CN106772324B - 一种水声信号模拟的方法、水声信号模拟器及成像声呐 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种水声信号的模拟方法，用于实现在陆地上对成像声呐进行调试，简化了调试工作且节约了成本。本发明实施例包括：根据所述目标物体与所述成像声呐之间的成像距离，计算出各通道信号的延迟时间；根据所述目标物体与所述成像声呐之间的成像方位，计算出各通道信号的延迟相位；根据所述延迟时间和所述延迟相位模拟出所述目标物体在接收到所述声呐发送的探测信号时，向所述成像声呐响应的水声信号；将模拟出的所述水声信号发送给所述成像声呐，以使得所述成像声呐利用所述水声信号模拟出所述目标物体。本发明实施例还提供一种水声信号模拟器和成像声呐，用于实现在陆地上对成像声呐进行调试，简化了调试工作且节约了成本。

Description

一种水声信号模拟的方法、水声信号模拟器及成像声呐
技术领域
本发明涉及声信号模拟技术领域，尤其涉及一种水声信号模拟的方法、水声信号模拟器及成像声呐。
背景技术
水下成像声纳能在零可见度的水中生成几乎等同影像质量图像的高清晰度声纳图像，水下成像声纳应用十分广泛，如水下管道检测、水下搜寻、水下工程设施检查等。
在投入使用之前，需要对水下成像声呐进行设备调试，现有技术中，需要将成像声呐放在水中进行调试，然而在实际调试时可能出现难以备营造水中调试的环境条件，这给调试工作带来的一定影响。
发明内容
本发明实施例提供了一种水声信号的模拟方法，在进行成像声呐调试时可以模拟出水声信号，无需将成像放入水中即可在陆上完成调试工作。
本发明实施例第一方面提供的一种水声信号的模拟方法，所述方法应用于水声信号模拟器，所述水声模拟器在检测到成像声呐向水下目标物体发送的探测信号时，包括如下步骤：
根据所述目标物体与所述成像声呐之间的成像距离，计算出各通道信号的延迟时间；
根据所述目标物体与所述成像声呐之间的成像方位，计算出各通道信号的延迟相位；
根据所述延迟时间和所述延迟相位模拟出所述目标物体在接收到所述声呐发送的探测信号时，向所述成像声呐响应的水声信号；
将模拟出的所述水声信号发送给所述成像声呐，以使得所述成像声呐利用所述水声信号模拟出所述目标物体。
结合本发明实施例的第一方面，在本发明实施例第一方面的第一种实现方式中，所述根据所述目标物体与所述声呐探测器之间的成像距离，计算出各通道信号的延迟时间包括：
建立水下波束照射空间散射模型；
通过建立的水下波束照射空间散射模型，利用成像声呐的双程多普勒效应公式计算出各通道信号的延迟时间。
结合本发明实施例的第一方面或第一方面的第一种实现方式，在本发明实施例第一方面的第二种实现方式中，所述根据所述目标物体与所述成像声呐之间的成像方位，计算出各通道信号的延迟相位包括：
建立所述目标物体的散射模型；
通过建立的所述散射模型，利用相位计算公式计算出出各通道信号的延迟相位。
结合本发明实施例的第一方面，在本发明实施例第一方面的第三种实现方式中，在所述水声信号模拟器在检测到成像声呐向目标物体发送的探测信号之前，所述方法还包括：
将参数初始化，并从所述成像声呐获取一帧数据；
所述水声信号模拟器从获取到的一帧数据中检测是否包括成像声呐向所述目标物体发送的探测信号。
本发明实施第二方面提供了一种水声信号的模拟方法，所述方法应用于成像声呐，包括如下步骤：
向水下目标物体发送探测信号，以使得当所述水声信号模拟器检测到所述探测信号时模拟出所述目标物体发送的响应水声信号；
接收所述水声信号模拟器发送的响应水声信号，并根据所述响应水声信号模拟出所述目标物体。
本发明实施例第三方面提供的一种水声信号模拟器，包括：所述水声信号模拟器包括水声换能器和数字信号处理板；
所述水声换能器用于接收成像声呐发送的数据；
当所述数字信号处理板根据接收到的数据检测成像声呐向水下目标物体发送的探测信号时，所述数字信号处理板用于根据所述目标物体与所述成像声呐之间的成像距离，计算出各通道信号的延迟时间；
所述数字信号处理板还用于根据所述目标物体与所述成像声呐之间的成像方位，计算出各通道信号的延迟相位；
所述数字信号处理板还用于根据所述延迟时间和所述延迟相位模拟出所述目标物体在接收到所述声呐发送的探测信号时，向所述成像声呐响应的水声信号；
所述水声换能器还用于将模拟出的所述水声信号发送给所述成像声呐，以使得所述成像声呐利用所述水声信号模拟出所述目标物体。
结合本发明实施例的第三方面，在本发明实施例第三方面的第一种实现方式中，所述数字信号处理板具体用于：
建立水下波束照射空间散射模型；
通过建立的水下波束照射空间散射模型，利用成像声呐的双程多普勒效应公式计算出各通道信号的延迟时间。
结合本发明实施例的第三方面或第三方面的第一种实现方式，在本发明实施例第三方面的第二种实现方式中，所述数字信号处理板具体用于：
建立所述目标物体的散射模型；
通过建立的所述散射模型，利用相位计算公式计算出出各通道信号的延迟相位。
结合本发明实施例的第三方面，在本发明实施例第三方面的第三种实现方式中，所述数字信号处理板具体用于：
将参数初始化，并从所述成像声呐获取一帧数据；
所述水声信号模拟器从获取到的一帧数据中检测是否包括成像声呐向所述目标物体发送的探测信号。
本发明实施例第四方面提供了一种成像声呐，所述成像声呐包括水声换能器和处理器；
所述水声换能器用于向目标物体发送探测信号，以使得当所述水声信号模拟器检测到所述探测信号时模拟出所述目标物体发送的响应水声信号；
所述水声换能器还用于接收所述水声信号模拟器发送的响应水声信号；
所述处理器用于根据接收到的响应水声信号模拟出所述目标物体。
本发明实施例提供的一种水声信号的模拟方法、水声信号模拟器及成像声呐，可以在接收到成像声呐发出的探测声信号时，根据水下目标物体与该成像声呐之间的成像距离，计算出各通道信号的延迟时间，并根据该目标物体与该成像声呐之间的成像方位，计算出各通道信号的延迟相位，再利用计算出的延迟时间和延迟相位模拟出水声信号，从而实现在陆地上对成像声呐进行调试，无需为了调试而营造有水环境，简化了调试工作且节约了成本，进一步的，成像声呐还可以根据水声信号模拟出目标物体，为成像声呐的研制提供理论支持。
附图说明
图1为本发明所提供的水声信号的模拟方法的第一实施例步骤流程图；
图2为本发明所提供的水声信号的模拟方法的第二实施例步骤流程图；
图3为本发明所提供的水声信号的模拟方法的第三实施例步骤流程图；
图4为本发明所提供的水声信号的模拟期的实施例结构示意图；
图5为本发明所提供的成像声呐的施例结构示意图。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种能够模拟出水声信号的方法，本实施例所示的水声信号模拟方法可应用于水声信号模拟器和成像声呐设备。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，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的实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面首先介绍本发明实施例中脉冲声信号检测方法的第一实施例，该水声信号模拟方法可以应用在军事领域和民事领域中，军事领域可用于水下导航定位、水下制导等，民事领域可用于海洋探测、水下通信等。
如图1所示，所述水下声信号的模拟方法具体应用于水声信号模拟器，所述水声模拟器在检测到成像声呐向水下目标物体发送的探测信号时，所述方法包括：
S12、根据所述目标物体与所述成像声呐之间的成像距离，计算出各通道信号的延迟时间；
需要说明的是，本实施例中该目标物体为小体积物体，在实际应用中，该目标物体的体积大小不作限定。
S13、根据所述目标物体与所述成像声呐之间的成像方位，计算出各通道信号的延迟相位；
S14、根据所述延迟时间和所述延迟相位模拟出所述目标物体在接收到所述声呐发送的探测信号时，向所述成像声呐响应的水声信号；
S15、将模拟出的所述水声信号发送给所述成像声呐，以使得所述成像声呐利用所述水声信号模拟出所述目标物体。
参照图2，图2为本发明脉冲声检测方法的第二实施例的流程示意图。
可选的，基于水声信号模拟方法的第一实施例，在步骤11之前，本实施例该还包括：
S10、将参数初始化，并从所述成像声呐获取一帧数据；
S11、所述水声信号模拟器从获取到的一帧数据中检测是否包括成像声呐向所述目标物体发送的探测信号，若是则执行步骤S12，若否则返回重新执行步骤S10。
可选的，基于水声信号模拟方法的第一实施例，本实施例中步骤S12具体包括：
S121、建立水下波束照射空间散射模型；
本实施例中，为了在陆地上模拟出水下环境，需要建立水下波束照射空间散射模型。
S122、通过建立的水下波束照射空间散射模型，利用成像声呐的双程多普勒效应公式计算出各通道信号的延迟时间。
其中，本实施例中的双程多普勒效应公式如下：
式中，t0表示起始时刻，tR、tT分别表示接收和发射时刻，c为声波在水中的声速。在此rmp和rnp分别表示信号收发过程中散射体元p相对于发射接收阵元m和n的距离；和分别表示从发射接收阵元m和n到散射体元p的单位向量。
可选的，基于水声信号模拟方法的第一实施例，本实施例中步骤S13具体包括：
S131、建立所述目标物体的散射模型；
S132、通过建立的所述散射模型，利用相位计算公式计算出出各通道信号的延迟相位。
其中，本实施例中相位计算公式为：
除之前表示的字母含义外，式中，Δt＝t-t0表示起始时刻后的任意时刻，Sm()表示M个发射阵元中第m个发射的信号，Rn()表示第n个接收阵元所接收的信号，Am和是发射阵元m在发射信号时引入的初始幅度和相位，Ap和则是运动目标散射体元p对阵元接收信号引入的附加幅度和相位。
本实施例提供的水声信号模拟方法，可以在接收到成像声呐发出的探测声信号时，根据水下目标物体与该成像声呐之间的成像距离，计算出各通道信号的延迟时间，并根据该目标物体与该成像声呐之间的成像方位，计算出各通道信号的延迟相位，再利用计算出的延迟时间和延迟相位模拟出水声信号，从而实现在陆地上对成像声呐进行调试，无需为了调试而营造有水环境，简化了调试工作且节约了成本。
如图3所示，所述水下声信号的模拟方法具体应用于成像声呐，所述方法包括：
S20、向水下目标物体发送探测信号，以使得当所述水声信号模拟器检测到所述探测信号时模拟出所述目标物体发送的响应水声信号；
S21、接收所述水声信号模拟器发送的响应水声信号，并根据所述响应水声信号模拟出所述目标物体。
可选的，该成像声呐还可以在模拟出目标物体之后，将该目标物体进行显示。
本实施例提供的水声信号模拟方法，可以根据水声信号模拟出目标物体并将模拟出的目标物体进行显示，能够为成像声呐的研制提供理论支持。
请参阅图4，图4为本发明提供的水声信号模拟器实施例的结构示意图，该水声信号模拟器包括水声换能器40和数字信号处理板41；
所述水声换能器40用于接收成像声呐发送的数据；
当所述数字信号处理板41根据接收到的数据检测成像声呐向水下目标物体发送的探测信号时，所述数字信号处理板41用于根据所述目标物体与所述成像声呐之间的成像距离，计算出各通道信号的延迟时间；
所述数字信号处理板41还用于根据所述目标物体与所述成像声呐之间的成像方位，计算出各通道信号的延迟相位；
可选的，本实施例中该数字信号处理板41具体用于建立水下波束照射空间散射模型，通过建立的水下波束照射空间散射模型，利用成像声呐的双程多普勒效应公式计算出各通道信号的延迟时间。
所述数字信号处理板41还用于根据所述延迟时间和所述延迟相位模拟出所述目标物体在接收到所述声呐发送的探测信号时，向所述成像声呐响应的水声信号；
可选的，本实施例中，该数字信号处理板41具体用于建立所述目标物体的散射模型，通过建立的所述散射模型，利用相位计算公式计算出出各通道信号的延迟相位。
所述水声换能器40还用于将模拟出的所述水声信号发送给所述成像声呐，以使得所述成像声呐利用所述水声信号模拟出所述目标物体。
可选的，本实施例中，该数字信号处理板41还用于在检测到成像声呐向目标物体发送的探测信号之前，将参数初始化，并从所述成像声呐获取一帧数据，所述水声信号模拟器从获取到的一帧数据中检测是否包括成像声呐向所述目标物体发送的探测信号。
本实施例提供的水声信号模拟器，可以在接收到成像声呐发出的探测声信号时，根据水下目标物体与该成像声呐之间的成像距离，计算出各通道信号的延迟时间，并根据该目标物体与该成像声呐之间的成像方位，计算出各通道信号的延迟相位，再利用计算出的延迟时间和延迟相位模拟出水声信号，从而实现在陆地上对成像声呐进行调试，无需为了调试而营造有水环境，简化了调试工作且节约了成本。
参照图5，图5为本发明提供的成像声呐实施例的结构示意图，所述成像声呐包括水声换能器50和处理器51；
所述水声换能器50用于向目标物体发送探测信号，以使得当所述水声信号模拟器检测到所述探测信号时模拟出所述目标物体发送的响应水声信号；
所述水声换能器50还用于接收所述水声信号模拟器发送的响应水声信号；
所述处理器51用于根据接收到的响应水声信号模拟出所述目标物体。
本实施例提供的成像声呐，可以根据水声信号模拟出目标物体并将模拟出的目标物体进行显示，能够为成像声呐的研制提供理论支持。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种水声信号的模拟方法，所述方法应用于水声信号模拟器，所述水声模拟器在检测到成像声呐向水下目标物体发送的探测信号时，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
根据所述目标物体与所述成像声呐之间的成像距离，计算出各通道信号的延迟时间；
建立水下波束照射空间散射模型；
通过建立的水下波束照射空间散射模型，利用成像声呐的双程多普勒效应公式计算出各通道信号的延迟时间；
所述双程多普勒效应公式为：
式中，t0表示起始时刻，tR、tT分别表示接收和发射时刻，c为声波在水中的声速；在此rmp和rnp分别表示信号收发过程中散射体元p相对于发射阵元m和接收阵元n的距离；和分别表示从发射阵元m和接收阵元n到散射体元p的单位向量；
根据所述目标物体与所述成像声呐之间的成像方位，计算出各通道信号的延迟相位；
根据所述延迟时间和所述延迟相位模拟出所述目标物体在接收到所述声呐发送的探测信号时，向所述成像声呐响应的水声信号；
将模拟出的所述水声信号发送给所述成像声呐，以使得所述成像声呐利用所述水声信号模拟出所述目标物体。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述目标物体与所述成像声呐之间的成像方位，计算出各通道信号的延迟相位包括：
建立所述目标物体的散射模型；
通过建立的所述散射模型，利用相位计算公式计算出各通道信号的延迟相位；
所述相位计算公式为：
式中，Δt＝t-t0表示起始时刻后的任意时刻，Sm()表示M个发射阵元中第m个发射的信号，Rn()表示第n个接收阵元所接收的信号，Am和是发射阵元m在发射信号时引入的初始幅度和相位，Ap和则是运动目标散射体元p对阵元接收信号引入的附加幅度和相位。
3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，在所述水声信号模拟器在检测到成像声呐向目标物体发送的探测信号之前，所述方法还包括：
将参数初始化，并从所述成像声呐获取一帧数据；
所述水声信号模拟器从获取到的一帧数据中检测是否包括成像声呐向所述目标物体发送的探测信号。
4.一种水声信号模拟器，其特征在于，所述水声信号模拟器包括水声换能器和数字信号处理板；
所述水声换能器用于接收成像声呐发送的数据；
当所述数字信号处理板根据接收到的数据检测成像声呐向水下目标物体发送的探测信号时，所述数字信号处理板用于根据所述目标物体与所述成像声呐之间的成像距离，计算出各通道信号的延迟时间；
所述数字信号处理板还用于根据所述目标物体与所述成像声呐之间的成像方位，计算出各通道信号的延迟相位；
所述数字信号处理板具体用于：
建立水下波束照射空间散射模型；
通过建立的水下波束照射空间散射模型，利用成像声呐的双程多普勒效应公式计算出各通道信号的延迟时间；
所述数字信号处理板还用于根据所述延迟时间和所述延迟相位模拟出所述目标物体在接收到所述声呐发送的探测信号时，向所述成像声呐响应的水声信号；
所述水声换能器还用于将模拟出的所述水声信号发送给所述成像声呐，以使得所述成像声呐利用所述水声信号模拟出所述目标物体。
5.根据权利要求4所述的水声信号模拟器，其特征在于，所述数字信号处理板具体用于：
建立所述目标物体的散射模型；
通过建立的所述散射模型，利用相位计算公式计算出各通道信号的延迟相位。
6.根据权利要求4所述的水声信号模拟器，其特征在于，所述数字信号处理板还用于：
在检测到成像声呐向目标物体发送的探测信号之前，将参数初始化，并从所述成像声呐获取一帧数据；
所述水声信号模拟器从获取到的一帧数据中检测是否包括成像声呐向所述目标物体发送的探测信号。
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