一种开放式阵列信号的仿真方法
【专利摘要】本发明公开了一种开放式阵列信号的仿真方法，该方法包括以下步骤：第一步：获取水声目标的实时的目标运动轨迹；第二步：获取水声目标辐射噪声信号；第三步：测算等间隔排列的线阵阵形畸变后各个阵元的坐标；第四步：生成实时的海洋信道脉冲响应序列；第五步：无阵元随机抖动情况下，生成阵元信号；第六步：出现随机抖动时，第i7号阵元实际生成的阵元信号；第七步：获取阵元的实时海洋环境噪声信号；第八步：获得被动声纳阵列信号。该仿真方法使得阵列信号仿真系统具有开放性。
【专利说明】一种开放式阵列信号的仿真方法
【技术领域】
[0001]本发明属于信号处理领域，具体来说，涉及一种开放式阵列信号的仿真方法。
【背景技术】
[0002]传统的水声阵列信号仿真系统结构单一。一方面，传统的水声目标运动轨迹仿真大都是对典型运动方式的仿真，如:直线航路、周(圆弧)航路和蛇形追踪航路。其中，直线航路是鱼雷攻击目标最常见的方式；圆周(圆弧)航路是目标调准航迹的主要方式之一，其主要特点是目标在水平面内作等半径的圆弧运动；蛇形追踪航路是潜艇跟踪和侦查敌方目标的一种主要方式，它包括两个部分:蛇形运动和追踪。但是这几种典型的运动方式都局限于平稳运动，运动方式单一，不能仿真非平稳目标运动轨迹；一方面，我国的海域辽阔海洋环境复杂多变，同一海域的海洋信道也会随气候洋流等的变换而不同，而传统的水声阵列信号仿真系统只能做到对特定海洋环境下海洋信道的仿真，显然这是不够的。一方面，一般的水声目标辐射噪声信号仿真根据谱特性将目标辐射噪声划分为线谱、时变调制谱和平稳连续谱三大谱分量分别进行建模仿真。若想使仿真信号逼近某一具体舰船的辐射信号则需对仿真参数进行精确设置，但有时并不具备这些参数信息；另一方面，随着现代水声计算的发展，对能够兼容实测数据并保留实测数据的特征的被动声纳阵列信号仿真系统的渴望越来越强烈。
【发明内容】
[0003]技术问题:本发明所要解决的技术问题是:一种开放式阵列信号的仿真方法，该仿真方法使得阵列信号仿真系统具有开放性。
[0004]技术方案:为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是:
[0005]一种开放式阵列信号的仿真方法，该仿真方法包括以下步骤:
[0006]第一步:获取水声目标的实时的目标运动轨迹:首先建立三维直角坐标系:以等间隔排列的线阵末端所在位置为圆心0，以船体拖着等间隔排列的线阵行驶的方向为X轴方向，等间隔排列的线阵扰动的方向为Y轴方向，垂直于海平面、且指向地心的方向为Z轴方向；设置开放式阵列信号仿真系统的抽样时间是Ts，采样率为Fs，水声目标的运动速度为
V,实时的目标运动轨迹为八〃I] nl表示整型变量；
[0007]获取水声目标的实时的目标运动轨迹的方法有:第一种方法:基于直线航路、圆周航路或者蛇形追踪航路的运动方式模拟水声目标的实时目标运动轨迹；或者第二种方法:基于B样条拟合的非平稳目标运动轨迹实时仿真方法，获得实时的目标运动轨迹；
[0008]第一种方法的过程为:当水声目标的运动方式是直线航路时，设置直线航路的初始位置为(X [O]，y [O], ζ [O])τ,上标T表示转置；运动速度为V,运动的水平方向角为α，垂 直仰角为Θ，获得如式(I)所示的直线航路的实时的目标运动轨迹戶[?I]:
【权利要求】
1.一种开放式阵列信号的仿真方法，其特征在于，该仿真方法包括以下步骤: 第一步:获取水声目标的实时的目标运动轨迹:首先建立三维直角坐标系:以等间隔排列的线阵末端所在位置为圆心O，以船体拖着等间隔排列的线阵行驶的方向为X轴方向，等间隔排列的线阵扰动的方向为Y轴方向，垂直于海平面、且指向地心的方向为Z轴方向；设置开放式阵列信号仿真系统的抽样时间是Ts，采样率为Fs，水声目标的运动速度为V，实时的目标运动轨迹为汽》|]，m表示整型变量； 获取水声目标的实时的目标运动轨迹的方法有:第一种方法:基于直线航路、圆周航路或者蛇形追踪航路的运动方式模拟水声目标的实时目标运动轨迹；或者第二种方法:基于B样条拟合的非平稳目标运动轨迹实时仿真方法，获得实时的目标运动轨迹； 第一种方法的过程为:当水声目标的运动方式是直线航路时，设置直线航路的初始位置为(X[O]，y [O], z [O])τ,上标T表示转置；运动速度为V,运动的水平方向角为α，垂直仰
2.按照权利要求1所述的开放式阵列信号的仿真方法，其特征在于，所述的第一步中，基于B样条拟合的非平稳目标运动轨迹实时仿真方法，获得实时的目标运动轨迹的过程如下: 步骤101)，获得实测水声目标运动轨迹子序列:化简fs/Fs为最简分子式，该最简分子式的分子为M，当M大于10时，则MO = M，当M小于或等于10时，令Q = 2gM，g为从I开始的正整数，且Q为第一次大于10的数时，则MO = Q ;然后将实测水声目标运动轨迹序列m(n)从起始位置按长度MO截取，从而获得L段截取的实测水声目标运动轨迹子序列，最后一段子序列长度为M1，M1小于或等于MO，从第I段到第L-1段中的第i段子序列包含的运动轨迹点为m (MO (1-1) +1)，m (MO (i_l) +2)，…，m (MO (i_l) +MO)，第L段子序列包含的运动轨迹点为 m (MO (L-1) +1)，m (MO (L-1) +2)，…，m (MO (L-1) +Ml) ； i 表示子序列的段号，i 为 I 至 L ;0〈fs〈Fs ； 步骤102):获取各子序列反求三次B样条曲线的控制顶点:对每段目标运动轨迹子序列反求三次B样条曲线的控制顶点，当第L段子序列包含MO个运动轨迹点时，每段子序列的控制顶点为Pi⑴，Pi⑵，…，Pi (M0+1)，Pi (M0+2)；当第L段子序列包含小于MO个运动轨迹点时，前L-1段子序列的控制顶点为Pi⑴，Pi (2)，…，Pi (M0+1)，Pi (M0+2)，第L段子序列的控制顶点为 PL(1)，PL⑵，…，PL(Ml+l)，pL(Ml+2)； 步骤103):获取各子序列在采样率Fs下的目标运动轨迹:利用获得的各段子序列的控制顶点分别作三次均匀B样条拟合，获得从第I段到第L-1段中的第i段子序列在采样率Fs下的目标运动轨迹m' ^t1):
3.按照权利要求2所述的开放式阵列信号的仿真方法，其特征在于，所述的步骤102)包括以下步骤:假设目标运动轨迹子序列的长度为M2，第I段到第L-1段中的第i段子序列对应的M2 = MO,当最后一段子序列长度为Ml等于MO时，M2 = MO,当最后一段子序列长度Ml小于MO时，M2 = M1，利用式(13)求解子序列的控制顶点ρ (I)，ρ (2)，…，P (Μ2+1)，ρ (Μ2+2):
(P (q)，p (q+1)，p (q+2) )/6 = m(q)式(13) 其中，q表示整型变量，q = 1,2，...，M2 ；m(q)表示子序列包含的目标运动轨迹点；式(13)方程组有M2个方程，M2+2个未知数，根据式(14)设定两个边界条件:
4.按照权利要求1所述的开放式阵列信号的仿真方法，其特征在于，所述的第二步中，三参数模型是用户通过设置三个参数fo，乙和λ来精确定义平稳连续谱p。(f)的形状，Pc (f)满足:
5.按照权利要求1所述的开放式阵列信号的仿真方法，其特征在于，所述的第二步中，用于水声目标连续信号仿真的有限长数据循环拼接方法包括以下步骤: 首先:在实测数据段s(n3)首尾两端各找到一段能量最低的区域:从实测数据s(n3)的首尾部开始，在Ns点的搜索范围内以移窗的方式分别从I1点开始搜索首部能量最低的区域，从i2点开始搜索尾部能量最低的区域，窗长WL，记首尾部每段窗内的数据段的能量记为PhQ1)和 ph(i2):
6.按照权利要求1所述的开放式阵列信号的仿真方法，其特征在于，所述的第三步中，依据式(26)得到无阵形畸变时第I一nlO号阵元中的第i7号阵元的坐标(气，
7.按照权利要求1所述的开放式阵列信号的仿真方法，其特征在于，所述的第四步中，利用基于射线模型的海洋信道仿真方法生成实时的海洋信道脉冲响应序列的步骤包括: 首先，基于实测海洋环境参数，在主机端利用射线模型的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，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； 其次:获得实时的海洋信道脉冲响应序列:主机从DSP板读取水声目标实时的目标运动轨迹，每次读取水声目标实时的目标运动轨迹后，主机根据水声目标的当前坐标和各个阵元的当前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LI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；L1的取值范围为128 — 512之间的整数。
8.按照权利要求7所述的开放式阵列信号的仿真方法，其特征在于，所述的第四步中，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ml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ml条时，将所有的本征声线按照幅度衰减降序排列，筛选出前ml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，ml为10 — 20之间的整数。
9.按照权利要求8所述的一种开放式阵列信号仿真系统，其特征在于，所述的第四步中，测算当前的海洋信道脉冲响应序列的过程是:首先选取I号阵元为参考阵元，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&为:
10.按照权利要求1所述的开放式阵列信号的仿真方法，其特征在于，所述的第六步中，第i7号阵元随机抖动的幅度衰减气服从均匀分布:
【文档编号】G01S7/52GK103926579SQ201410166921
【公开日】2014年7月16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, 罗昕炜 申请人:东南大学