CN102768354A - 一种用于获得水下目标回波数据的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于获得水下目标回波数据的方法及系统，该方法用于模拟动态声纳以获得水下静态目标的回波数据，包含：建立所述目标的亮点模型，获得若干个亮点，针对不同的入射角分别从所述若干亮点中选择出对应于该入射角的贡献亮点和相对延时；声纳在运动中周期性的发射声波信号照射所述目标，从声纳开始照射目标直到声纳不能照射到目标的整条运动路径上选择若干点发射声波信号并分别获取所有点的回波数据，共得到若干组回波数据为声纳照射所述目标得到的回波数据。水声信号处理是一个试验性的学科，试验数据对于学科研究有着重要的意义。良好的仿真数据能避免进行昂贵、复杂的实验而取得目标回波数据，在一定程度上能够满足某些应用场合的研究需要。

Description

一种用于获得水下目标回波数据的方法及系统

技术领域

本发明属于水声信号处理领域，研究了一种用于获得水下目标回波数据的方法及系统。

背景技术

水声信号处理是一个试验性的学科，试验数据对于学科研究有着重要的意义。良好的仿真数据可以避免进行昂贵、复杂的实验而取得目标回波数据，在一定程度上能够满足某些应用场合的研究需要。

在所有的试验性学科中，数据都是支持研究以及验证成果的必要因素。水声信号处理也是一门这样的学科，在研究过程中通常伴随着为了专门课题而严谨设计的试验，以获得试验数据。这样的试验通常都要按照设计的条件严格进行，既复杂又昂贵，也不能很方便的在任何需要的时刻都进行安排。

数据的仿真可以说是所有研究工作的先驱步骤，按照研究者的思路和理论建立模型，进行演算，或者计算结果。这个过程不仅仅验证或支持了理论，为下一步设计真实的试验条件提供了必要的基础，同时在进行某些不是必须严格真实数据的应用或研究场合，仿真的数据可以便捷的使用，并可以方便的按照需求对条件进行修改。可以说，数据仿真是科学研究中重要的一环，是一个良好的工具。

在水声信号处理，特别是水下目标的识别领域，对于声纳目标回波的仿真研究一直受到国内外学者的关注。他们有的建立目标的物理模型，研究回波的性质，有的研究水声环境对回波信号的影响……但是这些仿真工作都是假设声纳系统静止的照射水下目标，然后仿真单次反射的回波。然而在实际的应用中，声纳设备通常都装载在舰船上，随着舰船的运动而工作。所以，为了获得更符合实际工作状态的声纳目标回波仿真数据，有必要建立一个动态数据模型，计算舰载声纳系统在走航过程中获得的动态声纳回波数据的仿真。

发明内容

本发明的目的在于，首先，为克服现有技术为了获得水下目标的回波数据需要采用具体试验来进行，但是试验通常都要按照设计的条件严格进行，既复杂又昂贵，也不能很方便的在任何需要的时刻都进行安排，因此采用这种现场试验的方法并不便于回波数据的获取；此外，现有的获得水下目标回波数据的方法和系统均是假设声纳系统静止的照射水下目标，然后仿真单次反射的回波得到水下目标的回波数据，这种方式跟实际环境的声纳设备通常都装载在舰船上，随着舰船的运动而工作的方式并不一致，因此基于这样的系统和方法不能获得符合实际工作状态的声纳目标回波仿真数据，所以本发明提供一种用于获得水下目标回波数据的方法及系统。

为实现上述目的，本发明提供一种用于获得水下目标回波数据的方法，该方法用于模拟动态声纳以获得水下静态目标的回波数据，包含：

步骤1：建立所述目标的亮点模型，获得若干个亮点，针对不同的入射角分别从所述若干亮点中选择出对应于该入射角的贡献亮点和相对延时；

步骤2：声纳在运动中每间隔一定时间段发射声波信号照射所述目标，从声纳开始照射目标直到声纳不能照射到目标的整条运动路径上选择若干点发射声波信号并分别获取所有这些点的回波数据，共得到若干组回波数据为运动的声纳照射所述目标得到的回波数据，包含如下步骤2-1和步骤2-2：

步骤2-1：声纳发射声信号照射所述水下静止目标，得到此时声波的入射角，并查找步骤1所述该入射角对应的贡献亮点及相对延时，采用如下公式计算在该点处对应的水下回波数据，并记录存储该组回波数据：

步骤2-2：声纳继续运动到达所述若干点中的下个点，回到步骤2-1；直到声纳完成所有照射点的目标探测，此时所述记录存储的若干组回波数据为理想环境下的水下目标的回波数据；

其中，A_m是第M个亮点的反射幅度因子；τ_m第M个亮点的相对时延，由等效散射中心相对第m个亮点的声程ξ决定，τ_m＝2ξ/C，C是声速；

第M个亮点回波形成时的相位跳变；N是有贡献的亮点数；所述的整条运动路径为一条直线。

上述技术方案中，所述建立所述目标的亮点模型根据所述目标形状确定若干亮点；所述相对延时为所确定的亮点与所述目标的几何中心的距离与声速相除的结果。

所述得到的理想水下目标回波数据的步骤之后还包含：将理想环境下的水下目标的回波数据与真实的水声背景混响数据相融合获取最终回波数据并进行记录存储的步骤，具体包含：首先确定水声背景，寻找能够匹配该水声背景的试验数据；然后，从试验数据提取背景混响数据；最后，将提取的背景混响数据与理想环境下的水下目标的回波数据进行融合，得到最终回波数据。

基于以上方法本发明还提供一种用于获得水下目标回波数据的系统，该系统模拟动态声纳照射水下目标以获得该目标的回波数据，包含：

提取贡献亮点和相对延时的模块，用于从该目标的亮点模型提取的亮点中依据不同的入射角提取出针对不同入射角的贡献亮点和相对延时；

获取某一位置对应的入射角回波数据的模块，用于生成声纳运动到某一位置以某一角度照射目标获得的回波数据；

第一记录存储模块，用于记录存储获得的所有入射角度对应的理想环境的回波数据。

上述技术方案中，所述系统还包含：

融合混响数据的模块，用于将生成的理想环境的回波数据与提取的对应于某一水声背景的混响数据进行融合，得到最终回波数据；

第二记录存储模块，用于记录存储最终回波数据。

所述将理想环境下的水下目标的回波数据与真实的水声背景混响数据相融合获取最终回波数据的步骤进一步包含：首先确定水声背景，寻找能够匹配该水声背景的试验数据；然后，从试验数据提取背景混响数据；最后，将提取的背景混响数据与理想环境下的水下目标的回波数据进行融合，得到最终回波数据。

所述提取贡献亮点和相对延时的模块进一步包含：

亮点生成子模块，用于根据目标形状确定亮点；确定贡献亮点和相对延时的子模块，用于记录不同入射角对应的贡献亮点和相对延时。所述建立所述目标的亮点模型根据所述目标形状确定若干亮点。所述相对延时为所确定的亮点与所述目标的几何中心的距离与声速相除的结果。

本发明建立了动态声纳照射目标获得水下静态目标回波数据的方法，既使得到的回波数据更加接近现场试验得到的试验数据，又避免了进行现场试验获取数据的种种不利；此外在计算回波数据时，将理想环境下模拟得到的目标回波数据与真实的水声背景混响数据相融合，使得到的数据与实际环境得到的数据更进一步相似，从而大大提高了采用本发明获得的回波数据的可信度，本发明的技术手段还可以为声纳信号处理、水下目标识别等方面的研究提供支持。

附图说明

图1本发明的一种用于获得水下目标回波数据的系统的组成框图；

图2是本发明的包含融合背景噪声的水下目标回波数据获取系统进一步包含的模块框图；

图3是本发明的提取贡献亮点和相对延时模块的组成框图；

图4是本发明的一种用于获得水下目标回波数据方法的流程图；

图5是本发明的模拟动态声纳运动中的若干点获取水下目标声波信号的流程图；

图6是本发明的将动态声纳获得的理想环境下的水下目标的回波数据与背景混响融合获取实际环境的水下目标回波信号的流程图；

图7是本发明实施例选取的基本结构为圆柱壳体加球冠形头部的水下静态小目标为其建立亮点模型的示意图；

图8是本发明实施例选取的基本结构为等腰梯形的非水雷目标为其建立亮点模型的示意图；

图9是真实试验过程中舰载声纳系统的实际工作状态示意图

图10是建立动态声纳目标回波数据模型时的角度以及距离等参数的变化示意图；

图11是动态声纳目标回波模型得到的仿真数据与试验采集的真实动态数据的比较。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细的说明。

如图1所示，该图为本发明的一种用于获得水下目标回波数据的系统的组成框图。包含：

提取贡献亮点和相对延时的模块，用于从该目标的亮点模型提取的亮点中依据不同的入射角提取出针对不同入射角的贡献亮点和相对延时；

声纳在某一位置以某一入射角发射声信号，获取该入射角对应回波数据的模块，用于在为声纳设定的运动路径上周期发射声信号照射目标，并根据提取的贡献亮点和相对延时模块提取的相对延时和贡献亮点确定该入射角对应的这两个参数信息，并计算该点对应的水下静态目标的回波数据；

第一记录存储模块，用于记录存储获得的所有入射角度对应的理想环境的回波数据；

设定声纳发射声信号照射到目标的运动范围的模块，用于为发射声信号的声纳设定一段直线路径，并在该直线路径上确定可以照射到水下目标的范围。具体做法：

首先，确定声纳运动的起点与终点，从而确定运动的直线轨迹；其次，确定声纳开始发射信号的起始位置、运动速度以及声纳信号发射周期，通过这三个参数，可以计算出声纳在上一步骤所确定的直线上运动时发射信号的所有位置；然后，对上一步骤计算出的所有位置分别进行判断。若发射信号的在位置的入射角如果小于发射信号开角的1/2，则该点能够照射到目标；否则不能照射到目标。由此确定了在运动直线路径上可以照射到水下目标的范围。

如图2所示，该图为本发明的包含融合背景噪声的水下目标回波数据获取系统进一步包含的模块框图，包含：

融合混响数据的模块，用于将生成的理想环境的回波数据与提取的对应于某一水声背景的混响数据进行融合，得到最终回波数据；

第二记录存储模块，用于记录存储最终回波数据。

如图3所示，该图为本发明的提取贡献亮点和相对延时模块的组成框图，包含：

亮点生成子模块，用于根据目标形状确定亮点；

确定贡献亮点和相对延时的子模块，用于记录不同入射角对应的贡献亮点和相对延时。

如图4所示，该图为本发明的一种用于获得水下目标回波数据方法的流程图，包含：

步骤1：建立所述目标的亮点模型，获得若干个亮点，针对不同的入射角分别从所述若干亮点中选择出对应于该入射角的贡献亮点和相对延时；

步骤2：声纳在运动中周期性的发射声波信号照射所述目标，从声纳开始照射目标直到声纳不能照射到目标的整条运动路径上选择若干点发射声波信号并分别获取所有点的回波数据，共得到若干组回波数据为声纳照射所述目标得到的理想环境下的回波数据。

如图5所示，本发明的模拟动态声纳运动中的若干点获取水下目标声波信号的流程图，包含：

步骤2-1：声纳运动到某一点以某一入射角照射到所述目标，并查找步骤1所述该入射角对应的贡献亮点及相对延时，采用如下公式计算该入射角对应的水下回波数据，并记录存储该组回波数据：

步骤2-2：声纳以船速运行并发射信号，到达若干点中的下个点，此时进行能否照射到目标的判断；若能，按上一步骤计算，若否，完成计算，则声纳停止发射信号照射目标，此时所述记录存储的若干组回波数据为理想环境下的水下目标的回波数据；

其中，A_m是第M个亮点的反射幅度因子因子；τ_m第M个亮点的相对时延，由等效散射中心相对第m个亮点的声程ξ决定，τ_m＝2ξ/C，C是声速；

第M个亮点回波形成时的相位跳变；N是有贡献的亮点数。

如图6所示，该图为本发明的将动态声纳获得的理想环境下的水下目标的回波数据与背景混响融合获取实际环境的水下目标回波信号的流程图，包含：

首先确定水声背景，寻找能够匹配该水声背景的试验数据；

然后，从试验数据提取背景混响数据；

最后，将提取的背景混响数据与理想环境下的水下目标的回波数据进行融合，得到最终回波数据。

其中，所述的实验数据为现场试验保存的若干数据。根据实际模拟的水下目标所在的水域环境可以选择与之匹配的试验现场，进而获得该试验现场的水声背景数据进行后续处理。

实施例：

本发明的关键内容是建立声纳目标回波数据模型，获得仿真数据，主要有以下3个步骤：

1)建立单ping声纳目标回波模型，进行数据仿真。

单ping声纳目标回波模型采用实用性较好的亮点模型。理论分析和实验研究证明，在高频情况下，目标回波是由若干个子波迭加而成的，每个子波可以看作是从某个散射点发出的波，这个散射点就是亮点。单个亮点的传递函数可以归纳为：

其中，

是幅度反射因子，通常是频率的函数，对窄带信号可以取中心频率值；τ是时延，由等效散射中心相对某个参考点的声程ξ决定，τ＝2ξ/C，C是声速；

是回波形成时的相位跳变。

从工程应用的角度，可以将目标看作一个线性时不变系统，回波就是系统对入射声波的响应。根据线性迭加原理，目标可以模型化为多个亮点的迭加，总的传递函数可以表示为：

目标模型就是由一组不同方位上的A_m，τ_m，

(m＝1...N)三个参数组成。

以典型的水下静态小目标为例，其基本结构为圆柱壳体加球冠形头部，如图7所示。其对回波信号有突出贡献的亮点为棱角、球冠以及圆柱体柱面，命名圆柱壳体棱角分别为#1、#2、#3、#4，#5为球冠形的头部。定义入射角θ为入射声线与目标圆柱轴线的夹角，当入射角变化时，由于有的亮点处于声影区，只有部分亮点对回波信号有主要贡献，具体如表1所示。

表1声波水平入射时，棱角反射回波和镜反射回波出现的方位角

以另一非水雷状目标为例，其形状为等腰梯形，有一底角为α，声波入射角为θ，如图8所示。确定亮点为四个棱角，分别记为#1、#2、#3、#4。各亮点的贡献角度区域如表2所示。

表2声波水平入射时，棱角反射回波出现的方位角

当入射角θ固定时，该模型即能确定对回波有贡献的亮点及各自的相对时延。根据公式(2)，可以计算出当前入射角的单ping亮点模型回波信号仿真数据。

2)建立动态声纳目标回波模型，进行数据仿真。

如图9建立的动态数据模型，舰船运行在不同的位置，声纳周期性的发射的声波，以不同的入射角“照射”水下目标，采集到不同角度反射回的目标回波数据。在船速、水深等环境条件一定的情况下，入射角是时间的函数：

θ_n＝arctan(L_n/h)                                                (3)

L_n＝L₀-v(n·t_s)，n＝1，2，…                            (4)

L₀＝tanθ₀·h                                           (5)

其中，θ_n表示舰船运行中历次声波的入射角，L_n表示其时船距目标的水平距离，θ₀、L₀表示目标刚进入声波照射范围时的初始入射角与水平距离，θ₀与发射声波信号的开角及方向有关，h是水深，如图10所示。

航迹规划的具体做法：

首先，确定声纳运动的起点与终点，从而确定运动的直线轨迹；

其次，确定声纳开始发射信号的起始位置、运动速度以及声纳信号发射周期，通过这三个参数，可以计算出声纳在上一步骤所确定的直线上运动时发射信号的所有位置；

然后，对上一步骤计算出的所有位置分别进行判断。若发射信号的在位置的入射角如果小于发射信号开角的1/2，则该点能够照射到目标；否则不能照射到目标。由此确定了在运动直线路径上可以照射到水下目标的范围。

在整个走航测量过程中，被不同入射角照射的水下静态小目标可以处理为一系列不同角度的亮点模型。每个模型得到当前状态的目标回波信号，整个过程的仿真就生成了动态的声纳测量数据。如已知船速、水深、发射信号开角等条件，根据公式(3)-(5)，可以确定一个声纳发射信号并通过传感器采集数据时的入射角的集合{θ_n，n＝1，2，…}。每一个入射角对应一个参数确定的亮点模型，可以获得一个单次的目标回波信号。整个入射角集合的回波仿真信号的综合，就是一个声纳走航测量的动态数据仿真结果。

在舰船的行进过程中，声纳周期性的发射声波信号，对水下目标进行探测，也周期性的采集到目标回波的动态数据。动态声纳目标回波数据模型就建立在这样的工作状态下。

3)仿真数据与水声环境的噪声和混响的融合。

为了更真实的模拟试验环境，仿真数据需要考虑水声背景的噪声和混响等因素，本文采用的方法是提取实测数据中的背景噪声数据，与仿真的回波数据进行叠加，以获得最终的结果。这样做的目的一是使得仿真结果尽量的贴近真实水声环境中的测量结果；另一原因是突出重点关注的目标回波，仿真的回波数据与实测的数据具有相同的背景噪声数据，这样就可以更有效的对仿真数据进行分析，对仿真结果与实测数据的比较也更具有针对性。

图11是动态声纳目标回波模型得到的仿真数据与试验采集的真实动态数据的比较，仿真数据融合了真实试验中采集的水声背景混响数据，与试验数据呈现在同一副图片中，便于比较。

综上，本发明的技术方案中最核心的技术内容有如下几点：1)单ping声纳目标回波模型的建立及其数据仿真。声纳系统每发射一次声波信号，“照射”水下目标，获得的一批回波数据称为一ping。单ping的声纳目标回波模型是建立动态声纳回波数据模型的基础。本发明采用实用性较好的亮点模型对水下目标的单ping回波信号进行建模。2)动态声纳目标回波模型的建立及其数据仿真。实际工作状态中的声纳系统随着舰船的运动的同时对水下目标进行探测，建立的动态的声纳目标回波数据模型是获得更符合真实试验条件的仿真数据的基础。通过对舰船运动状态以及声纳系统走航工作时的状态，结合第一部分的单ping声纳目标回波模型，建立动态声纳目标回波数据模型。3)仿真数据中对于水声环境的噪声和混响的处理。由于水声环境的影响，真实试验采集的测试数据中有很多噪声和混响的干扰。为了使仿真数据更贴合真实试验数据，必须考虑到这一点。本发明采用的方法是将仿真的目标回波数据与真实试验采集的水声环境噪声和混响数据相融合，得到最终的仿真结果。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种用于获得水下目标回波数据的方法，该方法用于模拟动态声纳以获得水下静态目标的回波数据，包含：

步骤1：建立所述目标的亮点模型，获得若干个亮点，针对不同的入射角分别从所述若干亮点中选择出对应于该入射角的贡献亮点和相对延时；

步骤2：声纳在运动中每间隔一定时间段发射声波信号照射所述目标，从声纳开始照射目标直到声纳不能照射到目标的整条运动路径上选择若干点发射声波信号并分别获取所有这些点的回波数据，共得到若干组回波数据为运动的声纳照射所述目标得到的回波数据，包含如下步骤2-1和步骤2-2：

步骤2-1：声纳发射声信号照射所述水下静止目标，得到此时声波的入射角，并查找步骤1所述该入射角对应的贡献亮点及相对延时，采用如下公式计算在该点处对应的水下回波数据，并记录存储该组回波数据：

步骤2-2：声纳继续运动到达所述若干点中的下个点，回到步骤2-1；直到声纳完成所有照射点的目标探测，此时所述记录存储的若干组回波数据为理想环境下的水下目标的回波数据；

其中，A_m是第M个亮点的反射幅度因子；τ_m第M个亮点的相对时延，由等效散射中心相对第m个亮点的声程ξ决定，τ_m＝2ξ/C，C是声速；第M个亮点回波形成时的相位跳变；N是有贡献的亮点数；所述的整条运动路径为一条直线。

2.根据权利要求1所述的用于获得水下目标回波数据的方法，其特征在于，所述建立所述目标的亮点模型根据所述目标形状确定若干亮点。

3.根据权利要求1所述的用于获得水下目标回波数据的方法，其特征在于，所述相对延时为所确定的亮点与所述目标的几何中心的距离与声速相除的结果。

4.根据权利要求1所述的用于获得水下目标回波数据的方法，其特征在于，所述得到的理想水下目标回波数据的步骤之后还包含：将理想环境下的水下目标的回波数据与真实的水声背景混响数据相融合获取最终回波数据并进行记录存储的步骤，具体包含：

首先确定水声背景，寻找能够匹配该水声背景的试验数据；

然后，从试验数据提取背景混响数据；

最后，将提取的背景混响数据与理想环境下的水下目标的回波数据进行融合，得到最终回波数据。

5.一种用于获得水下目标回波数据的系统，该系统模拟动态声纳照射水下目标以获得该目标的回波数据，包含：

提取贡献亮点和相对延时的模块，用于从该目标的亮点模型提取的亮点中依据不同的入射角提取出针对不同入射角的贡献亮点和相对延时；

获取某一位置对应的入射角回波数据的模块，用于生成声纳运动到某一位置以某一角度照射目标获得的回波数据；

第一记录存储模块，用于记录存储获得的所有入射角度对应的理想环境的回波数据。

6.根据权利要求5所述的用于获得水下目标回波数据的系统，其特征在于，所述系统还包含：

融合混响数据的模块，用于将生成的理想环境的回波数据与提取的对应于某一水声背景的混响数据进行融合，得到最终回波数据；

第二记录存储模块，用于记录存储最终回波数据。

7.根据权利要求6所述的用于获得水下目标回波数据的系统，其特征在于，所述将理想环境下的水下目标的回波数据与真实的水声背景混响数据相融合获取最终回波数据的步骤进一步包含：

首先确定水声背景，寻找能够匹配该水声背景的试验数据；

然后，从试验数据提取背景混响数据；

最后，将提取的背景混响数据与理想环境下的水下目标的回波数据进行融合，得到最终回波数据。

8.根据权利要求5所述的用于获得水下目标回波数据的系统，其特征在于，所述提取贡献亮点和相对延时的模块进一步包含：

亮点生成子模块，用于根据目标形状确定亮点；确定贡献亮点和相对延时的子模块，用于记录不同入射角对应的贡献亮点和相对延时。

9.根据权利要求5所述的用于获得水下目标回波数据的方法，其特征在于，所述建立所述目标的亮点模型根据所述目标形状确定若干亮点。

10.根据权利要求5所述的用于获得水下目标回波数据的方法，其特征在于，所述相对延时为所确定的亮点与所述目标的几何中心的距离与声速相除的结果。

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