CN107219513A - 水下运动目标回波模拟方法及收发一体化装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水下运动目标回波模拟方法及收发一体化装置，通过发射、接收两个子系统的数字部分有机集成、共用，成为一体化设计；通过两次发射、接收，并在两次发射、接收过程之间插入目标运动信息，模拟水下运动目标回波；在水池有限的环境中，在不使用主动声呐目标模拟器的条件下，可模拟包含目标多普勒频移、波形压缩或扩展、目标距离和方位随速度变化等运动信息的目标回波，可比较逼真地模拟水下目标探测的主动工作方式。使用该装置可完成单脉冲体制下的水下运动目标探测、跟踪以及多脉冲体制的信号积累检测等先进水下信号处理的水池实验。

Description

水下运动目标回波模拟方法及收发一体化装置

技术领域

本发明属于水下目标探测领域，涉及一种水下运动目标回波模拟方法及收发一体化装置，用于水下目标探测研究，是一种为声呐、水声探测系统研制的消声水池实验装置，主要涉及一种水下运动目标回波模拟和探测一体化装置及其运动目标回波模拟方法。

背景技术

随着科学技术的高度发展，人们对覆盖地球总面积70％的海洋的认识逐渐深化。由于海洋资源在经济上的巨大潜力和海洋领海权在国家战略上的重要地位越来越被人们所重视，海洋的研究开发已成为21世纪的重要课题。近年来，水声技术、水下信号处理研究及水声设备发展很快，为海洋研究开发提供了重要的技术手段。在水声信号处理理论研究、水声设备工程研制以及水声设备验收、定型考核中，水声实验研究、实验验证是一个十分重要的方面。在当前海洋探测科学研究及水声装备迅速发展的前提下，水声实验任务非常繁重，因此，设计研制科学有效的水声实验装置，开展水声模拟实验方法研究具有特别重要的意义。

水声实验类型包括消声水池实验和湖海外场实验两种，其中水池实验环境较好，有利于定量研究水声探测理论、方法性能及水声设备的一些技术指标，湖海外场实验能够描述水声设备的实际工作环境，可考核作用距离等技术指标，两类水声实验各有用途和特点。

在消声水池实验中，声呐等水声设备的水池实验类型较多，内容丰富，但在模拟水声设备目标探测的实验方面，现有的水下目标探测水池实验一般包含有两个子系统，一个子系统作为发射系统或者信号源，用于产生目标信号、发射信号，另一个子系统作为接收系统，用于接收、采集、存储信号以及处理信号。这种实验模式从形式和本质上都是模拟了水下目标探测的被动工作方式，不能很好地模拟水下目标探测的主动工作方式，也很难模拟目标与探测平台有相对运动时目标回波的运动属性。如果要模拟主动探测工作方式，就需要使用主动声呐目标模拟器配合或者直接使用真实目标，而使用主动声呐目标模拟器就必须研制或者租用满足技术要求的专用声呐目标模拟器，直接使用潜艇、水下航行器等大型目标在消声水池中进行实验几乎是不可能的。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种水下运动目标回波模拟方法及收发一体化装置，解决现有水下目标探测水池实验系统难以模拟目标回波运动属性的问题。在消声水池有限的环境中模拟水下运动目标回波，并进行单脉冲体制下的水下运动目标探测、跟踪以及多脉冲体制下的信号积累检测等先进水下信号处理水池实验。

技术方案

一种水下运动目标回波模拟方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：将产生的脉冲波形u(n)转换为模拟信号u(t)，u(n)＝u(t)_t＝n/fs1；所述脉冲波形u(n)的脉宽T，带宽B，转换模拟信号的转换速率f_s1，脉冲重复周期PRT；n为正整数表示采样序号；

步骤2：对模拟信号u(t)进行功率放大后通过发射阵的单阵元向水介质中发射声波，声波传播后为x(t)＝u(t)*h(t)，h(t)是信道特性；

步骤3：将接收的经过水介质传播的声波x(t)进行放大和滤波；

步骤4：以采样频率f_s2对声波x(t)进行采集，得到Q个脉冲波形x(n)＝x(t)_t＝n/fs2＝x(n/f_s2)；所述采样频率f_s2满足采样定理；

如果需要得到加入运动信息的水声信号，则继续以下步骤：

步骤5、离线处理Q个脉冲波形：对波形压缩y(n)＝x(κn)，第q个脉冲波形y(n-dτ)，其中距离走动第一个脉冲距离走动为0；其中：压缩量κ＝1-β，v_r为以速度运动的目标信息的距离向分量，v_θ为速度的方位向分量；c为水中声速；

步骤6：将处理的Q个脉冲按照时间顺序，依次切换到发射阵的单阵元上，然后进行数模转换为模拟信号z_q(t)，将模拟信号z_q(t)进行功率放大并发射水介质中，声波传播后为z'_q(t)＝z_q(t)*h(t)；

当单个阵元切换时，第q个脉冲的波形为z_q(n)＝y(n-dτ)，应切换的阵元位置为dl＝(q-1)v_θ·PRT，模拟速度为v_θ＝Δ/PRT的运动目标；若每两个阵元切换一次时，模拟速度为v_θ＝2Δ/PRT；其中：Δ为阵元间距；

步骤7：接收阵元接收经过水介质传播的声波，第m个阵元信号为g_m(t)＝z'_q[t-τ_m(θ)]，其中其中Δ是阵元间距，θ是声源方向；

步骤8：在数字系统端，以采样频率f_s2对接收阵元接收进行采样，得到信号数据g_m(n)＝g_m(n/f_s2)。

一种实现所述水下运动目标回波模拟方法的收发一体化装置，其特征在于包括数字系统、发射系统和接收系统；所述数字系统包括数据采集单元和计算单元；所述发射系统包括功率放大单元和发射阵；所述接收系统包括模拟预处理单元和接收阵；发射阵和接收阵布放于消声水池的两端，接收阵通过模拟预处理单元与数据采集单元连接，数据采集单元通过功率放大单元与发射阵连接，数据采集单元与计算单元连接；信息流为：计算单元产生的原始发射信号，经过数据采集单元转换为模拟信号，经过功率放大单元将该信号放大后通过发射阵向水介质中发射原始信号波形的声波；接收阵接收经过水介质传播的原始波形后由模拟预处理单元将该信号放大滤波，数据采集单元转换为数字信号后输出至计算单元，完成原始信号的一次发射和接收；如果需要得到加入运动信息的水声信号，则由计算单元对接收的信号加入目标运动信息，生成运动目标回波波形后由数据采集单元转换为模拟信号，再次经过功率放大单元将信号放大后通过发射阵向水介质中发射运动目标回波波形的声波；接收阵接收经过水介质传播的运动目标回波波形的声波后由模拟预处理单元将该信号放大滤波，数据采集单元转换为数字信号后输出至计算单元，计算单元得到具有运动信息的水声信号。

所述各单元之间的连接电缆采用屏蔽电缆；接收阵端和发射阵端的屏蔽电缆连接为水密连接；其它各连接端为BNC连接。

所述数据采集单元包括一个DAC卡、二个ADC卡和一个PXLe-1073机箱；DAC卡的模拟输出端通过BNC信号线与发射系统的功率放大单元输入端连接，DAC卡的数字IO线与模拟预处理的TVG端口连接；ADC卡的模拟输入端与模拟预处理输出端连接，ADC卡的数字输出端通过ExpressCard卡与计算单元连接。

所述数据采集单元的ADC卡，采用24位分辨率、114dB动态范围的高速高精度多通道数据采集卡。

有益效果

本发明提出的一种水下运动目标回波模拟方法及收发一体化装置，用于水声探测研究、水声设备研制、验收的水池实验。在硬件方面，通过发射、接收两个子系统的数字部分有机集成、共用，成为一体化设计；在方法上，通过两次发射、接收，并在两次发射、接收过程之间插入目标运动信息，模拟水下运动目标回波；在水池有限的环境中，在不使用主动声呐目标模拟器的条件下，可模拟包含目标多普勒频移、波形压缩或扩展、目标距离和方位随速度变化等运动信息的目标回波，可比较逼真地模拟水下目标探测的主动工作方式。使用该装置可完成单脉冲体制下的水下运动目标探测、跟踪以及多脉冲体制的信号积累检测等先进水下信号处理的水池实验。

本发明结构紧凑，使用方便，功能多，精度高。使用一般的实验室设备就可以构建，便于推广应用。

附图说明

图1为运动目标回波模拟和探测一体化装置组成框图；

图2为运动目标回波模拟方法示意图；

图3为工作流程图；

图4为装置在消声水池布放安装示意图；

图5为数字系统连接图

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

硬件方案：

水下运动目标回波模拟和探测一体化装置，包括数字系统、发射系统、接收系统、屏蔽电缆。

图1是运动目标回波模拟和探测一体化装置组成框图，包括数字系统、发射系统、接收系统，其中数字系统包括数据采集系统和计算机系统，而数据采集系统包括数据采集机箱、DAC卡、ADC卡，发射系统包括功率放大器和发射阵，接收系统包括预处理和接收阵。

连接线、连接接口及连接方式如图1所示。

所述的数字系统，包括数据采集系统机箱和计算机系统，所述的数据采集系统机箱带有MXIe接口，所述的计算机系统带有ExpressCard插槽，二者由带有MXIe接口、ExpressCard的屏蔽电缆连接。

所述的发射系统，包括功率放大器和发射阵，二者由大功率屏蔽电缆连接，其中大功率屏蔽电缆是由发射阵引出的电缆，发射阵端水密连接，功率放大器端螺栓连接，并通过屏蔽电缆连接功率放大器和数据采集系统，两端均为BNC连接。

所述的接收系统，包括预处理和接收阵，二者由屏蔽电缆连接，其中屏蔽电缆是由接收阵引出的电缆，接收阵端水密连接，预处理端BNC连接，并通过屏蔽电缆连接预处理和数据采集系统，两端均为BNC连接。

所述的水下运动目标回波模拟和探测一体化装置，其特征在于，发射系统和接收系统共用数字系统，其中所述的数据采集系统机箱将DAC卡和ADC卡集成于一体，所述的计算机系统则由一台计算机担任，数据采集系统机箱和计算机系统由带有MXIe接口、ExpressCard的屏蔽电缆连接，发射数据、接收数据共用所述的屏蔽电缆。

所述的数据采集系统的ADC卡，其特征在于，是24位分辨率、114dB动态范围的高速高精度多通道数据采集卡。

所述的数据采集系统的DAC卡，其特征在于，多路数字IO端连接到模拟预处理的TVG控制端，多路数字IO组合成TVG控制信号。多路数字IO线是DAC卡的引出线，通过DB9接口与模拟预处理的TVG控制端连接。

水下运动目标回波模拟方法：

图2是运动目标回波模拟方法。以任意形式的多脉冲波形为例，对运动目标回波模拟方法。

本发明中模拟水下运动目标回波的步骤如下：

步骤1.在计算机系统中产生发射脉冲波形u(n)，脉宽T，带宽B，采样率f_s1，脉冲重复周期PRT。并由DAC卡将其转换为模拟信号u(t)，u(n)＝u(t)_t＝n/fs1，传送至发射系统。

步骤2.发射系统将原始波形进行功率放大，并通过发射阵向水介质中发射原始信号波形的声波。声波传播后为x(t)＝u(t)*h(t)，h(t)是信道特性。

步骤3.接收系统中的接收阵接收经过水介质传播的原始波形，波形x(t)，并由模拟预处理设备放大、滤波后，传送至ADC卡。步骤2和步骤3称为第一次发射、接收。

如果需要得到加入运动信息的水声信号，则继续以下步骤：

步骤4.在数字系统端，由ADC卡对其采集信号、存储数据。将采集的数据离线处理，加入目标运动信息，生成运动目标回波波形。将运动目标回波波形由DAC卡转换为模拟信号并传送至发射系统。

ADC卡对其采样，采样频率f_s2，采集Q个脉冲波形x(n)＝x(t)_t＝n/fs2＝x(n/f_s2)。将采集的数据离线处理，加入以速度运动的目标信息，其中的距离向分量v_r，方位向分量v_θ。波形压缩y(n)＝x(κn)，其中压缩量κ＝1-β，第q个脉冲波形y(n-dτ)，其中距离走动第一个脉冲距离走动为0。

步骤5.发射系统将运动目标回波波形进行功率放大，并通过发射阵向水介质中发射运动目标回波的声波。

Q个脉冲在发射阵的阵元上切换发射，以第一个阵元为参考，则第q个脉冲的波形为z_q(n)＝y(n-dτ)，应切换的阵元位置为dl＝(q-1)v_θ·RPT。如果已知阵元间距Δ，并对阵元顺次切换，则只可模拟速度为v_θ＝Δ/RPT的运动目标，若每两个阵元切换一次，则可模拟速度为v_θ＝2Δ/RPT，依此类推。由DAC卡将其转换为模拟信号z_q(t)。传送至发射系统。

当单个阵元切换时，第q个脉冲的波形为z_q(n)＝y(n-dτ)，应切换的阵元位置为dl＝(q-1)v_θ·RPT，模拟速度为v_θ＝Δ/RPT的运动目标；若每两个阵元切换一次时，模拟速度为v_θ＝2Δ/RPT；其中：Δ为阵元间距；

步骤6.接收系统的接收阵接收经过水介质传播的运动目标回波波形，并由模拟预处理放大、滤波后，传送至ADC卡。步骤5和步骤6称为第二次发射、接收。

接收阵元接收经过水介质传播的声波，第m个阵元信号为g_m(t)＝z'_q[t-τ_m(θ)]，其中其中Δ是阵元间距，θ是声源方向；

步骤7.在数字系统端，以采样频率f_s2对接收阵元接收进行采样，得到信号数据g_m(n)＝g_m(n/f_s2)。在线或离线对采集的数据进行分析、检测及参数估计等信号处理。

软件方案：图3是工作流程图。软件包括发射波形生成、信号同步发射、信号同步采集、数据存储、运动目标回波生成、信号处理(数据分析，信号检测与参数估计)、一体化系统显控图形界面。

软件由七个软件模块组成，包括发射波形生成，信号同步发射，信号同步采集，数据存储，运动目标回波生成，信号处理(数据分析，信号检测与参数估计)，一体化系统显控图形界面。

所述的软件，其特征在于，采用LabVIEW多线程实现了信号发射、接收的并行运行，信号发射线程、信号接收线程及信号分析线程独立运行，实现了多脉冲信号的连续发射与接收，并可根据需要进行数据存储、信号在线分析；LabVIEW语言和MATLAB语言混合编程方便地解决了复杂多样的声呐波形产生和图形显控界面设计问题。

软件工作流程：第一步产生发射波形；第二步信号同步发射；第三步信号同步采集；第四步数据存储；第五步判断，如果需要加入运动信息，则加入运动信息，重新执行第二步到第四步，否则，则进行信号分析、目标跟踪、信号积累检测等信号处理。程序参数设置，数据、结果信息显示，数据采集控制由一体化系统显控图形界面完成。

图4是装置在消声水池布放安装示意图，包括本发明的水下运动目标回波模拟和探测一体化装置、监测示波器、监测标准水听器。

其中本发明的装置连接线、连接接口及连接方式如图1所示。监测示波器、监测标准水听器通过带有BNC的屏蔽线接入本发明的装置。

另外，发射阵、接收阵等水声换能器阵列在消声水池的布放深度h、布放距离R由具体实验内容及实验要求确定。

图5是数字系统连接图，包括数据采集系统、计算机系统、TVG控制，其中数据采集系统包括机箱、DAC卡、ADC卡。

连接线、连接接口及连接方式如图5所示。

Claims (5)

1.一种水下运动目标回波模拟方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：将产生的脉冲波形u(n)转换为模拟信号u(t)，u(n)＝u(t)_t＝n/fs1；所述脉冲波形u(n)的脉宽T，带宽B，转换模拟信号的转换速率f_s1，脉冲重复周期PRT；n为正整数表示采样序号；

步骤2：对模拟信号u(t)进行功率放大后通过发射阵的单阵元向水介质中发射声波，声波传播后为x(t)＝u(t)*h(t)，h(t)是信道特性；

步骤3：将接收的经过水介质传播的声波x(t)进行放大和滤波；

步骤4：以采样频率f_s2对声波x(t)进行采集，得到Q个脉冲波形x(n)＝x(t)_t＝n/fs2＝x(n/f_s2)；所述采样频率f_s2满足采样定理；

如果需要得到加入运动信息的水声信号，则继续以下步骤：

步骤5、离线处理Q个脉冲波形：对波形压缩y(n)＝x(κn)，第q个脉冲波形y(n-dτ)，其中距离走动第一个脉冲距离走动为0；其中：压缩量κ＝1-β，v_r为以速度运动的目标信息的距离向分量，v_θ为速度的方位向分量；c为水中声速；

步骤6：将处理的Q个脉冲按照时间顺序，依次切换到发射阵的单阵元上，然后进行数模转换为模拟信号z_q(t)，将模拟信号z_q(t)进行功率放大并发射水介质中，声波传播后为z'_q(t)＝z_q(t)*h(t)；

当单个阵元切换时，第q个脉冲的波形为z_q(n)＝y(n-dτ)，应切换的阵元位置为dl＝(q-1)v_θ·PRT，模拟速度为v_θ＝Δ/PRT的运动目标；若每两个阵元切换一次时，模拟速度为v_θ＝2Δ/PRT；其中：Δ为阵元间距；

步骤7：接收阵元接收经过水介质传播的声波，第m个阵元信号为g_m(t)＝z'_q[t-τ_m(θ)]，其中其中Δ是阵元间距，θ是声源方向；

步骤8：在数字系统端，以采样频率f_s2对接收阵元接收进行采样，得到信号数据g_m(n)＝g_m(n/f_s2)。

2.一种实现权利要求1所述水下运动目标回波模拟方法的收发一体化装置，其特征在于包括数字系统、发射系统和接收系统；所述数字系统包括数据采集单元和计算单元；所述发射系统包括功率放大单元和发射阵；所述接收系统包括模拟预处理单元和接收阵；发射阵和接收阵布放于消声水池的两端，接收阵通过模拟预处理单元与数据采集单元连接，数据采集单元通过功率放大单元与发射阵连接，数据采集单元与计算单元连接；信息流为：计算单元产生的原始发射信号，经过数据采集单元转换为模拟信号，经过功率放大单元将该信号放大后通过发射阵向水介质中发射原始信号波形的声波；接收阵接收经过水介质传播的原始波形后由模拟预处理单元将该信号放大滤波，数据采集单元转换为数字信号后输出至计算单元，完成原始信号的一次发射和接收；如果需要得到加入运动信息的水声信号，则由计算单元对接收的信号加入目标运动信息，生成运动目标回波波形后由数据采集单元转换为模拟信号，再次经过功率放大单元将信号放大后通过发射阵向水介质中发射运动目标回波波形的声波；接收阵接收经过水介质传播的运动目标回波波形的声波后由模拟预处理单元将该信号放大滤波，数据采集单元转换为数字信号后输出至计算单元，计算单元得到具有运动信息的水声信号。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述各单元之间的连接电缆采用屏蔽电缆；接收阵端和发射阵端的屏蔽电缆连接为水密连接；其它各连接端为BNC连接。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述数据采集单元包括一个DAC卡、二个ADC卡和一个PXLe-1073机箱；DAC卡的模拟输出端通过BNC信号线与发射系统的功率放大单元输入端连接，DAC卡的数字IO线与模拟预处理的TVG端口连接；ADC卡的模拟输入端与模拟预处理输出端连接，ADC卡的数字输出端通过ExpressCard卡与计算单元连接。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：所述数据采集单元的ADC卡，采用24位分辨率、114dB动态范围的高速高精度多通道数据采集卡。