CN103487793B - 一种基于简正波理论的宽带混响波形仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于简正波理论的宽带混响波形仿真方法，包括如下步骤：在空间上随机布置混响散射元；设定散射回波幅度和相位调制信号；将仿真的宽带信号进行子带分解；分别计算各子带的海洋混响时间序列，叠加得到某一接收阵元处的海洋宽带混响时间序列，以此方法计算得到不同接收阵元处的海洋宽带混响时间序列。本发明反映出信道对带宽内不同频率的影响，仿真误差小，综合考虑混响仿真中的多种因素，能够自然体现出混响的空间相关性、空时特征等物理特性，能够满足空时自适应处理等混响抑制新算法对混响数据的需求。

Description

一种基于简正波理论的宽带混响波形仿真方法

技术领域

本发明涉及水声工程技术领域，尤其涉及一种基于简正波理论的宽带混响波形仿真方法。

背景技术

为了对抗现代安静型潜艇，现代主动声纳技术向低频、宽带、大功率发射、大孔径接收方向发展。混响本质上由海洋中大量散射元的散射回波叠加而成，是主动声纳的特有干扰，严重制约主动声纳的作用距离。宽带体制下的大功率发射，使得海洋宽带混响背景进一步增强。抗混响业已成为提高主动声纳探测性能不得不直面突破的技术瓶颈。舰载声纳、潜载声纳、吊放声纳、鱼雷制导声纳等都面临同样的问题。

要抑制混响，首先要获得混响数据，基于此去了解混响的特征。进行水池试验、湖上试验、海上试验，是获得混响数据的重要手段。但试验数据往往是各种特征融合在一起的，难以分离，难以控制；而且，受各种实际条件的限制，不可能经常进行海上或湖上试验，使得有效的混响试验数据缺乏。因此，基于所关心特征的物理形成机理，进行混响数值仿真，是获得混响数据、研究混响特征、进行抗混响处理的基本手段。

传统的混响建模仿真方法要么用于混响级的预报，没有考虑相位信息，不能体现出混响的其他特性；要么基于混响的时变功率谱，所得到的混响序列不能保留阵元间的相关性；要么受限于特殊应用需求，不能兼顾平台运动、收发阵元指向性、声速梯度等因素。特别地，目前的海洋混响仿真多是针对窄带体制，不能适应宽带体制下对海洋宽带混响数据的需求，若以目前现有的方法直接以宽带信号某一频率为基准进行宽带混响仿真，无法反映出信道对带宽内不同频率的影响，此时仿真误差大，难以满足实际需求。

因此需要一种能反映信道对带宽内不同频率的影响，仿真误差小，综合考虑混响仿真中的多种因素，能够自然体现出混响的空间相关性、空时特征等物理特性，能够满足空时自适应处理等混响抑制新算法对混响数据需求的宽带混响波形仿真方法。

发明内容：

本发明要解决的技术问题是提供一种基于简正波理论的宽带混响波形仿真方法，使其能兼顾平台运动、收发阵元指向性、声速梯度等因素，反映出信道对带宽内不同频率的影响，精确模拟运动或静止的多阵元混响。

为了解决上述技术问题本发明提供的技术方案为一种基于简正波理论的宽带混响波形仿真方法，该方法包括如下步骤：（1）在空间上随机布置混响散射元；（2）设定各混响散射元随机扰动所引起的散射回波幅度和相位调制信号；（3）将仿真的宽带信号通过分数阶Fourier变换进行子带分解；（4）采用点散射模型，设定接收阵元坐标，分别计算各子带的海面散射元的混响时间序列、体积散射元的混响时间序列和海底散射元的混响时间序列；（5）将各子带的海面散射元混响时间序列、体积散射元混响时间序列和海底散射元混响时间序列叠加得到各子带的海洋混响时间序列；（6）将各子带的海洋混响时间序列叠加得到所设定接收阵元处的海洋宽带混响时间序列；（7）更新接收阵元坐标，重复步骤（4）至（6）得到不同接收阵元处的海洋宽带混响时间序列。

较佳地，所述在空间上随机布置混响散射元的具体步骤为：根据仿真的宽带混响时间序列长度，确定海面散射元、体积散射元和海底散射元的分布范围，在此范围内随机分布混响散射元。在不同海域可以采用不同的分布方法，如可采用均匀分布、指数分布等。

较佳地，所述设定各混响散射元随机扰动所引起的散射回波幅度和相位调制信号的具体步骤为：选定功率谱，对所选定功率谱进行频域采样，将采样点叠加上随机相位，通过傅里叶变换得到时域复信号A(t)，时域复信号A(t)反映散射元散射回波幅度和相位调制信号。

较佳地，所述将仿真的宽带信号通过分数阶Fourier变换进行子带分解的具体步骤为：

根据 $X_p\left(u\right)={\∫}_{-\∞}^{+\∞}{K}_p(u,t)x\left(t\right)\mathrm{dt}={\∫}_{-\∞}^{+\∞}{A}_{\mathrm{\α}}{e}^{\mathrm{i\π}(u^2\cot \mathrm{\α}-2\mathrm{ut}\csc \mathrm{\α}+t^2\cot \mathrm{\α})}x\left(t\right)\mathrm{dt},$ 通过分数阶Fourier域极值搜索及分数阶Fourier域综合，对宽带信号进行连续LFM信号子带分解，上述公式中的参数描述如下：为分数阶Fourier变换的核函数，其中，复系数α=πp/2为分数阶Fourier域旋转角，p为分数阶Fourier域阶次，u为分数阶Fourier域，x(t)为发射宽带信号，X_p(u)为信号x(t)的p阶分数阶Fourier域值。

较佳地，所述步骤(4)具体包括：（41）采用点散射模型，设定接收阵元坐标；根据所需要仿真的阵型如线阵、平面阵等，将各接收阵元分布到坐标系下；（42）计算不同子带下海面散射元、体积散射元和海底散射元的本征值和本征函数；（43）计算不同子带下海面散射元、体积散射元和海底散射元的散射强度及散射元面积；（44）计算不同子带下各阶简正波经海面散射元、体积散射元和海底散射元到收、发阵元间的时延及多普勒频移；（45）计算不同子带下同一时刻的海面散射元散射回波信号、体积散射元散射回波信号和海底散射元散射回波信号；（46）计算各子带下海面散射元混响时间序列、体积散射元混响时间序列和海底散射元混响时间序列。

较佳地，所述步骤(43) 计算不同子带下各阶简正波经海面散射元、体积散射元和海底散射元到收、发阵元间的时延的具体步骤为：时延τ=r_sj/v_mg-r_jc/v_ng(1-v/v_ngcosθ)，上述公式中的参数描述如下：r_sj为发射阵元到某一散射元j的距离，r_jc为散射元j到接收阵元c的距离，v_mg、v_ng分别为某一子带下m阶、n简正波的群速度，v为平台运动速度，θ为v与散射元的夹角。

较佳地，所述步骤（45）中同一时刻的海面散射元散射回波信号是将步骤（42）所得的不同子带下海面散射元的本征值和本征函数、步骤（43）所得的不同子带下海面散射元的散射强度和散射元面积以及步骤（44）所得不同子带下各阶简正波经海面散射元到收、发阵元间的时延和多普勒频移进行叠加得到的；同一时刻的体积散射元散射回波信号是将步骤（42）所得的不同子带下体积散射元的本征值和本征函数、步骤（43）所得的不同子带下体积散射元的散射强度和散射元面积以及步骤（44）所得不同子带下各阶简正波经体积散射元到收、发阵元间的时延和多普勒频移进行叠加得到的；同一时刻的海底散射元散射回波信号是将步骤（42）所得的不同子带下海底散射元的本征值和本征函数、步骤（43）所得的不同子带下海底散射元的散射强度和散射元面积以及步骤（44）所得不同子带下各阶简正波经海底散射元到收、发阵元间的时延和多普勒频移进行叠加得到的。

较佳地，所述步骤（46）中各子带下海面散射元混响时间序列是将依据步骤（45）所得的各子带下同一时刻海面散射元散射回波信号进行幅相调制叠加得到的；各子带下体积散射元混响时间序列是将依据步骤（45）所得的各子带下同一时刻体积散射元散射回波信号进行幅相调制叠加得到的；各子带下海底散射元混响时间序列是将依据步骤（45）所得的各子带下海底时刻体积散射元散射回波信号进行幅相调制叠加得到的。

与现有技术相比，由于本发明的宽带混响波形仿真方法获得的宽带混响是在宽带体制下得到的，避免了目前的海洋混响仿真仅针对窄带体制，不能适应宽带体制下对海洋宽带混响数据的需求，能够反映出信道对带宽内不同频率的影响，本发明基于散射元回波叠加的点散射模型，综合考虑平台运动、散射元扰动、声速梯度等因素，仿真获得的宽带混响能够自然反映混响的空间相关性、空时分布等特征，满足空时自适应处理等新型混响抑制算法对混响数据的仿真验证需求，具有较高的仿真精度和较好的实用性，传统窄带混响仿真方法可视为本发明的特例。另外，本发明的仿真方法获得的海洋宽带混响应用于声纳装备性能测试、模拟训练和作战效能研究中时，还可以准确评估出声纳装备的性能，从而缩短研制周期和节省研制经费。

通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明的实施例。

附图说明

图1为本发明基于简正波理论的宽带混响波形仿真方法实施例的主流程图。

图2为某海区的实测声速剖面图。

图3为本发明基于简正波理论的宽带混响波形仿真方法得到的仿真宽带混响与实测宽带混响时域波形对比图。

图4为本发明基于简正波理论的宽带混响波形仿真方法得到的仿真宽带混响与实测宽带混响相对混响级对比图。

图5为本发明基于简正波理论的宽带混响波形仿真方法得到的仿真宽带混响与实测宽带混响空间相关性对比图。

图6为本发明基于简正波理论的宽带混响波形仿真方法得到的仿真宽带混响与实测宽带混响频谱对比图。

图7为本发明基于简正波理论的宽带混响波形仿真方法得到的仿真宽带混响统计特性与理论值对比图。

图8为实测宽带混响统计特性与理论值对比图。

图9为本发明基于简正波理论的宽带混响波形仿真方法得到的仿真宽带混响与实测宽带混响空时分布对比图。

具体实施方式

现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。如图1所示，本发明实施例的方法包括如下步骤：

步骤S1，根据仿真的宽带混响时间序列长度，确定海面散射元、体积散射元、海底散射元的分布范围，在此范围内分布混响散射元，本实施例散射元的位置分布采用球坐标系表示，即在半径、水平角、垂直角上分别均匀分布散射元。

本实施例采用的是收发合置声纳，同时到达接收阵元的散射信号，其散射元位于以收、发阵元为圆心的球体上。采用球坐标系的优势在于，球坐标系的半径对应距离，水平角对应方位角，垂直角对应俯仰角，即散射元在距离上均匀分布，在方位角和俯仰角上也均匀分布，由此得到的散射元，其分布在近距离密些、远距离疏些，既符合声纳的分辨力单元随距离变化的规律，又减小了运算量。

步骤S2，设定各混响散射元随机扰动所引起的散射回波幅度和相位调制信号。

根据具体情况，选定功率谱。如可认为扰动信号为高斯功率谱的随机信号，其谱带宽与具体的海洋环境有关，当海况较好时，可以选择较小带宽。然后对功率谱进行频域采样，将采样点叠加上随机相位，通过傅里叶变换得到时域复信号A(t)，时域复信号A(t)反映散射元散射回波幅度和相位调制信号。

步骤S3，将仿真的宽带信号通过分数阶Fourier变换进行连续LFM信号子带分解。

根据公式 $X_p\left(u\right)={\∫}_{-\∞}^{+\∞}{K}_p(u,t)x\left(t\right)\mathrm{dt}={\∫}_{-\∞}^{+\∞}{A}_{\mathrm{\α}}{e}^{\mathrm{i\π}(u^2\cot \mathrm{\α}-2\mathrm{ut}\csc \mathrm{\α}+t^2\cot \mathrm{\α})}x\left(t\right)\mathrm{dt},$ 通过分数阶Fourier域极值搜索及分数阶Fourier域综合，对宽带信号进行连续LFM信号子带分解，上述公式中的参数描述如下：为分数阶Fourier变换的核函数，其中，复系数α=πp/2为分数阶Fourier域旋转角，p为分数阶Fourier域阶次，u为分数阶Fourier域，x(t)为仿真宽带信号，X_p(u)为信号x(t)的p阶分数阶Fourier域值。

步骤S4，采用点散射模型，设定接收阵元坐标，即根据所需要仿真的阵型，将各接收阵元分布到坐标系下。

步骤S5，计算不同子带下海面散射元、海底散射元和体积散射元的本征值和本征函数。

步骤S6，计算不同子带下海面散射元、海底散射元和体积散射元的散射强度及散射元面积。

步骤S7，计算不同子带下各阶简正波经海面散射元、海底散射元和体积散射元到收、发阵元间的时延及多普勒频移。

根据公式计算时延τ=r_sj/v_mg-r_jc/v_ng(1-v/v_ngcosθ)，其中，r_sj为发射阵元到某一散射元j的距离，r_jc为散射元j到接收阵元c的距离，v_mg、v_ng分别为某一子带下m阶、n简正波的群速度，v为平台运动速度，θ为v与散射元的夹角。

步骤S8，计算同一时刻的海面散射元散射回波信号、体积散射元散射回波信号和海底散射元散射回波信号，其中：

同一时刻的海面散射元散射回波信号是将上述不同子带下海面散射元的本征值、本证函数，海面散射元的散射强度和散射面积以及各阶简正波经海面散射元到收、发阵元间的时延和多普勒频移进行叠加得到的。

同一时刻的体积散射元散射回波信号是将上述不同子带下体积散射元的本征值、本证函数，体积散射元的散射强度和散射面积以及各阶简正波经体积散射元到收、发阵元间的时延和多普勒频移进行叠加得到的。

同一时刻的海底散射元散射回波信号是将上述不同子带下海底散射元的本征值、本证函数，海底散射元的散射强度和散射面积以及各阶简正波经海底散射元到收、发阵元间的时延和多普勒频移进行叠加得到的。

步骤S9，计算各子带的海面散射元混响时间序列、体积散射元混响时间序列和海底散射元混响时间序列，其中：

各子带下海面散射元混响时间序列是将各子带下同一时刻海面散射元散射回波信号进行幅相调制叠加得到的；

各子带下体积散射元混响时间序列将各子带下同一时刻体积散射元散射回波信号进行幅相调制叠加得到的；

各子带下海底散射元混响时间序列是将各子带下同一时刻海底散射元散射回波信号进行幅相调制叠加得到的。

步骤S10，将各子带的海面散射元混响时间序列、体积散射元混响时间序列和海底散射元混响时间序列叠加得到各子带的海洋混响时间序列。

步骤S11，将各子带的海洋混响时间序列叠加得到所设定接收阵元处的海洋宽带混响时间序列。

步骤S12，更新接收阵元坐标，重复步骤S4至S11得到不同接收阵元处的海洋宽带混响时间序列。即得到接收阵列的海洋宽带混响时间序列。

本实施例宽带混响波形仿真方法，获得的混响是在宽带体制下得到的，反映出信道对带宽内不同频率的影响，兼顾平台运动、收发阵元指向性、声速梯度等因素，精确模拟运动或静止的多阵元混响。

如图2所示，试验海区的声速分布为在15m内近似为恒声速剖面，在15m~35m范围内近似为负声速剖面，35m以下又近似为恒声速剖面。

如图3和图4所示，随着时间的增加，混响幅度在起伏中逐渐减小，采用本发明的基于简正波理论的宽带混响波形仿真方法得到的仿真宽带混响与实测混响都反映出这种特性，且两者的相对混响级震荡趋势吻合较好。

如图5所示，除参考阵元自相关外，采用本发明的基于简正波理论的宽带混响波形仿真方法得到的其余接收阵元的仿真宽带混响与实测混响的空间相关系数均很小，试验中阵元间距为半波长，空间相关系数近似对应理论值sinc函数的零点。将阵元间距由半波长调整为十分之一波长，则仿真混响空间相关系数与理论值吻合。

如图6所示，受平台运动速度及发射信号低频条件限制，实测混响的频谱相对于发射信号频谱扩展不明显，采用本发明的基于简正波理论的宽带混响波形仿真方法得到的仿真宽带混响的频谱也反映出这种特性，与实测混响频谱吻合较好

如图7、图8所示，采用本发明的基于简正波理论的宽带混响波形仿真方法得到的仿真宽带混响与实测混响，其包络均服从瑞利分布、瞬时值均服从高斯分布与理论值吻合。

如图9所示，采用本发明的基于简正波理论的宽带混响波形仿真方法得到仿真宽带混响与实测混响，其空时分布均为斜线带，受平台运动速度限制，倾斜不明显，与正侧视阵情况下的理论分析结果一致。

以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。

Claims (7)

1.一种基于简正波理论的宽带混响波形仿真方法，该方法包括如下步骤：

(1)在空间上随机布置混响散射元；

(2)设定各混响散射元随机扰动所引起的散射回波幅度和相位调制信号；

(3)将仿真的宽带信号通过分数阶Fourier变换进行子带分解，具体是：根据 $X_p\left(u\right)={\∫}_{-\∞}^{+\∞}{K}_p(u,t)x\left(t\right)\mathrm{dt}={\∫}_{-\∞}^{+\∞}{A}_{\mathrm{\α}}{e}^{\mathrm{i\π}(u^2\cot \mathrm{\α}-2\mathrm{ut}\csc \mathrm{\α}+t^2\cot \mathrm{\α})}x\left(t\right)\mathrm{dt},$ 通过分数阶Fourier域极值搜索及分数阶Fourier域综合，对宽带信号进行连续LFM信号子带分解，上述公式中的参数描述如下：为分数阶Fourier变换的核函数，其中，复系数α＝πp/2为分数阶Fourier域旋转角，p为分数阶Fourier域阶次，u为分数阶Fourier域，x(t)为发射宽带信号，X_p(u)为信号x(t)的p阶分数阶Fourier域值；

(4)分别计算仿真宽带信号的各子带的海面散射元的混响时间序列、体积散射元的混响时间序列和海底散射元的混响时间序列；

(5)将各子带的海面散射元混响时间序列、体积散射元混响时间序列和海底散射元混响时间序列叠加得到各子带的海洋混响时间序列；

(6)将各子带的海洋混响时间序列叠加得到所设定接收阵元处的海洋宽带混响时间序列；

(7)更新接收阵元坐标，重复步骤(4)至(6)得到不同接收阵元处的海洋宽带混响时间序列。

2.根据权利要求1所述的一种基于简正波理论的宽带混响波形仿真方法，其特征在于，所述步骤(1)是根据仿真的宽带混响时间序列长度，确定海面散射元、体积散射元和海底散射元的分布范围，在此范围内随机分布混响散射元。

3.根据权利要求1所述的一种基于简正波理论的宽带混响波形仿真方法，其特征在于，所述步骤(2)的具体步骤为：选定功率谱；对所选定功率谱进行频域采样；将采样点叠加上随机相位；通过傅里叶变换得到时域复信号A(t)，时域复信号A(t)反映散射元散射回波幅度和相位调制信号。

4.根据权利要求1所述的一种基于简正波理论的宽带混响波形仿真方法，其特征在于，所述步骤(4)具体包括：

(41)采用点散射模型，设定接收阵元坐标；

(42)计算不同子带下海面散射元、体积散射元和海底散射元的本征值和本征函数；

(43)计算不同子带下海面散射元、体积散射元和海底散射元的散射强度及散射元面积；

(44)计算不同子带下各阶简正波经海面散射元、体积散射元和海底散射元到收、发阵元间的时延及多普勒频移；

(45)计算不同子带下同一时刻的海面散射元散射回波信号、体积散射元散射回波信号和海底散射元散射回波信号；

(46)计算各子带下海面散射元混响时间序列、体积散射元混响时间序列和海底散射元混响时间序列。

5.根据权利要求4所述的一种基于简正波理论的宽带混响波形仿真方法，其特征在于，所述步骤(44)中的时延为：上述公式中的参数描述如下：r_sj为发射阵元到某一散射元j的距离，r_jc为散射元j到接收阵元c的距离，v_mg、v_ng分别为某一子带下m阶、n简正波的群速度，v为平台运动速度，θ为v与散射元的夹角。

6.根据权利要求4所述的一种基于简正波理论的宽带混响波形仿真方法，其特征在于，

所述步骤(45)中同一时刻的海面散射元散射回波信号是将步骤(42)所得的不同子带下海面散射元的本征值和本征函数、步骤(43)所得的不同子带下海面散射元的散射强度和散射元面积以及步骤(44)所得不同子带下各阶简正波经海面散射元到收、发阵元间的时延和多普勒频移进行叠加得到的，

同一时刻的体积散射元散射回波信号是将步骤(42)所得的不同子带下体积散射元的本征值和本征函数、步骤(43)所得的不同子带下体积散射元的散射强度和散射元面积以及步骤(44)所得不同子带下各阶简正波经体积散射元到收、发阵元间的时延和多普勒频移进行叠加得到的，

同一时刻的海底散射元散射回波信号是将步骤(42)所得的不同子带下海底散射元的本征值和本征函数、步骤(43)所得的不同子带下海底散射元的散射强度和散射元面积以及步骤(44)所得不同子带下各阶简正波经海底散射元到收、发阵元间的时延和多普勒频移进行叠加得到的。

7.根据权利要求4所述的一种基于简正波理论的宽带混响波形仿真方法，其特征在于，

所述步骤(46)中各子带下海面散射元混响时间序列是将依据步骤(45)所得的各子带下同一时刻海面散射元散射回波信号进行幅相调制叠加得到的，

各子带下体积散射元混响时间序列是将依据步骤(45)所得的各子带下同一时刻体积散射元散射回波信号进行幅相调制叠加得到的，

各子带下海底散射元混响时间序列是将依据步骤(45)所得的各子带下同一时刻海底散射元散射回波信号进行幅相调制叠加得到的。