CN110850396A - 一种应用于深海黑匣子搜探定位系统电模拟器及其轨迹生成方法 - Google Patents

一种应用于深海黑匣子搜探定位系统电模拟器及其轨迹生成方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种应用于深海黑匣子搜探定位系统电模拟器的轨迹生成方法。所述电模拟器包括人机交互界面、轨迹生成模块、GPS和heading辅助信息模块和信号数据输出模块；所述人机交互界面将信号分别传输至轨迹生成模块和GPS和heading辅助信息模块，所述轨迹生成模块和GPS和heading辅助信息模块均将信号传输至信号数据输出模块。本发明在实验室阶段实现对水下探测定位项目的联调实验以及减少外出湖试、海试的时间成本和经济成本。

Description

一种应用于深海黑匣子搜探定位系统电模拟器及其轨迹生成 方法
技术领域
本发明属于黑匣子搜探定位技术领域；具体涉及一种应用于深海黑匣子搜探定位系统电模拟器的轨迹生成方法。
背景技术
近年来，随着海洋科技的不断发展，水下定位技术成为重要的课题。水下定位技术的发展对于我国从海洋大国发展为海洋强国起着重要的作用。以往大型水声定位设备在交付使用之前需要进行大量的水下实验以检测设备性能，但是进行水下实验成本巨大。为了减少人力及物力支出，电模拟器应运而生。它依据目标在海洋中的传播特性，模拟真实海洋环境中的接收信号，从而使得在实验室中利用电模拟器进行水声定位系统电联调实验成为可能。
电模拟器技术是在电子技术的基础上发展并完善起来的。近年来随着水声定位系统的快速发展，电模拟器的设计也由硬件设计逐渐转向软硬件相结合的方式。但是，由于编程复杂目前的电模拟器在设计轨迹时，通常没有充分考虑水下声信道的特点并且轨迹形式单一；这使得现有的电模拟器在实际项目应用中，不能较好地起到模拟实际试验环境的作用。
发明内容
为了在实验室阶段实现对水下探测定位项目的联调实验以及减少外出湖试、海试的时间成本和经济成本，本发明较好地模拟了复杂水声传播系统并提出了一种应用于深海黑匣子搜探定位系统的电模拟器及其轨迹生成方法；电模拟器的功能是可以模拟水下航行器在不同水声环境中、不同运动状态下接收到的黑匣子辐射信号；水声环境包括信道多途效应、信道多普勒频移、信道传播损失和水声信道噪声作用；不同运动状态是指水下航行器以不同的速度进行各种轨迹的运动；这样，可以在实验室环境下实现深海黑匣子搜探定位系统项目联调。
本发明通过以下技术方案实现：
一种应用于深海黑匣子搜探定位系统电模拟器，所述电模拟器包括人机交互界面、轨迹生成模块、GPS与heading辅助信息模块和信号数据输出模块；所述人机交互界面将信号分别传输至轨迹生成模块和GPS与heading辅助信息模块，所述轨迹生成模块和GPS与heading辅助信息模块均将信号传输至信号数据输出模块；
人机交互界面能设置轨迹参数、黑匣子辐射信号参数、海洋信道参数以及显示搜探定位水下航行器的轨迹；
在轨迹生成模块中，根据不同的联调阶段选择生成水下航行器不同运动轨迹的信号数据；
在GPS和heading辅助信息模块中，根据已经生成的轨迹数据和水下航行器的运动状态计算出GPS和heading辅助信息，通过网线传输给后端。
进一步的，所述轨迹生成方法具体以下步骤：
步骤1：虚源法实现信道多途；A00为声源，对于海面界面镜像产生虚源A01，对海底界面镜像产生虚源A02，以此类推，虚源A01又对海面界面和海底界面镜像产生虚源A11、A12，而虚源A02对海面界面和海底界面镜像产生虚源A21、A22，以海面界面为横轴，以虚源连线组成的直线为纵轴建立直角坐标系，其中声源A00坐标为(0,z1)，水听器B坐标为(x,z2)，则由几何关系可得出以下关系式：
Figure BDA0002296132180000021
则接收端信号R(t)的计算公式为：
Figure BDA0002296132180000022
式中，s为声源发射信号，t表示时间；
步骤2：利用内插拟合算法实现多普勒信号求解；
步骤3：海洋噪声以某一路目标信号的幅值为参考，根据所设信噪比计算噪声强度，在16路通道上分别叠加高斯白噪声；
步骤4：计算传播损失，传播损失包括几何衰减和声吸收；
步骤5：经过上述步骤求得的水下航行器轨迹坐标为高斯坐标形式，将所求的高斯坐标转换为GPS坐标，便于后续数据传输；根据水下航行器的航向以及水下航行器与黑匣子的相对位置关系解算出水下航行器的方位角；根据水下航行器的航向与正北方向的夹角解算出其heading和俯仰角；
步骤6：信号数据传输模块通过PXI平台实现数模转换，并实时地将模拟信号数据传输给后端数据采集系统。
进一步的，所述步骤2具体为，
步骤2.1：对黑匣子发射信号Ss(t)进行kk＞1)倍的升采样，得到一组信号值Ss[n]，对应时间点ts[n]和目标位置(x[n],y[n])(n＝1,2,3…N,N＝kfsT)，作为黑匣子的发射时刻序列；
步骤2.2：计算时延得到接收时间点tr[n]；
步骤2.3：根据接收端信号采样频率fs和观测时间T计算需要的采样时间点T[m](m＝1,2,3…M,M＝fsT)；
步骤2.4：根据接收时间点tr[n]和采样时间点t[m]对发射信号Ss(t)进行内插拟合，得到各个采样点t[m]的信号值Sr[m]即所求的多普勒离散时间信号序列。
进一步的，所述步骤4具体为，几何衰减的作用距离为r时，球面波传播损失TL为：
TL＝n×10lgr(dB) (3)
声吸收损失TL为：
TL＝a×r(dB) (4)
a为声吸收系数。
进一步的，所述球面波传播损失TL公式(3)中，n取值为2。
本发明的有益效果是：
1、本发明用于模拟出水下航行器接收到的深海黑匣子辐射的经海洋信道作用后的脉冲信号。
2、本发明模拟水声接收信号效果较好，可以有效应用于深海黑匣子搜探定位系统的实验室电联调环节。
3、本发明基于UDP协议经过网线将GPS、heading信息传输给下位机，波形数据通过PXI机箱数模转换之后给下位机传输模拟信号。从而达到实验室联调的目的，减少海试的人力、物力、财力支出。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图；
图2为本发明轨迹生成界面示意图；
图3为本发明信道多途虚源法示意图。
具体实施方式
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，都属于本发明保护的范围。
一种应用于深海黑匣子搜探定位系统电模拟器，所述电模拟器包括人机交互界面、轨迹生成模块、GPS与heading辅助信息模块和信号数据输出模块；所述人机交互界面将信号分别传输至轨迹生成模块和GPS与heading辅助信息模块，所述轨迹生成模块和GPS与heading辅助信息模块均将信号传输至信号数据输出模块；
人机交互界面能设置轨迹参数、黑匣子辐射信号参数、海洋信道参数以及显示搜探定位水下航行器的轨迹；
在轨迹生成模块中，根据不同的联调阶段选择生成水下航行器不同运动轨迹的信号数据；
在GPS和heading辅助信息模块中，根据已经生成的轨迹数据和水下航行器的运动状态计算出GPS和heading辅助信息，通过网线传输给后端。
进一步的，所述轨迹生成方法具体以下步骤：
步骤1：虚源法实现信道多途；虚源由海面和海底的镜反射产生，是实际声源及黑匣子在界面上的多次镜像；经界面多次反射形成的虚源如图3所示；A00为声源，对于海面界面镜像产生虚源A01，对海底界面镜像产生虚源A02，以此类推，虚源A01又对海面界面和海底界面镜像产生虚源A11、A12，而虚源A02对海面界面和海底界面镜像产生虚源A21、A22，以海面界面为横轴，以虚源连线组成的直线为纵轴建立直角坐标系，其中声源A00坐标为(0,z1)，水听器B坐标为(x,z2)，则由几何关系可得出以下关系式：
Figure BDA0002296132180000041
则接收端信号R(t)的计算公式为：
式中，s为声源发射信号，t表示时间；
步骤2：内插拟合算法实现多普勒信号；高精度多普勒信号是模拟器设计的重要内容。由于接收时刻非等间隔分布，本发明利用内插拟合算法对多普勒信号进行模拟；
步骤3：海洋噪声以某一路目标信号的幅值为参考，根据所设信噪比计算噪声强度，在16路通道上分别叠加高斯白噪声；
步骤4：计算传播损失，传播损失包括几何衰减和声吸收；几何衰减指的是声波波阵面在传播过程中因不断扩展而导致的声强衰减；声吸收损失指声在水中传播时，因热传导、介质粘滞及弛豫过程而导致的损失；
步骤5：经过上述步骤求得的水下航行器轨迹坐标为高斯坐标形式，将所求的高斯坐标转换为GPS坐标，便于后续数据传输；根据水下航行器的航向以及水下航行器与黑匣子的相对位置关系解算出水下航行器的方位角；根据水下航行器的航向与正北方向的夹角解算出其heading和俯仰角；
步骤6：信号数据传输模块通过PXI平台实现模数转换，并实时地将模拟信号数据传输给后端数据采集系统；后端接收到模拟信号之后，进行信号处理工作，从而达到实验室联调检深海黑匣子测搜探定位算法是否有效的目的。
进一步的，所述步骤2具体为，
步骤2.1：对黑匣子发射信号Ss(t)进行k(k＞1)倍的升采样，得到一组信号值Ss[n]，对应时间点ts[n]和目标位置(x[n],y[n])(n＝1,2,3…N,N＝kfsT)，作为黑匣子的发射时刻序列；
步骤2.2：计算时延得到接收时间点tr[n]；
步骤2.3：根据接收端信号采样频率fs和观测时间T计算需要的采样时间点T[m](m＝1,2,3…M,M＝fsT)；
步骤2.4：根据接收时间点tr[n]和采样时间点t[m]对发射信号Ss(t)进行内插拟合，得到各个采样点t[m]的信号值Sr[m]即所求的多普勒离散时间信号序列。
进一步的，所述步骤4具体为，几何衰减的作用距离为r时，球面波传播损失TL为：
TL＝n×10lgr(dB) (3)
n取值为2；
声吸收损失TL为：
TL＝a×r(dB) (4)
a为声吸收系数。
人机交互界面功能是显示搜探定位水下航行器的轨迹和设置轨迹参数、黑匣子辐射信号参数、海洋信道参数。
轨迹生成模块功能是根据设置的水下航行器运动速度、运动轨迹形状、运动方向等参数生成黑匣子辐射脉冲信号经过水声信道之后在接收阵端所得到的信号。水声信道的作用包括传播损失、多普勒频移、多途效应以及噪声作用。
GPS和heading辅助信息模块的功能是根据轨迹生成模块所得的水下航行的轨迹数据以及方位角信息计算出水下航行器在每个同步周期的GPS和heading信息并基于UDP协议将GPS和heading辅助信息传输给后端。GPS和heading辅助信息可以帮助后端定位和航路规划。
信号数据输出模块的功能是将生成的轨迹数据实时传输给后端信号采集系统并将时延、目标实时位置、方位角信息保存。通过NI PXI-1073机箱和NI PXIe-6739板卡实现数模转换和和超大数据量的实时传输，充分模拟湖试、海试数据采集端接收数据的特征。时延、目标实时位置、方位角信息保存可以作为后端信号处理结果优劣判断的比对标准。
实施例2
所述人机交互界面功能有：设置轨迹参数、黑匣子辐射信号参数、海洋信道参数以及显示搜探定位水下航行器的轨迹。所述的轨迹参数包括水下航行器的运动速度、运动轨迹形状、运动方向等；所述的黑匣子辐射信号参数包括信号频率、信号辐射周期、信号脉冲宽度；所述的海洋信道参数包括海深、信道多途、传播损失、海洋噪声。
在轨迹生成模块中，可以根据不同的联调阶段选择生成水下航行器不同运动轨迹的信号数据。例如联调初期，可生成定点轨迹数据，联调中期可以生成直线、圆形轨迹数据，在联调后期，可以依据实际黑匣子搜探的步骤生成三段式组合轨迹数据。
在GPS和heading辅助信息模块中，可以根据已经生成的轨迹数据和水下航行器的运动状态计算出GPS和heading辅助信息，通过网线传输给后端。后端的探测、跟踪、定位系统根据GPS和heading辅助信息以及电模拟器接收阵数据实现对深海黑匣子的远程探测、快速搜索和精确定位。
轨迹生成模块生成的数据是一阵元间距为2.5厘米的16阵元的均匀线阵接收到的黑匣子辐射信号；其采样率为400khz，数据类型为双精度类型，通道数为16通道；信号数据输出模块的功能是将轨迹生成模块的二进制数据经过数模转换之后，实时传输到后端数据采集系统。具体地，信号数据输出模块是基于NI PXI-1073机箱和NI PXIe-6739板卡进行数模转换之后，将模拟信号传输给后端数据采集系统。
运行LabVIEW程序后，在人机交互界面设置各种工作参数，包括同步周期、海洋环境参数、阵位参数、目标数目、轨迹参数、信号参数等。然后根据需求，设置信噪比、选择是否添加多途、多普勒、噪声、幅度衰减等。点击信号生成可以获得轨迹生成数据，包括信号二进制波形文件、信号传播时延、黑匣子位置、接收阵位置坐标及方位角数据文件。信号数据传输时，二进制波形数据通过NI PXI-1073机箱作数模转换之后输出给后端，GPS、heading等信息基于UDP协议传输给后端，同时目标观测参数单元可显示目标水平位置、深度、轨迹、时延、方位角等信息。

Claims (5)

1.一种应用于深海黑匣子搜探定位系统电模拟器，其特征在于，所述电模拟器包括人机交互界面、轨迹生成模块、GPS与heading辅助信息模块和信号数据输出模块；所述人机交互界面将信号分别传输至轨迹生成模块和GPS与heading辅助信息模块，所述轨迹生成模块和GPS与heading辅助信息模块均将信号传输至信号数据输出模块；
人机交互界面能设置轨迹参数、黑匣子辐射信号参数、海洋信道参数以及显示搜探定位水下航行器的轨迹；
在轨迹生成模块中，根据不同的联调阶段选择生成水下航行器不同运动轨迹的信号数据；
在GPS和heading辅助信息模块中，根据已经生成的轨迹数据和水下航行器的运动状态计算出GPS和heading辅助信息，通过网线传输给后端。
2.利用权利要求1所述电模拟器的轨迹生成方法，其特征在于，所述轨迹生成方法具体以下步骤：
步骤1：虚源法实现信道多途；A00为声源，对于海面界面镜像产生虚源A01，对海底界面镜像产生虚源A02，以此类推，虚源A01又对海面界面和海底界面镜像产生虚源A11、A12，而虚源A02对海面界面和海底界面镜像产生虚源A21、A22，以海面界面为横轴，以虚源连线组成的直线为纵轴建立直角坐标系，其中声源A00坐标为(0,z1)，水听器B坐标为(x,z2)，则由几何关系可得出以下关系式：
Figure FDA0002296132170000011
则接收端信号R(t)的计算公式为：
Figure FDA0002296132170000012
式中，s为声源发射信号，t表示时间；
步骤2：利用内插拟合算法实现多普勒信号求解；
步骤3：海洋噪声以某一路目标信号的幅值为参考，根据所设信噪比计算噪声强度，在16路通道上分别叠加高斯白噪声；
步骤4：计算传播损失，传播损失包括几何衰减和声吸收；
步骤5：经过上述步骤求得的水下航行器轨迹坐标为高斯坐标形式，将所求的高斯坐标转换为GPS坐标，便于后续数据传输；根据水下航行器的航向以及水下航行器与黑匣子的相对位置关系解算出水下航行器的方位角；根据水下航行器的航向与正北方向的夹角解算出其heading和俯仰角；
步骤6：信号数据传输模块通过PXI平台实现数模转换，并实时地将模拟信号数据传输给后端数据采集系统。
3.根据权利要求2所述电模拟器的轨迹生成方法，其特征在于，所述步骤2具体为，
步骤2.1：对黑匣子发射信号Ss(t)进行kk＞1)倍的升采样，得到一组信号值Ss[n]，对应时间点ts[n]和目标位置(x[n],y[n])(n＝1,2,3…N,N＝kfsT)，作为黑匣子的发射时刻序列；
步骤2.2：计算时延得到接收时间点tr[n]；
步骤2.3：根据接收端信号采样频率fs和观测时间T计算需要的采样时间点T[m](m＝1,2,3…M,M＝fsT)；
步骤2.4：根据接收时间点tr[n]和采样时间点t[m]对发射信号Ss(t)进行内插拟合，得到各个采样点t[m]的信号值Sr[m]即所求的多普勒离散时间信号序列。
4.根据权利要求2所述电模拟器的轨迹生成方法，其特征在于，所述步骤4具体为，几何衰减的作用距离为r时，球面波传播损失TL为：
TL＝n×10lgr(dB) (3)
声吸收损失TL为：
TL＝a×r(dB) (4)
a为声吸收系数。
5.根据权利要求4所述电模拟器的轨迹生成方法，其特征在于，所述球面波传播损失TL公式(3)中，n取值为2。
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