CN111351561A - 一种基于dsp的多通道多途水声信道实时仿真方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于DSP的多通道多途水声信道实时仿真方法，包括：在第一DSP芯片中获取目标、海洋环境和多通道接收阵的参数，进行离线声场计算和声线追踪后结果发送给第二DSP芯片；第二DSP芯片在线计算接收阵各阵元通道的信道脉冲响应，计算相对延时，计算不同采样时刻各阵元通道的信道脉冲响应；其它DSP芯片通过LINK口接收各阵元通道的信道脉冲响应后计算各阵元通道接收信号；重复计算直至完成实时仿真。本发明通过离散追踪声线，在线计算各采样时刻信道脉冲响应的方法，既保证了仿真精度，又满足了中远程声场、时变多通道多途水声信道DSP仿真系统实时处理的要求。

Description

一种基于DSP的多通道多途水声信道实时仿真方法
技术领域
本发明属于水声信号处理领域，涉及水声信道仿真方法，尤其涉及一种基于DSP的多通道多途水声信道实时仿真方法。
背景技术
传统的基于射线理论的声场模型只适用于弱不均匀介质，以及声强没有太大变化的声场区域，在声速跃变层附近、声束的边缘，以及声影区和会聚区，传统的射线声场模型不成立。现有研究中采用的基于高斯声束追踪的BELLHOP声场模型可以较真实地反映水文条件和水声信道环境，体现真实的水声信道所具有的特性，即多径效应，更重要的是能够实现声影区和会聚区的平滑过渡，在声影区和会聚区存在时，仍能较好地反映水声信道的传播特性。但基本的BELLHOP声场模型是一个确定性模型，不能反映信道的时变空变特性；此外，BELLHOP模型的计算量取决于目标声源到接收点的距离，对于中远程声场，声线追踪的计算量较大。由于以上两点，目前的DSP处理系统难以实现中远程声场，以及时变空变多途水声信道的实时仿真。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种基于DSP的多通道多途水声信道实时仿真方法，提出离线追踪声线，通过在线计算信道脉冲响应的方法实现多通道多途时变水声信道的实时仿真，满足DSP系统实时处理的要求。在线计算信道脉冲响应的方法对各阵元通道，以信道相干时间对信道进行切片，对不同的相干时间计算信道脉冲响应，而同一相干时间内，通过插值得到不同采样时刻的信道脉冲响应，从而得到整个目标运动过程中各个采样时刻的信道脉冲响应。
为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于DSP的多通道多途水声信道实时仿真方法，包括如下步骤：
步骤一，获取目标、海洋环境和多通道接收阵的参数
第一DSP芯片通过主控板获取目标、海洋环境和多通道接收阵的参数，进行离线声场计算和声线追踪，计算结果通过LINK口发送给第二DSP芯片；
步骤二，在线计算接收阵各阵元通道的信道脉冲响应
以相干时间对信道进行切片，在第二DSP芯片中，对给定的相干时间片，计算目标的位置坐标，计算目标到各接收阵元的距离，在线计算该相干时间片各阵元通道的信道脉冲响应，获取各阵元通道各条本征声线的参数；
步骤三，计算相对延时
在第二DSP芯片中，将各阵元通道各到达本征声线的传播延时减去参考阵元的延时，得到相对延时；
步骤四，计算不同采样时刻各阵元通道的信道脉冲响应
在第二DSP芯片上对相邻两个相干时间片的各阵元通道的信道脉冲响应进行插值计算，得到同一相干时间片内不同采样时刻的各阵元通道的信道脉冲响应，并将结果通过LINK口发送给其它DSP芯片用于计算各通道接收阵元信号；
步骤五，计算各阵元通道接收信号
其它DSP芯片通过LINK口接收各阵元通道的信道脉冲响应，随后计算目标信号通过各阵元信道滤波器的响应得到各阵元通道的接收信号；
步骤六，重复步骤二至步骤五，直至完成整个目标运动过程的多通道多途时变水声信道的实时仿真。
进一步的，所述步骤一中，目标、海洋环境和多通道接收阵的参数包括：目标的初始位置、深度、运动速度、信号频带，海洋声速分布、海深、海面和海底介质特性，接收阵深度、阵元通道数、阵元间距和最大探测距离。
进一步的，所述步骤一中，用Bellhop声场模型进行离线声场计算和声线追踪。
进一步的，所述步骤二中，计算相干时间的公式为：
tc＝c/(vfH)
其中c为声速，v为目标运动速度，fH为信号最高频率。
进一步的，所述步骤二中，本征声线的参数至少包括以下参数中的一种或几种：幅度衰减因子、传播延时、海面海底碰撞次数。
进一步的，所述步骤四中阵元通道的信道脉冲响应计算公式为：
Figure BDA0002409393820000021
其中，bm,l表示第m个阵元的第l条本征声线的幅度衰减因子，主要由界面反射系数和声程决定，δ(t)为冲击函数，τm,l(t)表示第m个阵元的第l条本征声线的相对到达延时，由于目标运动相对延时τm,l(t)随时间变化，Lm为到达第m个阵元的本征声线数；M为阵元通道数。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
本发明采用离线计算声场、追踪声线，在线计算信道脉冲响应的方法，用两片ADSP—TS201S芯片实现了中远程声场、每个采样时刻多通道水声信道的实时更新，既保证了仿真精度，节省了硬件资源，又满足了中远程声场、时变多通道多途水声信道DSP仿真系统实时处理的要求，也是接收端阵列接收信号中目标运动特性提取的基础。
附图说明
图1为本发明实施例得到的深海声线图和对应的声速分布，其中图1(a)为声速分布图，图1(b)为声线图。
图2为本发明实施例得到的到达会聚区接收点的本征声线。
图3为本发明实施例得到的方位历程图。
具体实施方式
以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
本例在信号处理工控机上进行多通道多途水声信道实时仿真，所用硬件资源为一块主控板(CPU，Intel i7-QM672.2GHz)，一块DSP板(板载6片ADSP—TS201S芯片，主频600MHz)。基于上述硬件环境，本发明方法首先用一片DSP完成离线声场计算和声线追踪；再用另一片DSP实现信道脉冲响应的在线计算。即以相干时间对信道进行切片，在不同的相干时间计算目标到各接收阵元的距离，在线计算各阵元通道的信道脉冲响应，获取各阵元通道各条本征声线的参数，而在同一相干时间内，通过插值得到不同采样时刻的信道脉冲响应，从而得到整个目标运动过程中各阵元通道在各个采样时刻的信道脉冲响应；最后计算目标信号通过各阵元信道滤波器的响应得到各阵元的接收信号。具体地说，本发明提供的基于DSP的多通道多途水声信道实时仿真方法，包括如下步骤：
步骤一，获取目标、海洋环境和多通道接收阵的参数。
DSP芯片1通过主控板获取目标、海洋环境和多通道接收阵的参数：目标信号为辐射噪声，频带为100～2000Hz,采样频率为48kHz，目标水平距离42km，方位110度，速度15m/s，航向0度；海深5000m，3级海况，海面声速为1500m/s，海底介质声速为1800m/s，密度为1.6g/cm3；接收阵元数为32，阵元间距0.75m，最大探测距离200km。图1声源和接收阵深度1400m，图2和图3声源和接收阵深度100m。在DSP芯片1用Bellhop声场模型进行离线声场计算和声线追踪。计算结果通过LINK口发送给DSP芯片2。
步骤二，在线计算接收阵各阵元通道的信道脉冲响应。
考虑目标运动，以相干时间对信道进行切片，计算相干时间的公式为：
tc＝c/(vfH)
其中c为声速，v为目标运动速度，fH为信号最高频率。理论上相干时间内可认为信道不变。计算得相干时间为0.05s。在DSP芯片2中，对给定的相干时间片，计算目标的位置坐标，计算目标到各接收阵元的距离，在线计算该相干时间片各阵元通道的信道脉冲响应，获取各阵元通道各条本征声线的参数。本征声线为从声源以一定掠射角出射的到达接收点的声线。本征声线参数，包括幅度衰减因子、传播延时、海面海底碰撞次数等反映了信道的传播特性。对于多途传播信道，每个接收阵元有多条到达本征声线。
步骤三，计算相对延时。
在DSP芯片2中，将各阵元通道各到达本征声线的传播延时减去参考阵元的延时，使各阵元通道各条本征声线的传播延时转换为相对延时。
步骤四，计算不同采样时刻各阵元通道的信道脉冲响应。
在DSP芯片2中，针对各阵元通道，对相邻两个相干时间片的信道脉冲响应进行插值计算，得到同一相干时间片内不同采样时刻的信道脉冲响应。第m个阵元通道的信道脉冲响应为：
Figure BDA0002409393820000041
其中，bm,l表示第m个阵元的第l条本征声线的幅度衰减因子，主要由界面反射系数和声程决定；δ(t)为冲击函数；τm,l(t)表示第m个阵元的第l条本征声线的相对到达延时，由于目标运动相对延时τm,l(t)随时间变化；Lm为到达第m个阵元的本征声线数；M为阵元通道数。
将各阵元通道不同采样时刻的信道脉冲响应计算结果通过LINK口发送给其它DSP芯片用于计算各通道接收阵元信号。
步骤五，计算各阵元通道接收信号。
其它DSP芯片通过LINK口接收各阵元通道的信道脉冲响应，之后计算目标信号通过各阵元信道滤波器的响应得到各阵元通道的接收信号。
步骤六，重复步骤二至步骤五，直到完成整个目标运动过程的多通道多途时变水声信道的实时仿真。
图1为根据深海声速分布计算得到的深海声道声线图。从图中可以看出，由于声源位于声道轴附近，在一定掠射角内出射的声线被限制在声道内传播，符合深海声道的传播特性；图2和图3为深海会聚区测试结果。图2为深海声速分布和会聚区本征声线，图3为由接收阵元信号计算得到的方位历程图。由图2可见，第一会聚区位于42km附近；由图3可见，前80批数据，因目标未进入会聚区，方位历程不清晰，随着目标运动，逐步进入会聚区，方位历程变得清晰。方位历程图中目标方位的变化体现了目标的运动特性和信道的时变性。图1～图3也表明本成果能够实现中远程声场、多通道多途时变信道的实时仿真。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于DSP的多通道多途水声信道实时仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，获取目标、海洋环境和多通道接收阵的参数
第一DSP芯片通过主控板获取目标、海洋环境和多通道接收阵的参数，进行离线声场计算和声线追踪，计算结果通过LINK口发送给第二DSP芯片；
步骤二，在线计算接收阵各阵元通道的信道脉冲响应
以相干时间对信道进行切片，在第二DSP芯片中，对给定的相干时间片，计算目标的位置坐标，计算目标到各接收阵元的距离，在线计算该相干时间片各阵元通道的信道脉冲响应，获取各阵元通道各条本征声线的参数；
步骤三，计算相对延时
在第二DSP芯片中，将各阵元通道各到达本征声线的传播延时减去参考阵元的延时，得到相对延时；
步骤四，计算不同采样时刻各阵元通道的信道脉冲响应
在第二DSP芯片上对相邻两个相干时间片的各阵元通道的信道脉冲响应进行插值计算，得到同一相干时间片内不同采样时刻的各阵元通道的信道脉冲响应，并将结果通过LINK口发送给其它DSP芯片用于计算各通道接收阵元信号；
步骤五，计算各阵元通道接收信号
其它DSP芯片通过LINK口接收各阵元通道的信道脉冲响应，随后计算目标信号通过各阵元信道滤波器的响应得到各阵元通道的接收信号；
步骤六，重复步骤二至步骤五，直至完成整个目标运动过程的多通道多途时变水声信道的实时仿真。
2.根据权利要求1所述的基于DSP的多通道多途水声信道实时仿真方法，其特征在于，所述步骤一中，目标、海洋环境和多通道接收阵的参数包括：目标的初始位置、深度、运动速度、信号频带，海洋声速分布、海深、海面和海底介质特性，接收阵深度、阵元通道数、阵元间距和最大探测距离。
3.根据权利要求1所述的基于DSP的多通道多途水声信道实时仿真方法，其特征在于，所述步骤一中，用Bellhop声场模型进行离线声场计算和声线追踪。
4.根据权利要求1所述的基于DSP的多通道多途水声信道实时仿真方法，其特征在于，所述步骤二中，计算相干时间的公式为：
tc＝c/(vfH)
其中c为声速，v为目标运动速度，fH为信号最高频率。
5.根据权利要求1所述的基于DSP的多通道多途水声信道实时仿真方法，其特征在于，所述步骤二中，本征声线的参数至少包括以下参数中的一种或几种：幅度衰减因子、传播延时、海面海底碰撞次数。
6.根据权利要求1所述的基于DSP的多通道多途水声信道实时仿真方法，其特征在于，所述步骤四中阵元通道的信道脉冲响应计算公式为：
Figure FDA0002409393810000021
其中，bm,l表示第m个阵元的第l条本征声线的幅度衰减因子，主要由界面反射系数和声程决定，δ(t)为冲击函数，τm,l(t)表示第m个阵元的第l条本征声线的相对到达延时，由于目标运动相对延时τm,l(t)随时间变化，Lm为到达第m个阵元的本征声线数；M为阵元通道数。
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