一种声纳目标模拟器实时仿真软件的设计方法与流程

本发明涉及声纳仿真数据处理，尤其是指一种声纳目标模拟器实时仿真软件的设计方法。

背景技术：

1、随着海洋开发和声纳技术的飞速发展，对于声纳设备的研究不断深入。但受试验复杂性和高成本的影响，在消声水池、湖泊或海洋中开展试验难度增大。普通试验室条件下，声纳目标模拟器能够模拟不同目标在不同海洋环境中的运动，通过实时生成目标回波信号，灵活、精确地量化声纳回波信号的目标特征信息。对于声纳设备的调试，在试验室就能及早发现问题，有效缩短声纳研制周期，同时也可在设备出现故障时作为辅助检查手段，具有一定的实用和经济价值。

2、而传统的声纳目标模拟器相比，在目标信号的模拟生成上，时效性和计算操作都有些冗余，且生成时间较长，需要进行优化和改善，所以提出实时仿真软件的设计方法。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明的一种声纳目标模拟器实时仿真软件的设计方法，所述设计方法在目标信号的模拟生成上，能够做到实时生成和在线实时更新，包括如下步骤：

2、步骤s1：接收并解析上位机显控命令，并进行解析；判断发射命令，若发射开始，则进入生成目标阵元域信号模块，否则按周期提取噪声信号副本进行波束域信号生成并完成数据发送至指定地址

3、步骤s2：根据解析的上位机显控命令按照发射周期间隔实时生成阵元域信号，并实时判断目标阵元域信号是否生成完成；

4、步骤s3：利用声纳目标模拟器实时仿真软件仿真单频（cw）、线性调频（lfm）、双曲调频（hfm）三种发射信号形式；

5、步骤s4：多普勒频移计算，利用声纳通过频偏大小计算出运动目标速度，通过频偏的正负得知运动目标是接近声纳方向还是远离声纳方向；

6、步骤s5：波形压缩或扩展，其中照射到目标上的波形具有间隔为波长的等相位波前，靠近声纳的目标导致反射回波的等相位波前相互靠近；反之，靠近声纳的目标导致反射回波的等相位波前相互扩展；

7、步骤s6：阵元延时，声纳发出的信号，遇到探测目标会反射回来并被声纳系统放大接收；

8、步骤s7：回波信号幅度，构造噪声信号副本时，1khz处的谱级为，噪声强度按照每倍频程6db衰减，接收带内信噪比参数；

9、步骤s8：信号叠加，利用声纳系统中信号叠加模块将接收的回波信号与噪声副本进行叠加，发往波束形成模块，进行时域波束形成；

10、步骤s9：波束形成，将生成的阵元域数据首先进行降采样处理，然后进行时域波束形成处理，按照延时-加权-求和-平方-积分的模型进行波束域信号的计算；

11、步骤s10：数据发送，按照数据协议添加帧头与波束域数据一起打包发往指定地址。

12、在本发明的一个实施例中，步骤s1是在声纳目标模拟器实时仿真软件上电后实时接收上位机显控系统下发的工作参数、目标参数命令，其中的工作参数包括发射周期、信号形式、脉宽、带宽；目标参数包括目标方位、距离、带内信噪比。

13、在本发明的一个实施例中，步骤s2中的生成目标阵元域信号若未完全生成则将噪声信号副本按照发送数据周期发往下一个模块进行波束形成，若信号生成完毕则将回波信号按照发送数据周期发往信号叠加模块。

14、在本发明的一个实施例中，步骤s3中发射信号生成包括：

15、单频信号根据接收的中心频率f0、信号脉宽t信号参数，按照下述公式生成相应的发射信号：

16、s(t)＝exp(j2πf0t)，t∈[0，t]

17、线性调频信号根据接收的中心频率f0、信号脉宽t、信号带宽b等信号参数，按照下述公式生成相应的发射信号：

18、s(t)＝exp(j2πf0t+π·b/t·t2)，t∈[-t/2，t/2]，

19、双曲调频信号根据输入的中心频率f0、信号脉宽t、信号带宽b等信号参数，按照下述公式生成相应的发射信号：

20、s(t)＝exp[j2π(f02-b2/4)t/b·log(1+t·b/t/(f0+b/2))]，t∈[0，t]。

21、在本发明的一个实施例中，步骤s4中声纳的发射信号中心频率为f0，波长λ＝c/f0，c为声速，目标和声纳之间的距离为r，则声纳发出信号到目标再由目标返回声纳的总波长个数为2r/λ，即总的相位当目标运动时，运动目标径向速度为vr，相位φ随着时间r变化，产生多普勒效应，对应的多普勒频率为fd，角速度ωd＝2π·fd，同时

22、

23、则多普勒频移

24、

25、在本发明的一个实施例中，步骤s5中声纳的发射脉宽为t，波程l＝ct，c为声速，目标的径向速度为vr，假设脉冲前沿与后沿到达目标的时间间隔为δt，在δt时间内目标移向脉冲的距离为d＝vr·δt，由于脉冲以声速传播，后沿已经移动的距离为c·δt-vr·δt，则

26、ct＝c·δt+vr·δt

27、ct′＝c·δt-vr·δt

28、则反射脉冲宽度t′为

29、

30、在本发明的一个实施例中，步骤s6的阵元延时中不考虑目标运动及基阵结构，发射信号和接收信号只相差一个时延τ1，目标距离为r，则

31、

32、反波束形成根据基阵结构和目标方位θ计算入射波到达各基元的时延τ2，首先，根据声基阵阵型参数解算基阵各阵元在空间直角坐标系下的阵元坐标(xj，yj，zj)，j＝1，…，n，根据目标方位计算每个阵元上相对参考点的接收延迟距离：

33、

34、则时延值τ2：

35、

36、接收信号相对发射信号的时延为τ，则

37、τ＝τ1+τ2。

38、在本发明的一个实施例中，步骤s7的回波信号中

39、中心频率f0，按下式折算f0处的信号幅度a

40、

41、则信号幅度

42、在本发明的一个实施例中，步骤s9中生成的阵元域数据构成基阵，其中入射信号看作平面波；以某个阵元作为参考点，利用基阵结构计算到达第i个阵元的信号为s[t+τi(θ0)]，θ0为信号入射角；将每路信号延时对应的τi(θ0)，n路信号将全部变为s(t)；将所有阵元信号进行叠加后得到ns(t)，最后经过平方、积分得到为信号功率；信号入射方向为θ，每路信号延时τi(θ0)变为s(t-τi(θ)+τi(θ0))；除目标回波信号外，各路信号还包含相互独立的噪声信号，所以声纳系统的最终输出为

43、

44、本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：本发明所述实时仿真软件的设计方，在目标信号的模拟生成上，能够做到实时生成和在线实时更新，并且具有计算量小，可操作性强的优点；声纳目标模拟器能够模拟不同目标在不同海洋环境中的运动，通过实时生成目标回波信号，灵活、精确地量化声纳回波信号的目标特征信息。

技术特征：

1.一种声纳目标模拟器实时仿真软件的设计方法，所述设计方法在目标信号的模拟生成上，能够做到实时生成和在线实时更新，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的实时仿真软件的设计方法，其特征在于：步骤s1是在声纳目标模拟器实时仿真软件上电后实时接收上位机显控系统下发的工作参数、目标参数命令，其中的工作参数包括发射周期、信号形式、脉宽、带宽；目标参数包括目标方位、距离、带内信噪比。

3.根据权利要求1所述的实时仿真软件的设计方法，其特征在于：步骤s2中的生成目标阵元域信号若未完全生成则将噪声信号副本按照发送数据周期发往下一个模块进行波束形成，若信号生成完毕则将回波信号按照发送数据周期发往信号叠加模块。

4.根据权利要求1所述的实时仿真软件的设计方法，其特征在于：步骤s3中发射信号生成包括：

5.根据权利要求1所述的实时仿真软件的设计方法，其特征在于：步骤s4中声纳的发射信号中心频率为f0，波长λ＝c/f0，c为声速，目标和声纳之间的距离为r，则声纳发出信号到目标再由目标返回声纳的总波长个数为2r/λ，即总的相位当目标运动时，运动目标径向速度为vr，相位φ随着时间r变化，产生多普勒效应，对应的多普勒频率为fd，角速度ωd＝2π•fd，同时

6.根据权利要求1所述的实时仿真软件的设计方法，其特征在于：步骤s5中声纳的发射脉宽为t，波程l＝ct，c为声速，目标的径向速度为vr，假设脉冲前沿与后沿到达目标的时间间隔为δt，在δt时间内目标移向脉冲的距离为d＝vr·δt，由于脉冲以声速传播，后沿已经移动的距离为c·δt-vr·δt，则

7.根据权利要求1所述的实时仿真软件的设计方法，其特征在于：步骤s6的阵元延时中不考虑目标运动及基阵结构，发射信号和接收信号只相差一个时延τ1，目标距离为r，则

8.根据权利要求1所述的实时仿真软件的设计方法，其特征在于：步骤s7的回波信号中

9.根据权利要求1所述的实时仿真软件的设计方法，其特征在于：步骤s9中生成的阵元域数据构成基阵，其中入射信号看作平面波；以某个阵元作为参考点，利用基阵结构计算到达第i个阵元的信号为s[t+τi(θ0)]，θ0为信号入射角；将每路信号延时对应的τi(θ0)，n路信号将全部变为s(t)；将所有阵元信号进行叠加后得到ns(t)，最后经过平方、积分得到为信号功率；信号入射方向为θ，每路信号延时τi(θ0)变为s(t-τi(θ)+τi(θ0))；除目标回波信号外，各路信号还包含相互独立的噪声信号，所以声纳系统的最终输出为

技术总结
本发明涉及一种声纳目标模拟器实时仿真软件的设计方法，包括如下：软件启动后，实时接收上位机显控系统下发的目标参数、工作参数命令，同时按照固定周期完成波束数据生成和发送。根据发射周期参数循环生成目标回波阵元域数据，并与环境噪声阵元域信号进行叠加。最后，按照固定周期对阵元域信号进行波束形成处理后完成数据发送。生成目标回波阵元域信号时根据带内信噪比计算得到回波信号幅度；根据目标速度信号计算得到多普勒频移、波形压缩或扩展；根据基阵结构和目标位置计算入射波到达各基元的时延。本发明实时仿真软件的设计方，在目标信号的模拟生成上，能够做到实时生成和在线实时更新。

技术研发人员：岳鑫,高貂林,侯晓迁,李玉娟
受保护的技术使用者：海鹰企业集团有限责任公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/17