一种主动声纳双程多普勒信号仿真建模方法与流程

本发明涉及水声工程，尤其涉及一种主动声纳双程多普勒信号仿真建模方法。

背景技术：

1、海上平台的相对运动会造成平台辐射噪声信号或主动发射信号的多普勒频移。对于主动声纳阵列信号仿真而言，多普勒频移特性建模仿真具有非常重要意义。因为它是主动声纳信号处理用于估计目标运动速度、目标判别的重要依据，也是某些主动声纳抗杂波、抗混响等信号处理算法必须具有的信号特征。由此，主动声纳多普勒特征建模仿真是主动声纳回波信号仿真中的重要组成部分。

2、现有技术中，一类主动声纳主要采用窄带、短脉冲、中高频信号，主动信号的多普勒特性建模通常采用中心频率的频域处理，而且将主动信号“发射-目标-接收”的双向传播过程造成的多普勒影响，简单地在接收端用单向传播多普勒频移的2倍作为往返双程的多普勒频移。另一类主动声纳信号采取低频、宽度、长脉冲信号，探测距离越来越远，采用原有的多普勒建模仿真方法，无法实现新型主动声纳信号体制下，需要的精准建模。上述两类现有技术主要存在以下问题：

3、1、主动宽带信号的多普勒对信号带宽内的所有频率都会产生多普勒，用频域处理方法不可能做到任意(连续变化)频率信号的多普勒仿真建模，需要采用时域方式解决。

4、2、远距离探测，使发射信号到达目标或从目标反射到达接收点的时间变得很长，如30公里的单程时间大约20秒、往返40秒。在这样长的传播时间内，在目标与发射平台不同的情况下，发射时刻和回波接收时刻的相对姿态会产生较大的变化，使得这两个时刻的径向速度有显著不同，采用简单的双倍处理，影响多普勒模型的精确。

5、3、发射信号通过海洋信道到达目标，除了信道影响造成主动发射信号产生畸变，还存在运动多普勒影响造成发射信号的拉伸或压缩。这样，实际上在发射信号到达目标时，产生了“信道”和“多普勒”双重影响。如果按照现有方法，仅在回波接收点统一按照2倍单程多普勒处理，其实是在发射信号到达目标后，对目标反射(回波)信号进行建模时，没有考虑“发射段”的多普勒影响已经造成的主动信号波形变化，使得到达接收点的回波信号未能真实反映海上的实际，严重影响回波信号特性的准确性。

技术实现思路

1、本发明主要解决现有技术的发射主动信号后，由于收发平台运动造成的多普勒计算方法问题，不过多考虑信道传播以及目标反射回波信号产生等细节，导致上述背景技术中的三种问题，提出一种主动声纳双程多普勒信号仿真建模方法，以达到使得到达接收点的回波信号能够真实反映海上的实际，以及提高回波信号特性的准确性的目的。

2、本发明提供了一种主动声纳双程多普勒信号仿真建模方法，包括：

3、建立声波到达目标相遇三角形，计算发射声信号到达目标时刻的发射提前角和发射声传播时延；

4、根据所述发射提前角和发射声传播时延计算发射声信号到达目标时刻的收发平台、目标平台坐标及其二者之间的发射相对舷角和发射偏角；

5、根据所述发射提前角、发射相对舷角及发射偏角计算发射声信号到达目标时刻的发射段多普勒因子；根据所述发射段多普勒因子计算发射声信号从发射点至目标点的传播段间受多普勒影响的信号；

6、建立目标回波到达相遇三角形，计算目标回波声信号到达收发平台的回波提前角和回波声传播时延；

7、根据所述回波提前角和回波声传播时延计算回波信号到达接收点时刻的收发平台、目标平台坐标及其二者之间的回波相对舷角和回波偏角；

8、根据所述回波提前角、回波相对舷角及回波偏角计算回波声信号到达收发平台的回波段多普勒因子；根据所述回波段多普勒因子计算回波声信号从目标点至发射点的传播段间受多普勒影响的信号。

9、进一步地，所述建立声波到达目标相遇三角形，计算发射声信号到达目标时刻的发射提前角和发射声传播时延，包括：

10、假设主动发射信号的水平全向或扇面发射，发射平台在s0点发射信号后，声波在t1点与目标相遇，此时发射平台到达s1点；声波在t1点产生的目标反射信号，向发射平台反向传播，在s2点被阵列接收；

11、假设声波从发射至到达t1位置的传播时延为τ1，则有：

12、cτ1 sinγ1＝vtτ1sinβ0                       (1)

13、假设发射信号时刻为t0，该方向的声波与发射时刻的平台-目标连线，向目标运动方向提前了一个角度称为提前角γ1，则到达t1的提前角为：

14、

15、由于，

16、cτ1 cosγ1+vtτ1cosβ0＝r0                      (3)

17、则，s0点到t1点的传播时延τ1为：

18、

19、式中，初始距离r0根据s0、t0的初始坐标计算得到。

20、进一步地，所述根据所述发射提前角和发射声传播时延计算发射声信号到达目标时刻的收发平台、目标平台坐标及其二者之间的发射相对舷角和发射偏角，包括：

21、所述收发平台坐标为：

22、xs1＝xs0+vsτ1sinθs                        (5-1)

23、ys1＝ys0+vsτ1cosθs                        (5-2)

24、所述目标平台坐标为：

25、xt1＝xt0+vtτ1sinθt                       (6-1)

26、yt1＝yt0+vtτ1cosθt                       (6-2)

27、所述收发平台坐标与目标平台坐标间的距离为：

28、

29、所述收发平台与目标平台坐标二者之间的发射相对舷角为：

30、

31、β1＝α1±180                              (9)

32、所述收发平台与目标平台坐标二者之间的发射偏角为：

33、

34、进一步地，所述根据所述发射提前角、发射相对舷角及发射偏角计算发射声信号到达目标时刻的发射段多普勒因子，包括：

35、假设收发平台与目标平台的径向速度分别v1和v0，则目标平台接收到发射声信号的时域多普勒因子δd可表示为：

36、

37、在信号传播阶段，收发平台的径向速度为：

38、v1＝vs cos(α0-γ1)                        (12)

39、目标平台作为发射声信号的接收方，因此

40、v0＝vtcos(β1+λ1)                        (13)

41、则发射段多普勒因子表示为：

42、

43、进一步地，所述根据所述发射段多普勒因子计算发射声信号从发射点至目标点的传播段间受多普勒影响的信号，包括：

44、s0到t1的距离r1可由下式计算：

45、

46、如果不考虑信道传播影响，则所述发射声信号到达目标时的信号表示为：

47、

48、如果考虑海洋信道传播，假设该段信道冲击响应函数为h1(t)，则发射声信号到达目标时的信号表示为：

49、

50、因此，所述受多普勒影响的信号变换为：

51、s1d(t)＝s1[(1+△d1)t]                      (16)。

52、进一步地，所述建立目标回波到达相遇三角形，计算目标回波声信号到达收发平台的回波提前角和回波声传播时延，包括：

53、目标回波声信号由t1点发出，接收(发射)平台位于s1，目标平台与收发平台的距离为r1，相对舷角分别为α1、β1；目标回波声信号沿t1-s2方向经信道传播，在s2点到达收发平台的回波提前角为：

54、

55、则，t1点到s2点的传播时延τ2为：

56、

57、进一步地，所述根据所述回波提前角和回波声传播时延计算回波信号到达接收点时刻的收发平台、目标平台坐标及其二者之间的回波相对舷角和回波偏角，包括：

58、收发平台坐标：

59、xs2＝xs1+vsτ2sinθs                        (19-1)

60、ys2＝ys1+vsτ2cosθs                        (19-2)

61、目标平台坐标：

62、xt2＝xt1+vtτ2 sinθt                      (20-1)

63、yt2＝yt2+vtτ2cosθt                      (20-2)

64、所述目标平台坐标与收发平台坐标与间的距离为：

65、

66、所述目标平台坐标与收发平台坐标二者之间的回波相对舷角为：

67、

68、β2＝α2±180                                (23)

69、所述回波偏角为：

70、

71、进一步地，所述根据所述回波提前角、回波相对舷角及回波偏角计算回波声信号到达收发平台的回波段多普勒因子，包括：

72、回波信号到达所述收发平台接收点的时刻，所述目标平台到达t2点，所述收发平台与目标平台的相对舷角分别为α2、β2，此时v1、v0分别为：

73、v1＝vtcos(β1-γ2)                             (25)

74、v0＝vscos(α2+λ2)                             (26)

75、对应的回波段多普勒因子为：

76、

77、进一步地，所述根据所述回波段多普勒因子计算回波声信号从目标点至发射点的传播段间受多普勒影响的信号，包括：

78、回波声信号到达收发平台接收点的距离r2为：

79、

80、如果不考虑信道传播影响，则回波声信号到达收发平台接收点时的信号表示为：

81、

82、如果考虑海洋信道传播，假设该段信道冲击响应函数为h2(t)，则回波声信号到达收发平台接收点时的信号表示为：

83、

84、考虑这一阶段的多普勒影响，得到经过双程传播和双段受多普勒影响的信号：

85、r(t)＝s2[(1+△d2)t]                         (30)。

86、本发明提供的一种主动声纳双程多普勒信号仿真建模方法，根据水声信号传播、目标运动和收发平台运动，将主动信号发射到回波接收的多普勒计算过程，分为“发射-目标”和“目标-接收”两段过程分别进行多普勒计算，解决了原有方法，用单向传播多普勒频移的2倍作为往返双程的多普勒影响而造成模型误差大、回波波形信号大等问题；

87、本发明提出了声波传播到达点的解相遇方法，在收发平台与目标运动匀速直线的情况下，解决了发射信号到达目标、目标回波返回接收点的时间和目标位置计算问题；

88、本发明采用了时域信号处理手段，可以用于任意宽带连续谱型信号的多普勒频移信号计算。解决了频域多普勒频移仅限于离散频率点，而不可能做到任意(连续变化)频率信号的多普勒信号计算问题。多普勒频移的本质是对发射信号产生拉伸或压缩，在时域由多普勒因子决定，这种信号的拉伸或压缩程度。通过对时域离散采样信号逐点进行多普勒因子计算，得到了包含多普勒影响的时域离散信号；

89、本发明分两段的多普勒计算方法，解决了发射时刻和回波接收两个时刻，目标与发射平台姿态(径向速度)或多普勒因子变化大，造成多普勒信号径向模型不够精确的问题；

90、本发明分两段的多普勒计算方法，可以在主动声纳目标回波信号仿真建模时，考虑到达目标的信号已经包含了“发射—目标”段的运动多普勒影响，在后续采样亮点模型等方法进行回波信号仿真时，采用的是包含“发射—目标”段的运动多普勒信号。从而，使得到达接收点的回波信号未能真实反映海上的实际，严重影响回波信号特性的准确性。