CN103941250A - 一种被动声纳阵列信号仿真中的海洋信道仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种被动声纳阵列信号仿真中的海洋信道仿真方法，包括以下步骤：第一步：在主机中加载实测海洋环境参数；第二步：在主机端利用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；第三步：主机从DSP板读取水声目标运动坐标，每次读取水声目标运动坐标后，主机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，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L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。该仿真方法可完成对水声传播信道的实时仿真，同时确保仿真精度。

Description

一种被动声纳阵列信号仿真中的海洋信道仿真方法

技术领域

本发明属于信号处理领域，具体来说，涉及一种被动声纳阵列信号仿真中的海洋信道仿真方法。 

背景技术

声波水下信息传递最有效的载体形式，但是海洋信道复杂多变，包括传播损失，多径效应，多普勒效应等等。此外，海洋信道还随着时间和空间的变化而变化，例如北海的海洋信道和南海的不同，北海海洋信道在不同季节、不同气候和不同时间点的海洋信道也不一样。BELLHOP射线模型是一种常见的海洋信道模型，其在高频和复杂环境下具有计算效率上的绝对优势，同时由于射线模型中的声线方程与信号频率无关，在宽带模拟时只需要求解一次射线轨迹，大大简化了计算量。 

在对此方法的研究和实践过程中，本发明的发明人发现：利用BELLHOP射线模型生成的本征声线条数很多，但是选取的本征声线条数过多不利于海洋信道的实时仿真，选取的本征声线条数过少又会降低仿真的精度。另外，以每个采样间隔逐次计算海洋信道脉冲响应序列，固然保证了水声阵列信号仿真的准确性，但是达不到信号仿真实时性的要求。 

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种被动声纳阵列信号仿真中的海洋信道仿真方法，该仿真方法通过主机和DSP的交互完成对水声传播信道的实时仿真，且同时确保仿真精度。 

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是： 

一种被动声纳阵列信号仿真中的海洋信道仿真方法，该仿真方法包括以下步骤： 

第一步：在主机中加载实测海洋环境参数，实测海洋环境参数包括声速曲线、信号源的水平位置和垂直深度、波束的出射开角、波束传播的最远距离和最大深度、海底系数、海面系数和海洋环境的中心频率； 

第二步：基于第一步中的实测海洋环境参数，在主机端利用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； 

第三步：主机从DSP板读取水声目标运动坐标，每次读取水声目标运动坐标后，主机根据水声目标的当前坐标和各个阵元的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L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；L的取值范围为128—512之间的整数。 

进一步，所述的第三步中，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m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m条时，将所有的本征声线按照幅度衰减降序排列，筛选出前m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，m为10-20之间的整数。 

进一步，所述的第三步中，测算当前的海洋信道脉冲响应序列的过程是：首先选取布放在海洋中的所有阵元组成的基阵中最靠近几何中心的阵元为参考阵元，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t_i为： 

$t_i=\left({\mathrm{positon}}_{{\mathrm{array}}_i-{\mathrm{positon}}_{\mathrm{tarage}}}\right)/c$   式(2) 

其中，为第i号阵元的坐标，positon_target为水声目标的当前坐标，c为海洋中声波传播速度； 

各个阵元的信号到达时间t_i相对于参考阵元的信号到达时间t_i0的时延差为： 

$t_i=t_{i0}=({\mathrm{positon}}_{{\mathrm{array}}_i}-{\mathrm{positon}}_{t\arg \mathrm{et}})/c-({{\mathrm{positon}}_{\mathrm{array}}}_{i_0}-{\mathrm{positon}}_{t\arg \mathrm{et}})/c$   式(3) 

其中，下标i0表示参考阵元的序号，表示参考阵元的坐标； 

水声目标辐射噪声信号从当前坐标到达各个阵元的海洋信道脉冲响应序列h_i(n)为： 

  式(4) 

其中，i表示第i号阵元，k表示第k条本征声线，m_i为第i号阵元对应的本征声线数目，|a_ik|表示第i号阵元的第k条本征声线的幅度衰减，表示第i号阵元的第k条本征声线的相移，τ_ik表示第i号阵元的第k条本征声线的传播时延；e表示数学常数，为2.7182818，j表示虚数单位，n表示整型变量，σ(n-τ_ik-(t_i-t_i0)表示单位采样信号，σ(n-τ_ik-(t_i-t_i0)满足： 

$\mathrm{\σ}(n-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ik}}-(t_i-t_{i0}))=\left\{\begin{array}{cc}1& n={\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ik}}+(t_i-t_{i0})\\ 0& n\≠{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ik}}+(t_i-t_{i0})\end{array}\right.$   式(5) 

进一步，所述的被动声纳阵列信号仿真中的海洋信道仿真方法，其特征在于，还包括第四步，将水声目标实时发出的目标辐射噪声信号和海洋信道脉冲响应序列h_i(n)相卷积，获得实时仿真的被动声纳阵列信号。 

进一步，所述的第二步中，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。 

进一步，所述的第三步中，当海洋声速曲线为负声速梯度曲线时，m为10，当海洋声速曲线为均匀声速梯度或正声速梯度曲线时，m为20。 

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下有益效果： 

1.该仿真方法通过主机和DSP的交互完成对水声传播信道的实时仿真，且同时确保仿真精度。本发明的仿真方法选取n条本征声线条数来模拟海洋信道，以L个采样间隔为间隔更新海洋信道，实时生成的阵列信号基本保证了信号的能量和信号的连续性。即，在保证仿真精度的同时提高了海洋信道在DSP上实时仿真的速度，且保证实时仿真系统的采样率不低于6KHz，提升了海洋信道仿真的采样率，加快了仿真速度。 

2.本发明的方法利用Bellhop软件包实现实时的海洋信道仿真，具有工程实用性。 

3.本发明的方法可以导入实际海洋环境参数来模拟海洋信道，具有开放性。附图说明 

图1为本发明的流程图。 

图2为实施例1中导入的海洋声速曲线。 

图3为实施例1中阵元信号实部的幅度序列。 

图4为实施例1中阵元信号的相位序列。 

图5为实施例1中阵元信号的功率谱。 

具体实施方式

下面将结合本发明实施例及附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。 

如图1所示，本发明的一种被动声纳阵列信号仿真中的海洋信道仿真方法，包括以下步骤： 

第一步：在主机中加载实测海洋环境参数，实测海洋环境参数包括声速曲线、信号源的水平位置和垂直深度、波束的出射开角、波束传播的最远距离和最大深 度、海底系数、海面系数和海洋环境的中心频率。 

第二步：基于第一步中的实测海洋环境参数，在主机端利用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。 

在第二步中，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。 

第三步：主机从DSP板读取水声目标运动坐标，每次读取水声目标运动坐标后，主机根据水声目标的当前坐标和各个阵元的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L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；L的取值范围为128—512之间的整数。作为优选，L为256。 

在第三步中，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m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m条时，将所有的本征声线按照幅度衰减降序排列，筛选出前m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，m为10-20之间的整数。当海洋声速曲线为负声速梯度曲线时，m为10，当海洋声速曲线为均匀声速梯度或正声速梯度曲线时，m为20。 

测算当前的海洋信道脉冲响应序列的过程是：首先选取布放在海洋中的所有阵元组成的基阵中最靠近几何中心的阵元为参考阵元，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t_i为： 

$t_i=\left({\mathrm{positon}}_{{\mathrm{array}}_i-{\mathrm{positon}}_{\mathrm{tarage}}}\right)/c$   式(2) 

其中，为第i号阵元的坐标，positon_target为水声目标的当前坐标，c为海洋中声波传播速度； 

各个阵元的信号到达时间t_i相对于参考阵元的信号到达时间t_i0的时延差为： 

$t_i=t_{i0}=({\mathrm{positon}}_{{\mathrm{array}}_i}-{\mathrm{positon}}_{t\arg \mathrm{et}})/c-({{\mathrm{positon}}_{\mathrm{array}}}_{i_0}-{\mathrm{positon}}_{t\arg \mathrm{et}})/c$   式(3) 

其中，下标i0表示参考阵元的序号，表示参考阵元的坐标； 

水声目标辐射噪声信号从当前坐标到达各个阵元的海洋信道脉冲响应序列h_i(n)为： 

  式(4) 

其中，i表示第i号阵元，k表示第k条本征声线，m_i为第i号阵元对应的本征声线数目，|a_ik|表示第i号阵元的第k条本征声线的幅度衰减，表示第i号阵元的第k条本征声线的相移，τ_ik表示第i号阵元的第k条本征声线的传播时延；e表示数学常数，为2.7182818，j表示虚数单位，n表示整型变量，σ(n-τ_ik-(t_i-t_i0))表示单位采样信号，满足： 

$\mathrm{\σ}(n-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ik}}-(t_i-t_{i0}))=\left\{\begin{array}{cc}1& n={\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ik}}+(t_i-t_{i0})\\ 0& n\≠{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ik}}+(t_i-t_{i0})\end{array}\right.$   式(5) 

进一步，上述的被动声纳阵列信号仿真中的海洋信道仿真方法，还包括第四步，将水声目标实时发出的目标辐射噪声信号和海洋信道脉冲响应序列h_i(n)相卷积，获得实时仿真的被动声纳阵列信号。 

下面例举一实施例。 

实施例 

现有实测浅海海洋环境参数：海底声速：1650m/s，海底密度1.6g/cm³，海底吸收系数0.59dB/Wavelength，海深100m，海洋声速曲线如图2所示。 

首先，在主机加载实测海洋环境参数，包括信号源的水平位置500m和垂直深度60m，波束出射开角为-20°～20°，波束传播的最远距离为50km，最大深度为100m，海洋环境的中心频率3KHz，以及海底声速、海底密度、海底吸收系数和海洋声速曲线等。同时，在DSP端实时仿真水声目标的运动轨迹，水声目标以30m/s的速度沿角度60°的方向匀速移动，目标辐射噪声信号假定为复数单频信号，采样率为f_s＝6KHz，单频信号的频率为50Hz。 

接着，在主机端利用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。 

然后，主机每隔256个采样点从DSP板读取一次目标运动坐标，主机根据水声目标的当前坐标和各个阵元的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，当从不同水声目标位置传播到不同阵元的本征声线小于10条时， 选出所有本征声线，当本征声线大于或等于10条时，将所有的本征声线按照幅度衰减降序排列，筛选出前10条本征声线，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。再通过总线将求得的海洋信道脉冲响应序列加载进DSP板。 

最后，将水声目标实时发出的目标辐射噪声信号和海洋信道脉冲响应序列h_i(n)相卷积，获得实时仿真的被动声纳阵列信号。并且对实时仿真的阵元信号分析研究，发现选取10条本征声线来模拟海洋信道，以256个采样间隔更新海洋信道，生成的阵列信号基本保证了信号的能量和信号的连续性，阵元信号实部序列如图3，阵元信号的相位序列如图4，阵元信号实部的功率谱如图5所示。从图3和图4看出阵元信号的实部序列和相位序列没有明显的跳变，从图5看出阵元信号实部的功率谱只在50Hz频率附近有峰值，在其他频率功率谱几乎为0。也就是说，阵元信号实部的功率谱在50Hz频率附近以外的频率没有毛刺。这恰恰反映了阵元信号的连续性。此外，在DSP板利用DSP的0号定时器测试单位时间内生成的阵元信号序列长度为6000，满足采样率f_s＝6KHz的仿真速度要求。 

以上对本发明实施例所提供的一种被动声纳阵列信号仿真中的海洋信道仿真方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。 

Claims (7)

1.一种被动声纳阵列信号仿真中的海洋信道仿真方法，其特征在于，该仿真方法包括以下步骤： 

第一步：在主机中加载实测海洋环境参数，实测海洋环境参数包括声速曲线、信号源的水平位置和垂直深度、波束的出射开角、波束传播的最远距离和最大深度、海底系数、海面系数和海洋环境的中心频率； 

第二步：基于第一步中的实测海洋环境参数，在主机端利用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； 

第三步：获得实时的海洋信道脉冲响应序列：主机从DSP板读取水声目标运动坐标，每次读取水声目标运动坐标后，主机根据水声目标的当前坐标和各个阵元的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L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；L的取值范围为128—512之间的整数。 

2.按照权利要求1所述的被动声纳阵列信号仿真中的海洋信道仿真方法，其特征在于，所述的第三步中，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m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m条时，将所有的本征声线按照幅度衰减降序排列，筛选出前m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，m为10-20之间的整数。 

3.按照权利要求1所述的被动声纳阵列信号仿真中的海洋信道仿真方法，其特征在于，所述的第三步中，测算当前的海洋信道脉冲响应序列的过程是：首先选取布放在海洋中的所有阵元组成的基阵中最靠近几何中心的阵元为参考阵元，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t_i为： 

  式(2) 

其中，为第i号阵元的坐标，positon_target为水声目标的当前坐标，c为海洋中声波传播速度； 

各个阵元的信号到达时间t_i相对于参考阵元的信号到达时间t_i0的时延差为： 

  式(3) 

其中，下标i0表示参考阵元的序号，表示参考阵元的坐标； 

水声目标辐射噪声信号从当前坐标到达各个阵元的海洋信道脉冲响应序列h_i(n)为： 

  式(4) 

其中，i表示第i号阵元，k表示第k条本征声线，m_i为第i号阵元对应的本征声线数目，|a_ik|表示第i号阵元的第k条本征声线的幅度衰减，表示第i号阵元的第k条本征声线的相移，τ_ik表示第i号阵元的第k条本征声线的传播时延；e表示数学常数，为2.7182818，j表示虚数单位，n表示整型变量，σ(n-τ_ik-(t_i-t_i0)表示单位采样信号，σ(n-τ_ik-(t_i-t_i0)满足： 

  式(5) 。

4.按照权利要求1所述的被动声纳阵列信号仿真中的海洋信道仿真方法，其特征在于，还包括第四步，将水声目标实时发出的目标辐射噪声信号和海洋信道脉冲响应序列h_i(n)相卷积，获得实时仿真的被动声纳阵列信号。 

5.按照权利要求1所述的被动声纳阵列信号仿真中的海洋信道仿真方法，其特征在于，所述的第二步中，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。 

6.按照权利要求2所述的被动声纳阵列信号仿真中的海洋信道仿真方法，其特征在于，所述的第三步中，当海洋声速曲线为负声速梯度曲线时，m为10，当海洋声速曲线为均匀声速梯度或正声速梯度曲线时，m为20。 

7.按照权利要求1所述的被动声纳阵列信号仿真中的海洋信道仿真方法，其特征在于，所述的第三步中，L为256。