明的发明人发现:利用BELLHOP射线模型生成的本征声线条数很多，但是选取的本征声线条数过多不利于海洋信道的实时仿真，选取的本征声线条数过少又会降低仿真的精度。另外，以每个采样间隔逐次计算海洋信道脉冲响应序列，固然保证了水声阵列信号仿真的准确性，但是达不到信号仿真实时性的要求。
【发明内容】
[0004]技术问题:本发明所要解决的技术问题是:提供一种被动声纳阵列信号仿真中的海洋信道仿真方法，该仿真方法通过主机和DSP的交互完成对水声传播信道的实时仿真，且同时确保仿真精度。
[0005]技术方案:为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是:
[0006]一种被动声纳阵列信号仿真中的海洋信道仿真方法，该仿真方法包括以下步骤:
[0007]第一步:在主机中加载实测海洋环境参数，实测海洋环境参数包括声速曲线、信号源的水平位置和垂直深度、波束的出射开角、波束传播的最远距离和最大深度、海底系数、海面系数和海洋环境的中心频率；
[0008]第二步:基于第一步中的实测海洋环境参数，在主机端利用Bellhop软件包生成实测海洋环境下的海洋信道脉冲响应序列库；
[0009]第三步:主机从DSP板读取水声目标运动坐标，每次读取水声目标运动坐标后，主机根据水声目标的当前坐标和各个阵元的坐标获取水声目标辐射噪声信号到达各个阵元的本征声线，测算当前的海洋信道脉冲响应序列，然后更新水声目标辐射噪声信号到达各个阵元的海洋信道脉冲响应序列为当前的海洋信道脉冲响应序列，再通过总线将当前的海洋信道脉冲响应序列加载进DSP板；通过主机每隔L个采样间隔从DSP板读取一次水声目标运动坐标，在DSP板上获得实时的海洋信道脉冲响应序列；L的取值范围为128 — 512之间的整数。
[0010]进一步，所述的第三步中，根据水声目标的当前坐标和各个阵元的坐标，主机获取水声目标辐射噪声信号到达各个阵元的本征声线，当从不同水声目标位置传播到不同阵元的本征声线小于m条时，选出所有本征声线作为主机获取的水声目标辐射噪声信号到达各个阵元的本征声线，当本征声线大于或等于m条时，将所有的本征声线按照幅度衰减降序排列，筛选出前m条本征声线作为主机获取的水声目标辐射噪声信号到达各个阵元的本征声线，m为10-20之间的整数。
[0011]进一步，所述的第三步中，测算当前的海洋信道脉冲响应序列的过程是:首先选取布放在海洋中的所有阵元组成的基阵中最靠近几何中心的阵元为参考阵元，假设水声目标在运动过程中以球面波的形式不断的向周围发射辐射噪声信号，则水声目标辐射噪声信号到达各个阵元的传播时延ti为:
[0012]t= (positonarraV1-PositontargJ / c 式⑵
[0013]其中，为第i号阵元的坐标，Positontoget为水声目标的当前坐标，c为海洋中声波传播速度；
[0014]各个阵元的信号到达时间\相对于参考阵元的信号到达时间ti(l的时延差为:
[0015]h -ti0 = (positonarmX1-positonlargJ/c — Qpositonurn^ -positontargJIc 式⑶
[0016]其中，下标iO表示参考阵元的序号，表示参考阵元的坐标；
[0017]水声目标辐射噪声信号从当前坐标到达各个阵元的海洋信道脉冲响应序列Iii (η)为:
【权利要求】
1.一种被动声纳阵列信号仿真中的海洋信道仿真方法，其特征在于，该仿真方法包括以下步骤: 第一步:在主机中加载实测海洋环境参数，实测海洋环境参数包括声速曲线、信号源的水平位置和垂直深度、波束的出射开角、波束传播的最远距离和最大深度、海底系数、海面系数和海洋环境的中心频率； 第二步:基于第一步中的实测海洋环境参数，在主机端利用Bellhop软件包生成实测海洋环境下的海洋信道脉冲响应序列库； 第三步:获得实时的海洋信道脉冲响应序列:主机从DSP板读取水声目标运动坐标，每次读取水声目标运动坐标后，主机根据水声目标的当前坐标和各个阵元的坐标获取水声目标辐射噪声信号到达各个阵元的本征声线，测算当前的海洋信道脉冲响应序列，然后更新水声目标辐射噪声信号到达各个阵元的海洋信道脉冲响应序列为当前的海洋信道脉冲响应序列，再通过总线将当前的海洋信道脉冲响应序列加载进DSP板；通过主机每隔L个采样间隔从DSP板读取一次水声目标运动坐标，在DSP板上获得实时的海洋信道脉冲响应序列；L的取值范围为128 — 512之间的整数。
2.按照权利要求1所述的被动声纳阵列信号仿真中的海洋信道仿真方法，其特征在于，所述的第三步中，根据水声目标的当前坐标和各个阵元的坐标，主机获取水声目标辐射噪声信号到达各个阵元的本征声线，当从不同水声目标位置传播到不同阵元的本征声线小于m条时，选出所有本征声线作为主机获取的水声目标辐射噪声信号到达各个阵元的本征声线，当本征声线大于或等于m条时，将所有的本征声线按照幅度衰减降序排列，筛选出前m条本征声线作为主机获取的水声目标辐射噪声信号到达各个阵元的本征声线，m为10-20之间的整数。
3.按照权利要求1所述的被动声纳阵列信号仿真中的海洋信道仿真方法，其特征在于，所述的第三步中，测算当前的海洋信道脉冲响应序列的过程是:首先选取布放在海洋中的所有阵元组成的基阵中最靠近几何中心的阵元为参考阵元，假设水声目标在运动过程中以球面波的形式不断的向周围发射辐射噪声信号，则水声目标辐射噪声信号到达各个阵元的传播时延t为:
(Positonarmy1-positontargJ! c 式(2) 其中，/7as’/to?amn为第i号阵元的坐标，Positontarget为水声目标的当前坐标，c为海洋中声波传播速度； 各个阵元的信号到达时间\相对于参考阵元的信号到达时间ti(l的时延差为:
K1= (positon1:rim:positonl!ir:{i；) c-(posItonanm -positon^) c 式⑶ 其中，下标iO表示参考阵元的序号，PositGniimn表示参考阵元的坐标； 水声目标辐射噪声信号从当前坐标到达各个阵元的海洋信道脉冲响应序列h (η)为:
4.按照权利要求1所述的被动声纳阵列信号仿真中的海洋信道仿真方法，其特征在于，还包括第四步，将水声目标实时发出的目标辐射噪声信号和海洋信道脉冲响应序列比(η)相卷积，获得实时仿真的被动声纳阵列信号。
5.按照权利要求1所述的被动声纳阵列信号仿真中的海洋信道仿真方法，其特征在于，所述的第二步中，海洋信道脉冲响应序列库是水声目标辐射噪声信号从不同的水声目标位置传播到不同的阵元的本征声线，包括本征声线的数目，每条本征声线的幅度衰减、相移、传播时延、反射次数、折射次数和本征声线到达阵元时的入射角。
6.按照权利要求2所述的被动声纳阵列信号仿真中的海洋信道仿真方法，其特征在于，所述的第三步中，当海洋声速曲线为负声速梯度曲线时，m为10，当海洋声速曲线为均匀声速梯度或正声速梯度曲线时，m为20。
7.按照权利要求1所述的被动声纳阵列信号仿真中的海洋信道仿真方法，其特征在于，所述的第三步中，L为256。
【文档编号】G01S7/539GK103941250SQ201410167065
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年4月23日 优先权日:2014年4月23日
【发明者】方世良, 徐雅南, 安良 申请人:东南大学