一种水声垂直矢量阵列声呐的多目标模拟方法、装置及声呐与流程

本发明属于海洋工程技术领域，尤其涉及一种水声垂直矢量阵列声呐的多目标模拟方法、装置及声呐。

背景技术：

垂直矢量阵列声呐进行设备调试时需要在水中进行，在没有水池等实验环境，或者低频对水池尺度环境要求较高时，设备调试将无法完成。这些实验条件的限制给垂直矢量阵列声呐的调试工作造成了很大的困难。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种水声垂直矢量阵列声呐的多目标模拟方法、装置及声呐，对垂直矢量阵列声呐方位估计过程的多个目标信号进行模拟，可以不必进行水池调试，而完成垂直矢量阵列声呐干端整体设备的陆上调试工作。

本发明提供了一种水声垂直矢量阵列声呐的多目标模拟方法，包括：

步骤一：获取与多目标情况、水声环境及矢量水听器阵列相关的参数条件；

步骤二：基于获取的参数条件以及水下空间波束矢量阵列模型，仿真构造水声垂直矢量阵列声呐接收的加性多目标信号、背景噪声及乘性多目标信号；

步骤三：基于构造的加性多目标信号、背景噪声及乘性多目标信号仿真构造用于输入水声垂直矢量阵列声呐的单帧多目标仿真信号。

进一步地，步骤一中，与多目标情况相关的参数条件包括当前帧的径向距离、水平角、俯仰角、声源级、基频与谐波数中的多个；与水声环境相关的参数条件包括当前帧的频带内环境噪声级、传播损失；与矢量水听器阵列相关的参数条件包括阵元数、阵元间距、声压和振速通道的灵敏度和放大级、采样率、每帧采样时长中的多个。

进一步地，步骤二包括：

基于水下空间波束矢量阵列模型，以及目标位置和声源级参数，获得水声垂直矢量阵列声呐在湿端接收的加性多目标信号；

仿真构成水下宽带连续谱背景噪声；

基于水下空间波束矢量阵列模型，以及水下宽带连续谱背景噪声调制多频分量的频率，得到乘性多目标信号。

进一步地，仿真构成水下宽带连续谱背景噪声的过程包括：

1)按设定频率响应滤波器，对期望的幅度响应频率进行插值，对插值响应序列进行傅里叶反变换，得到理想滤波器的单位脉冲响应；

2)对单位脉冲响应进行截短处理，得到fir滤波器的系数；

3)将具有恒定功率谱的归一化高斯白噪声序列输入该滤波器，得到具有期望的功率谱形状的宽带连续谱背景噪声。

进一步地，步骤三包括：

基于步骤二构造的加性多目标信号、背景噪声及乘性多目标信号，结合阵列灵敏度和放大级，获得垂直矢量阵列声呐接收的整体多目标信号，即为单帧多目标仿真信号。

本发明还提供了一种水声垂直矢量阵列声呐的多目标模拟装置，包括：

获取模块，用于获取当前帧的与多目标情况、水声环境及矢量水听器阵列相关的参数条件；

多目标信号及背景噪声构造模块，用于基于获取的参数条件以及水下空间波束矢量阵列模型，仿真构造水声垂直矢量阵列声呐接收的加性多目标信号、背景噪声及乘性多目标信号；

单帧多目标仿真信号构造模块，用于基于构造的加性多目标信号、背景噪声及乘性多目标信号仿真构造用于输入水声垂直矢量阵列声呐的单帧多目标仿真信号。

进一步地，多目标信号及背景噪声构造模块用于：

基于水下空间波束矢量阵列模型，以及当前帧的目标位置和声源级参数，获得垂直矢量阵列声呐在湿端接收的加性多目标信号；

仿真构成水下宽带连续谱背景噪声；

基于水下空间波束矢量阵列模型，以及水下宽带连续谱背景噪声调制多频分量的频率，得到乘性多目标信号。

进一步地，多目标信号及背景噪声构造模块以如下方式仿真构成螺旋桨空化噪声：

1)按设定频率响应滤波器，对期望的幅度响应频率进行插值，对插值响应序列进行傅里叶反变换，得到理想滤波器的单位脉冲响应；

2)对单位脉冲响应进行截短处理，得到fir滤波器的系数；

3)将具有恒定功率谱的归一化高斯白噪声序列输入该滤波器，得到具有期望的功率谱形状的宽带连续谱背景噪声。

进一步地，单帧多目标仿真信号构造模块用于：

基于步骤二构造的加性多目标信号、背景噪声及乘性多目标信号，结合阵列灵敏度和放大级，获得垂直矢量阵列声呐接收的整体多目标信号，即为单帧多目标仿真信号。

本发明还提供了一种声纳，包括上述的多目标模拟装置。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

通过该水声垂直矢量阵列声呐的多目标模拟方法、装置及声呐，对垂直矢量阵列声呐方位估计过程的多个目标信号进行模拟，可以不必进行水池调试，而完成垂直矢量阵列声呐干端整体设备的陆上调试工作。

附图说明

图1是垂直矢量阵列示意图；

图2是本发明利用水下空间波束矢量阵列模型实现单帧多目标仿真信号的构造流程图；

图3是本发明水声垂直矢量阵列声呐在湿端接收的加性多目标信号仿真图；

图4是本发明水声垂直矢量阵列声呐在湿端接收的宽带连续谱噪声信号仿真流程图；

图5是本发明水声垂直矢量阵列声呐在湿端接收的宽带连续谱噪声信号仿真图；

图6是本发明水声垂直矢量阵列声呐在湿端接收的乘性多目标信号仿真图；

图7是本发明水声垂直矢量阵列声呐在湿端接收的整体多目标信号仿真图；

图8是本发明多目标模拟器实现流程图。

具体实施方式

下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。

本实施例提供了本发明提供了一种水声垂直矢量阵列声呐的多目标模拟方法，包括：

步骤一：获取与多目标情况、水声环境及矢量水听器阵列相关的参数条件；

步骤二：基于获取的参数条件以及水下空间波束矢量阵列模型，仿真构造水声垂直矢量阵列声呐接收的加性多目标信号、背景噪声及乘性多目标信号；

步骤三：基于构造的加性多目标信号、背景噪声及乘性多目标信号仿真构造用于输入水声垂直矢量阵列声呐的单帧多目标仿真信号。

通过该水声垂直矢量阵列声呐的多目标模拟方法，对垂直矢量阵列声呐方位估计过程的多个目标信号进行模拟，可以不必进行水池调试，而完成垂直矢量阵列声呐干端整体设备的陆上调试工作。

在本实施例中，步骤一中，与多目标情况相关的参数条件包括当前帧的径向距离、水平角、俯仰角、声源级、基频与谐波数中的多个；与水声环境相关的参数条件包括当前帧的频带内环境噪声级、传播损失；与矢量水听器阵列相关的参数条件包括阵元数、阵元间距、声压和振速通道的灵敏度和放大级、采样率、每帧采样时长中的多个。

在本实施例中，步骤二包括：

基于水下空间波束矢量阵列模型，以及目标位置和声源级参数，获得水声垂直矢量阵列声呐在湿端接收的加性多目标信号；

仿真构成水下宽带连续谱背景噪声；

基于水下空间波束矢量阵列模型，以及水下宽带连续谱背景噪声调制多频分量的频率，得到乘性多目标信号。

在本实施例中，仿真构成水下宽带连续谱背景噪声的过程包括：

1)按设定频率响应滤波器，对期望的幅度响应频率进行插值，对插值响应序列进行傅里叶反变换，得到理想滤波器的单位脉冲响应；

2)对单位脉冲响应进行截短处理，得到fir滤波器的系数；

3)将具有恒定功率谱的归一化高斯白噪声序列输入该滤波器，得到具有期望的功率谱形状的宽带连续谱背景噪声。

在本实施例中，步骤三包括：

基于步骤二构造的加性多目标信号、背景噪声及乘性多目标信号，结合阵列灵敏度和放大级，获得垂直矢量阵列声呐接收的整体多目标信号，即为单帧多目标仿真信号。

本实施例还提供了一种水声垂直矢量阵列声呐的多目标模拟装置(模拟器)，包括：

获取模块，用于获取当前帧的与多目标情况、水声环境及矢量水听器阵列相关的参数条件；

多目标信号及背景噪声构造模块，用于基于获取的参数条件以及水下空间波束矢量阵列模型，仿真构造水声垂直矢量阵列声呐接收的加性多目标信号、背景噪声及乘性多目标信号；

单帧多目标仿真信号构造模块，用于基于构造的加性多目标信号、背景噪声及乘性多目标信号仿真构造用于输入水声垂直矢量阵列声呐的单帧多目标仿真信号。

通过该水声垂直矢量阵列声呐的多目标模拟装置，对垂直矢量阵列声呐方位估计过程的多个目标信号进行模拟，可以不必进行水池调试，而完成垂直矢量阵列声呐干端整体设备的陆上调试工作。

在本实施例中，多目标信号及背景噪声构造模块具体用于：

基于水下空间波束矢量阵列模型，以及当前帧的目标位置和声源级参数，获得垂直矢量阵列声呐在湿端接收的加性多目标信号；

仿真构成水下宽带连续谱背景噪声；

基于水下空间波束矢量阵列模型，以及水下宽带连续谱背景噪声调制多频分量的频率，得到乘性多目标信号。

在本实施例中，多目标信号及背景噪声构造模块以如下方式仿真构成螺旋桨空化噪声：

1)按设定频率响应滤波器，对期望的幅度响应频率进行插值，对插值响应序列进行傅里叶反变换，得到理想滤波器的单位脉冲响应；

2)对单位脉冲响应进行截短处理，得到fir滤波器的系数；

3)将具有恒定功率谱的归一化高斯白噪声序列输入该滤波器，得到具有期望的功率谱形状的宽带连续谱背景噪声。

在本实施例中，单帧多目标仿真信号构造模块用于：

基于步骤二构造的加性多目标信号、背景噪声及乘性多目标信号，结合阵列灵敏度和放大级，获得垂直矢量阵列声呐接收的整体多目标信号，即为单帧多目标仿真信号。

本实施例还提供了一种声呐，包括上述的水声垂直矢量阵列声呐的多目标模拟装置。

下面对本发明作进一步详细说明。

用于水声垂直矢量阵列声呐的多目标模拟方法，包括如下步骤：

1、首先基于实际情况，给出具有一定帧数的三类参数条件，包括：

1)多目标情况：径向距离，水平角，俯仰角，声源级，基频与谐波数等；

2)水声环境：频带内环境噪声，传播损失等；

3)矢量水听器阵列：阵元数，阵元间距，声压、振速通道灵敏度和放大级，采样率，每帧采样时长。

然后将上述三类参数条件输入到模拟器中。

2、仿真构造出合适的多目标加性信号sadd()

利用模拟器分析输入参数，并进一步模拟出水声垂直矢量阵列声呐接收的多目标信号。多目标信号的构造是该模拟方法的中心。这涉及到水下空间波束矢量阵列模型的建立。

水下空间波束矢量阵列模型建立方法如下：

1)水听器垂直矢量阵列示意图如图1所示，m元等间距垂直阵列的矢量阵元为c1，c2，cm，阵元间距d，每个矢量阵元由1个声压通道p和3个正交振速通道vx、vy、vz构成。整体矢量阵列通道数为4m。

2)目标s0在xoy平面上的投影为s′0，以矢量阵列位置c1为空间原点的目标s0位置向量为：

sx1＝rcos(pit)cos(azi)；

sy1＝rcos(pit)sin(azi)；

sz1＝rsin(pit)；

目标s0发出以f0为基频的信号e(t)＝sin(2πf0t)，矢量阵元c1接收到的4通道理想加性信号可表示为：

p1＝e(t)；

vx1＝cos(pit)cos(azi)e(t)；

vy1＝cos(pit)sin(azi)e(t)；

vz1＝sin(pit)e(t)；

而对于c1，c2...，cm等各矢量阵元间声压信号的相互关系，则表示为第m个阵元相对于参考1阵元的延时τm。具体为：

p1＝e(t)

p2＝e(t+τ2)

……

pm＝e(t+τm)；

其中，涉及到远场近似条件，得到：

τm＝(xmcos(pit)cos(azi)+ymcos(pit)sin(azi)+zmsin(pit))/c；

[xm，ym，zm]为矢量阵元cm的空间位置。图2示出了利用水下空间波束矢量阵列模型实现单帧多目标仿真信号的构造流程图。

3)基于水下空间波束矢量阵列模型建立方法步骤1)、2)的公式，以及目标位置和声源级参数，获得垂直矢量阵列声呐在湿端接收的加性多目标信号：

其中，sadd()为第m个阵元的4个矢量通道信号，a()为各目标谐波作用于各矢量阵元的幅度系数，ntar为多目标的个数，nharm为某目标的谐波个数。图3示出了垂直矢量阵列声呐在湿端接收的加性多目标信号仿真图。

3、仿真构造出合适的背景噪声snoi()和多目标乘性信号smulti()

螺旋桨噪声、机械噪声和水动力噪声作为水声舰船的三类噪声成分中，螺旋桨空化噪声是舰船噪声高频端的主要部分，也是舰船目标叶片数、转数、桨数及类型识别的主要信息源。考虑到舰船噪声调制谱谐波特征是螺旋桨空化噪声周期性起伏的频域反映，其余噪声影响很小，因此背景噪声建模忽略其余噪声，只考虑螺旋桨空化噪声。

宽带连续谱背景噪声信号仿真如图4所示。仿真过程为：

1)按特定频率响应滤波器，首先对期望的幅度响应频率进行插值，然后对插值响应序列进行傅里叶反变换，得到理想滤波器的单位脉冲响应。

2)对单位脉冲响应进行截短处理，得到fir滤波器的系数。最后，将具有恒定功率谱的归一化高斯白噪声序列输入该滤波器，即可得到具有期望的功率谱形状的宽带连续谱背景噪声snoi()，如图5所示。

多目标乘性信号的仿真主要考虑利用上述sadd()构造方法，不同在于声源级和目标谐波频率分量的设置。考虑到当水流流过螺旋桨时，可以在螺旋桨噪声中产生单频分量，它由线谱系列构成，其频率为：

fm＝m*n*s；

其中，fm是叶片速率线谱系列的第m次谐波；n是螺旋桨叶片数；s是螺旋桨转速。因此基于fm的参数设置，利用水下空间波束矢量阵列模型可以得到多目标乘性信号smulti()，如图6所示。

4、仿真构造出整体多目标信号sig()

基于步骤1、2、3，水声垂直矢量阵列声呐的多目标模拟信号可表示为：

sig＝sadd+snoi+snoi*smulti；

再结合阵列灵敏度和放大级，就可以获得垂直矢量阵列声呐接收的整体多目标信号sigall()。具体单帧k个目标仿真信号如图7所示。

5、水声垂直矢量阵列声呐对多目标信号进行处理

通过多目标模拟器发给水声垂直矢量阵列声呐的多目标模拟信号(单帧多目标仿真信号)，再通过目标lofar、demon等谱分析，特征检测和方位处理算法计算出多目标的方位结果，结果可以以图像形式显示出来。具体多目标模拟器实现流程如8所示。

本实施例提供的水声垂直矢量阵列声呐的多目标模拟方法具有如下技术效果：

(1)实现了水声垂直矢量阵列声呐调试工作在陆上进行，节省了水中调试成本。也为批量调试提供了便利。

(2)多目标信号的模拟较为逼真，可以在水声垂直矢量阵列声呐探测范围内仿真出理想的多个目标声信号，特别是可以仿真获得多个相干目标声信号，这为水声垂直矢量阵列声呐的研制提供方法测试和理论支持。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。