CN111351561B - 一种基于dsp的多通道多途水声信道实时仿真方法 - Google Patents

一种基于dsp的多通道多途水声信道实时仿真方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111351561B
CN111351561B CN202010171693.6A CN202010171693A CN111351561B CN 111351561 B CN111351561 B CN 111351561B CN 202010171693 A CN202010171693 A CN 202010171693A CN 111351561 B CN111351561 B CN 111351561B
Authority
CN
China
Prior art keywords
channel
array element
dsp
sound
time
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202010171693.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111351561A (zh
Inventor
钱进
毛卫宁
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Southeast University
Original Assignee
Southeast University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Southeast University filed Critical Southeast University
Priority to CN202010171693.6A priority Critical patent/CN111351561B/zh
Publication of CN111351561A publication Critical patent/CN111351561A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111351561B publication Critical patent/CN111351561B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H3/00—Measuring characteristics of vibrations by using a detector in a fluid
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S11/00—Systems for determining distance or velocity not using reflection or reradiation
    • G01S11/14—Systems for determining distance or velocity not using reflection or reradiation using ultrasonic, sonic, or infrasonic waves

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)

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，获取运动目标、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运动目标、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
考虑目标运动，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，运动目标、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、航向、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，相干时间为：
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 FDA0002684950310000021
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。
CN202010171693.6A 2020-03-12 2020-03-12 一种基于dsp的多通道多途水声信道实时仿真方法 Active CN111351561B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010171693.6A CN111351561B (zh) 2020-03-12 2020-03-12 一种基于dsp的多通道多途水声信道实时仿真方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010171693.6A CN111351561B (zh) 2020-03-12 2020-03-12 一种基于dsp的多通道多途水声信道实时仿真方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111351561A CN111351561A (zh) 2020-06-30
CN111351561B true CN111351561B (zh) 2020-12-01

Family

ID=71196213

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010171693.6A Active CN111351561B (zh) 2020-03-12 2020-03-12 一种基于dsp的多通道多途水声信道实时仿真方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111351561B (zh)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103763045A (zh) * 2013-12-05 2014-04-30 哈尔滨工程大学 一种适用于三维水声信道仿真的高斯束方法
CN103926579A (zh) * 2014-04-23 2014-07-16 东南大学 一种开放式阵列信号的仿真方法
CN103941250A (zh) * 2014-04-23 2014-07-23 东南大学 一种被动声纳阵列信号仿真中的海洋信道仿真方法
CN104734795A (zh) * 2015-02-11 2015-06-24 哈尔滨工业大学深圳研究生院 一种时变水声信道容量仿真模型
CN106254010A (zh) * 2016-08-04 2016-12-21 厦门大学 一种时变海洋信道建模方法
CN107171986A (zh) * 2017-07-10 2017-09-15 东南大学 一种适用于多普勒失真水声信道的估计方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7599805B2 (en) * 2007-03-12 2009-10-06 Lockheed-Martin Corporation Systems and methods for predicting supersonic acoustic signatures

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103763045A (zh) * 2013-12-05 2014-04-30 哈尔滨工程大学 一种适用于三维水声信道仿真的高斯束方法
CN103926579A (zh) * 2014-04-23 2014-07-16 东南大学 一种开放式阵列信号的仿真方法
CN103941250A (zh) * 2014-04-23 2014-07-23 东南大学 一种被动声纳阵列信号仿真中的海洋信道仿真方法
CN104734795A (zh) * 2015-02-11 2015-06-24 哈尔滨工业大学深圳研究生院 一种时变水声信道容量仿真模型
CN106254010A (zh) * 2016-08-04 2016-12-21 厦门大学 一种时变海洋信道建模方法
CN107171986A (zh) * 2017-07-10 2017-09-15 东南大学 一种适用于多普勒失真水声信道的估计方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN111351561A (zh) 2020-06-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20190250244A1 (en) Underwater source node positioning method
CN112083404B (zh) 一种基于多途特征匹配的单矢量水听器声源深度估计方法
CN104765037A (zh) 基于短垂直阵的水下目标定位稳健方法
Nosal et al. Sperm whale three-dimensional track, swim orientation, beam pattern, and click levels observed on bottom-mounted hydrophones
CN105158734B (zh) 一种基于阵不变量的单矢量水听器被动定位方法
CN111257943B (zh) 一种浅海低频声场时频干涉条纹提取方法
CN107085216A (zh) 一种基于单水听器的深海水声被动测距测深方法
WO2023213052A1 (zh) 一种深海声源定位方法及计算机设备和存储介质
CN108107436A (zh) 一种基于可靠声路径的水下目标主动分类与定位方法
Bjerrum-Niese et al. A simulation tool for high data-rate acoustic communication in a shallow-water, time-varying channel
CN112782704A (zh) 一种海面声源被动定位声波覆盖特性及定位精度分析方法
CN108318876A (zh) 一种利用单个水听器估计水下目标深度和距离的方法
CN106019290B (zh) 加权宽带时反算子分解多目标声成像方法
CN104765039A (zh) 利用浅海声场空域特性提高被动声纳作用距离的方法
CN111351561B (zh) 一种基于dsp的多通道多途水声信道实时仿真方法
CN108650043B (zh) 一种高精度水声通信信道建模方法
CN105372644B (zh) 一种基于动态重修正的自适应波束形成方法及系统
CN113126029B (zh) 适用于深海可靠声路径环境的多传感器脉冲声源定位方法
CN110208731A (zh) 一种高帧率无模糊水声定位方法
CN110109087A (zh) 一种声纳不规则探测范围显示方法及系统
CN116008913A (zh) 基于stm32和小型麦克风阵列的无人机检测定位方法
Yayu et al. Research on Location of Underwater Sound Source Target in Deep Sea Sound Field Based on Bellhop Model
CN110865359A (zh) 一种基于接收信号强度的水声测距方法
CN112415495B (zh) 一种海底混响信号模拟方法
CN111162845A (zh) 一种海域视距信道生成方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant