CN111830493A - 水中目标收发分置中高频声目标强度预报系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种水中目标收发分置中高频声目标强度预报系统及方法，包括：输入模块、处理模块和输出模块；输入模块，导入需要仿真的模型网格文件绘制三维模型，并输入处理模块计算所需的计算类型、参数和/或变量；处理模块，根据输入模块输入的计算类型、参数和/或变量，对三维模型进行表面亮点计算、声目标强度计算以及时域回波计算；输出模块，输出计算得到的声目标强度、表面亮点、时域回波计算结果。本发明可以快速、准确预报水中目标大分置角情况下目标强度；可实现宽带声目标强度的快速计算；用户无需再对网格法线方向进行检查或者修改；可以评估多基地主动声纳对水中目标探测距离以及对水中目标收发分置声隐身性能进行评估。
Description
技术领域
本发明涉及声学技术领域，利用物理声学方法为双基地声纳的检测与定位提供了水下目标双基地散射特性，涉及一种水中目标收发分置中高频声目标强度预报系统及方法。
背景技术
水中目标收发分置声目标强度计算，对于研究水下目标双基地散射特性有重要的现实意义。
现有的水中目标收发分置声目标强度计算，通过采用以有限元为代表的数值方法和物理声学方法；其中：
以有限元为代表的数值方法，虽然可以准确计算水中目标收发分置声目标强度，然而这种方法计算速度慢、效率低，只适用于低频散射声场计算。
而物理声学方法适用于高频散射声场计算，该方法采用了Kirchhoff高频近似方法，在分析单基地水下目标散射特性中应用较广，可以快速计算水中目标收发合置或者小分支角情况下声目标强度，但是对于大分置角情况则无能为力。
随着多基地主动声纳技术的发展，人们越来越关注水下目标收发分置情况下声隐身性能，因此对水中目标收发分置声目标强度的快速评估方法提出了迫切需求。
目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。
发明内容
针对现有技术中存在的上述不足，本发明的目的是提供一种水中目标收发分置中高频声目标强度预报系统及方法。
本发明是通过以下技术方案实现的。
根据本发明的一个方面，提供了一种水中目标收发分置中高频声目标强度预报系统，其特征在于，包括：输入模块、处理模块和输出模块；其中：
所述输入模块，导入需要仿真的模型网格文件绘制三维模型，并输入所述处理模块计算所需的计算类型、参数和/或变量；
所述处理模块，根据所述输入模块输入的计算类型、参数和/或变量，对三维模型进行表面亮点计算、声目标强度计算以及时域回波计算；
所述输出模块，输出计算得到的声目标强度、表面亮点、时域回波计算结果。
优选地，所述输入模块，包括模型导入单元和参数设置单元；其中：
所述模型导入单元，添加需要仿真的模型网格文件，并绘制三维模型；对三维模型方向和比例因子进行调整，更改模型所在方位以及更改模型尺寸；
所述参数设置单元，输入处理模块计算所需的计算类型、参数和/或变量。
优选地，所述处理模块中，表面亮点计算，根据由参数设置模块输入的计算参数，计算三维模型表面亮度；其中，输入的计算参数包括：分析频率、水平入射角、水平分置角、俯仰入射角、俯仰分置角、声源距离和/或观察点距离。
优选地，所述计算三维模型表面亮度的方法为：
采用一组小面元近似曲面，根据遮挡投影算法判断亮区面元和影区面元；
采用基于Kirchhoff近似的板块元方法，计算亮区的每个面元的散射声场，从而给出亮区面元的表面亮度；
根据大分置角下目标散射的特点，修正积分公式的积分范围，推导出计算影区散射声场的Helmholtz积分公式，据此给出影区的每个面元的散射声场，从而给出亮区面元的表面亮度；
同时考虑亮区和影区面元的表面亮度，得到整体的三维模型表面亮度。
优选地，所述处理模块中，声目标强度计算，根据由参数设置模块输入的计算参数，计算三维模型声目标强度；其中，输入的计算参数根据计算类型进行设置，包括如下任意一项或任意多项：
当计算类型为分析频率时，输入的变量值包括：起始值、步长值、结束值；输入的参数值包括水平入射角、水平分置角、俯仰入射角、俯仰分置角；
当计算类型为水平入射角时，输入的变量值包括起始值、步长值、结束值；输入的参数值包括分析频率、水平分置角、俯仰入射角、俯仰分置角；
当计算类型为水平分置角时，输入的变量值包括起始值、步长值、结束值；输入的参数值包括分析频率、水平入射角、俯仰入射角、俯仰分置角；
当计算类型为俯仰入射角时，输入的变量值包括起始值、步长值、结束值；输入的参数值包括分析频率、水平入射角、水平分置角、俯仰分置角；
当计算类型为俯仰分置角时，输入的变量值包括起始值、步长值、结束值；输入的参数值，包括分析频率、水平入射角、水平分置角、俯仰入射角。
优选地，所述计算三维模型声目标强度的方法为：
采用一组小面元近似曲面，根据遮挡投影算法判断从声源看去的亮区面元和影区面元；
采用基于Kirchhoff近似的板块元方法，计算亮区的每个面元的散射声场；
根据大分置角下目标散射的特点，修正积分公式的积分范围，推导出计算影区散射声场的Helmholtz积分公式，据此给出影区的每个面元的散射声场；
将亮区和影区的各个面元的散射声场进行叠加，得到整体的三维模型声目标强度。
优选地，，所述处理模块中，时域回波计算，根据由参数设置模块输入的计算参数，计算三维模型时域回波；其中，输入的计算参数根据发射信号类型进行设置，发射信号类型包括：CW、LFM或User，输入的计算参数包括：水平入射角、水平分置角、俯仰入射角、俯仰分置角、声源距离、观察点距离、中心频率、频带宽度、时间脉宽、声源级和/或采样频率。
优选地，所述计算三维模型时域回波的方法为：
将水下目标看作一个线性系统网络，入射信号看作该网络起始端的输入，该网络终端的输出即为目标回波；以目标信道的冲激响应函数和频域响应函数表述目标散射声场，对目标信道的频域响应函数进行快速傅立叶逆变换，进而求出三维模型时域回波。
根据本发明的另一个方面，提供了一种水中目标收发分置中高频声目标强度预报方法，包括：
导入需要仿真的模型网格文件；
根据需求设置计算类型、参数和/或变量；
计算表面亮点、计算声目标强度以及计算时域回波。
优选地，所述导入需要仿真的模型网格文件，包括如下步骤：
对需要仿真的模型进行建模及网格剖分；
获取需要仿真的模型的网格文件，绘制形成三维模型。
优选地，所述计算表面亮点，包括如下步骤：
-采用遮挡投影算法，判断目标的亮区及影区，包括：
确定一个目标板块的中心点沿入射波矢方向的直线和一个参考板块所在平面的交点P；
判断这个交点P是否在此参考板块元内部，若否，则该目标板块未被参考板块遮挡，反之，则进行下一步判断；
判断目标板块的深度值是否小于参考板块的深度值，若是，则该目标板块未被参考板块遮挡，反之则为遮挡；
按照上述过程，遍历所有板块，若目标板块未被遮挡，则位于该发射点的亮区；反之，则位于该发射点的影区；
-从声源看去，照亮的区域为亮区；从接收点看去，照亮的区域为影区；利用收发分置板块元算法分别计算处于亮区和影区的小板块散射声场，得到目标表面亮点。
优选地，所述计算声目标强度，包括如下步骤：
采用遮挡投影算法，判断目标的亮区及影区：以声源和板块中心的连线作为入射波矢方向，根据遮挡投影算法判定亮区和影区；以接收点和板块中心的连线作为入射波矢方向，根据遮挡投影算法判定亮区和影区；
采用切比雪夫多项式插值算法，应用收发分置的板块元算法分别计算处于亮区和影区的小板块散射声场，从而实现宽带声目标强度的计算。
优选地，所述收发分置的板块元算法为：
对于大分置角情况，根据投影遮挡算法判断亮区为S0和S1，影区为S2和S3，同时考虑亮区及影区对散射声场的贡献
有：
其中，r1,r2分别是声源和接收点到面元中心的矢量，θ1,θ2分别是r1,r2与表面外法线的夹角；k表示波数，A表示入射声压幅值，根据亮区和影区的范围，判断cosθ1和cosθ2的正负分别为：
其中，P为目标上任意点；这时，式(1)变为：
其中，r1,r2分别是声源和接收点到面元中心的矢量，θ1,θ2分别是r1,r2与表面外法线的夹角；k表示波数，A表示入射声压幅值。
根据式(3)，采用切比雪夫插值算法即计算得到目标收发分置散射声场。
优选地，所述计算时域回波，包括如下步骤：
采用频域间接法，得到目标时域回波：
将水下目标看作一个线性系统网络，入射信号看作该网络起始端的输入，而该网络终端的输出即为目标回波；其中：
设x(t)为入射信号，y(t)为目标的回波信号，h(τ)为目标信道的冲激响应函数，X(f)为入射信号的频谱函数，Y(f)为回波信号的频谱函数，H(f)为频域响应函数，即目标传递函数，则目标的瞬态回波表示为
其中，
表示卷积计算；
根据信号处理中线性系统时间域响应和频率域响应相互对应的基本原理，得到目标的回波谱：
Y(f)＝X(f)·H(f) (5)
其中，·表示点积运算；
由于
辅以快速傅立叶变换和逆变换，即求出三维模型时域回波。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明提供的水中目标收发分置中高频声目标强度预报系统及方法，针对多基地主动声纳技术提出的水中目标收发分置声目标强度快速评估需求，同时考虑了声影区和亮区对大分置角散射声场的贡献，对传统物理声学进行了有效修正，可以快速、准确预报水中目标大分置角情况下目标强度。
本发明提供的水中目标收发分置中高频声目标强度预报系统及方法，为了提高计算速度，采用了切比雪夫多项式插值算法，可实现宽带声目标强度的快速计算，计算效率较单频点扫描方式提升了N倍，其中2N代表每倍频程频点数。
本发明提供的水中目标收发分置中高频声目标强度预报系统及方法，采用高效的投影遮挡算法计算亮区和影区，相对于传统的外法线与入射声线夹角判断方法精度更高，而且取消了对网格外法线方向的要求，用户无需再对网格法线方向进行检查或者修改。
本发明提供的水中目标收发分置中高频声目标强度预报系统及方法，可以评估多基地主动声纳对水中目标探测距离以及对水中目标收发分置声隐身性能进行评估。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明一优选实施例中应用水中目标收发分置中高频声目标强度预报系统的示意图；
图2为本发明一具体应用实例中默认坐标轴示意图；
图3为本发明一优选实施例中表面亮点结果示意图；
图4为本发明一优选实施例中声目标强度随频率变化曲线结果示意图；
图5为本发明一优选实施例中声目标强度随水平入射角变化曲线结果示意图；
图6为本发明一优选实施例中声目标强度随水平分置角变化曲线结果示意图；
图7为本发明一优选实施例中声目标强度随俯仰入射角变化曲线结果示意图；
图8为本发明一优选实施例中声目标强度随俯仰分置角变化曲线结果示意图；
图9为本发明一优选实施例中时域回波结果示意图；
图10为本发明一优选实施例中遮挡投影算法流程图；
图11为本发明一优选实施例中目标收发分置示意图；
图12为本发明一优选实施例中切比雪夫逼近理论算法流程图；
图13为本发明一优选实施例中收发分置板块元算法流程图；
图14为本发明一优选实施例中回波信号的模拟仿真流程图；
图15为本发明一优选实施例中水中目标收发分置中高频声目标强度预报方法工作架构图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
本发明一实施例所提供了一种水中目标收发分置中高频声目标强度预报系统，主要分为三个模块，如图1所示，包括：输入模块、处理模块和输出模块。其中：
输入模块，导入需要仿真的模型网格文件绘制三维模型，并输入处理模块计算所需的计算类型、参数和/或变量。
处理模块，根据输入模块输入的计算类型、参数和/或变量，对三维模型进行表面亮点计算、声目标强度计算以及时域回波计算。
输出模块，输出计算得到的声目标强度、表面亮点、时域回波计算结果。
作为一优选实施例，处理模块中：
表面亮点计算包括计算收发分置(合置)目标的表面亮点图及目标表面各区域对散射声场的贡献量；
声目标强度计算包括：水中目标收发分置下随姿态角、频率变化的目标强度，分析不同分置角对声目标强度的影响；
时域回波计算包括：仿真水中目标任意姿态下的时域回波，通过快速Fourier变换(FFT)实现脉冲信号的回波仿真；
进一步地，用户可以根据需要设置发射脉冲(发射信号类型)，如单频信号(CW)、线性调频信号(LFM)或是用户自定义信号(User)。
作为一优选实施例，输入模块，包括模型导入单元和参数设置单元；其中：
通过模型导入单元添加需要仿真的模型网格文件，支持.dat、.txt和.mphtxt等格式，并绘制三维模型；对三维模型方向和比例因子进行调整(拖拽、缩放和旋转等)，更改模型所在方位以及更改模型尺寸；
2)通过参数设置单元，输入处理模块计算所需的计算类型、参数和/或变量。作为一优选实施例，处理模块，包括表面亮点计算单元、目标强度计算单元、时域回波计算单元；其中：
表面亮点计算单元
1)根据由参数设置模块输入的计算参数，计算三维模型表面亮度；其中，输入的计算参数包括：分析频率(HZ)、水平入射角(度)、水平分置角(度)、俯仰入射角(度)、俯仰分置角(度)、声源距离(m)以及观察点距离(m)；
计算三维模型表面亮度的方法为：
首先用一组小面元近似曲面，根据遮挡投影算法判断亮区面元和影区面元。然后采用基于Kirchhoff近似的板块元方法，计算亮区的每个面元的散射声场，从而给出亮区面元的表面亮度。再根据大分置角下目标散射的特点，修正积分公式的积分范围，推导出计算影区散射声场的Helmholtz积分公式，据此给出影区的每个面元的散射声场，从而给出亮区面元的表面亮度。最后，同时考虑亮区和影区面元的表面亮度，就得到了整体的三维模型表面亮度。
2)计算完成后通过输出模块自动更新计算结果，表面亮点强弱代表目标表面散射声场大小，如图3所示。
声目标强度计算单元
1)根据由参数设置模块输入的计算参数，计算三维模型声目标强度；其中，输入的计算参数根据计算类型进行设置，包括如下任意一项或任意多项：
当计算类型为分析频率时，输入的变量值包括：起始值(Hz)、步长值(Hz)、结束值(Hz)；输入的参数值包括水平入射角(Hz)、水平分置角(度)、俯仰入射角(度)、俯仰分置角(度)。
当计算类型为水平入射角时，输入的变量值包括起始值(度)、步长值(度)、结束值(度)；输入的参数值包括分析频率(Hz)、水平分置角(度)、俯仰入射角(度)、俯仰分置角(度)。
当计算类型为水平分置角时，输入的变量值包括起始值(度)、步长值(度)、结束值(度)；输入的参数值包括分析频率(Hz)、水平入射角(度)、俯仰入射角(度)、俯仰分置角(度)。
当计算类型为俯仰入射角时，输入的变量值包括起始值(度)、步长值(度)、结束值(度)；输入的参数值包括分析频率(Hz)、水平入射角(度)、水平分置角(度)、俯仰分置角(度)。
当计算类型为俯仰分置角时，输入的变量值包括起始值(度)、步长值(度)、结束值(度)；输入的参数值，包括分析频率(Hz)、水平入射角(度)、水平分置角(度)、俯仰入射角(度)。
计算三维模型声目标强度的方法为：
首先用一组小面元近似曲面，根据遮挡投影算法判断从声源看去的亮区面元和影区面元。然后采用基于Kirchhoff近似的板块元方法，计算亮区的每个面元的散射声场。再根据大分置角下目标散射的特点，修正积分公式的积分范围，推导出计算影区散射声场的Helmholtz积分公式，据此给出影区的每个面元的散射声场。最后，将亮区和影区的各个面元的散射声场叠加起来就得到了整体的三维模型声目标强度。
2)计算完成后通过输出模块自动更新计算结果，根据不同的计算类型一一对应不同的计算结果，其中：
声目标强度随频率变化结果，如图4所示。
声目标强度随水平入射角变化结果，如图5所示。
声目标强度随水平分置角变化结果，如图6所示。
声目标强度随俯仰入射角变化结果，如图7所示。
声目标强度随俯仰分置角变化结果，如图8所示。
时域回波计算单元(回波仿真)
1)根据由参数设置模块输入的计算参数，计算三维模型时域回波；其中，输入的计算参数根据发射信号类型(发射脉冲)进行设置，发射信号类型包括：CW、LFM、User，输入的计算参数包括：水平入射角(度)、水平分置角(度)、俯仰入射角(度)、俯仰分置角(度)、声源距离(m)、观察点距离(m)、中心频率(HZ)、频带宽度(HZ)、时间脉宽(ms)、声源级(dB)、采样频率(HZ)；
计算三维模型时域回波的方法为：
对于水下目标的声散射问题，可以用声信道理论来描述。即把目标看作一个线性系统网络，入射信号看作网络起始端的输入，而网络终端的输出即为目标回波。因此，目标信道的冲激响应函数和频域响应函数是目标散射声场的另一种表述形式。对目标信道的频域响应函数进行快速傅立叶逆变换，就可以间接求出三维模型时域回波。
2)计算完成后通过输出模块自动更新计算结果，如图9所示。
在本发明部分实施例中：
通过输入模块添加需要仿真的模型网格文件，支持.dat、.txt和.mphtxt等格式，并绘制三维模型图。
选择需要计算的项目，计算的项目包括：三维模型的表面亮点、三维模型的声目标强度、三维模型的时域回波。
输入与计算的项目相关的计算类型、参数和/或变量，通过处理模块进行计算，计算包括：计算收发分置(合置)目标的表面亮点图及目标表面各区域对散射声场的贡献量，得到表面亮点计算结果；计算水中目标收发分置下随姿态角、频率变化的目标强度，分析不同分置角对声目标强度的影响，得到声目标强度计算结果；仿真水中目标任意姿态下的时域回波，该功能通过快速Fourier变换(FFT)实现脉冲信号的回波仿真，得到时域回波计算结果。
用户可以根据需要设置发射脉冲，如单频信号(CW)、线性调频信号(LFM)或者user。
计算完成后通过输出模块自动更新计算结果，然后根据需要对计算结果进行保存。
本发明另一实施例，提供了一种水中目标收发分置中高频声目标强度预报方法，如图15所示，包括：
步骤S1，导入需要仿真的模型网格文件；
步骤S2，根据需求设置计算类型、参数和/或变量。
步骤S3，计算表面亮点、计算声目标强度以及计算时域回波。
作为一优选实施例，步骤S1，包括如下步骤：
步骤S11，利用专业软件对需要仿真的模型进行建模及网格剖分；如3d Max,Comsol Multiphysics等；
步骤S12，获取需要仿真的模型的网格文件，绘制形成三维模型，用于下一步计算。
作为一优选实施例，步骤S3中，计算表面亮点，包括如下步骤：
步骤S31，采用高效的遮挡投影算法，判断目标的亮区及影区，如图10所示，包括：
首先确定一个目标板块的中心点沿入射波矢方向的直线和一个参考板块所在平面的交点P，然后判断这个交点P是否在此参考板块元内部，若否，则该目标板块未被参考板块遮挡，反之，则进行下一步判断。判断目标板块的深度值是否小于参考板块的深度值，若是，则该目标板块未被参考板块遮挡，反之则不然。按照此流程，遍历所有板块，若目标板块未被遮挡，则位于该发射点的亮区；反之，则位于该发射点的影区。
步骤S32，从声源看去，照亮的区域为亮区；从接收点看去，照亮的区域为影区。利用收发分置板块元算法分别计算处于亮区和影区的小板块散射声场，得到目标表面亮点。
作为一优选实施例，步骤S3中，计算声目标强度，包括如下步骤：
步骤S3a，采用遮挡投影算法，判断目标的亮区及影区。根据发射和接收点，将目标分为四个区域：从声源看去，照亮的区域为S1和S0，从接收点看去，照亮的区域为S2和S0，同时照亮的区域为S0，均未照亮的区域为S3。对于大分置角情况，亮区是S0和S1，影区是S2和S3，如图11所示，具体区域划分方法为：
首先以声源和板块中心的连线作为入射波矢方向，然后根据遮挡投影算法判定亮区和影区，即从声源看去的亮区为S1和S0，从声源看去的影区为S2和S3。同理，以接收点和板块中心的连线作为入射波矢方向，然后根据遮挡投影算法判定亮区和影区，即从接收点看去的亮区为S2和S0，从接收点看去的影区为S1和S3。
步骤S3b，采用切比雪夫多项式插值算法，应用收发分置板块元算法分别计算处于亮区和影区的小板块散射声场，从而实现宽带声目标强度的快速计算，如图12所示，切比雪夫多项式插值算法为：
在对散射声场分析后发现散射声场可以分为随频率快速变化的快速起伏项φ1 Sm与缓慢变化的缓变项φ2 Sm，其中对于缓变项φ2 Sm的幅值、相位都随频率变化平稳，设想对其可以只计算有限个数的频点的值再采用逼近或拟合的方法获得整个频带内散射声场的缓变项，结合最初分离出的快速起伏项，最终合成完整的散射声场。
具体对于散射声场的缓变项φ2 Sm而言，要计算宽带(fm,fn)内的结果，首先将频率域f(fm,fn)变换到波数域k(km,kn)，其中k＝2πf/c，c为水中声速，然后将计算区域变换到[-1,1]，确定切比雪夫多项式阶数N，而后再对目标函数即φ2 Sm进行逼近计算，具体算法如图12所示。采用此算法只需要对有限个零点处
进行φ2 Sm(ki)值计算，而其他频率点处的值就可以逼近得出，这样对于散射声场缓变项φ2 Sm就可以通过切比雪夫多项式插值逼近计算得到。
步骤S3c，同时考虑亮区和影区对散射声场的影响，叠加上述区域对应的散射声场，得到水中目标大分置角情况下目标强度，从而修正了传统物理声学方法，为双基地声纳的检测与定位提供了水下目标双基地散射特性。如图13所示，收发分置的板块元算法为：
对于大分置角情况，根据投影遮挡算法判断亮区是S0和S1，影区是S2和S3。此时，需要同时考虑亮区及影区对散射声场的贡献，有
其中，r1,r2分别是声源和接收点到面元中心的矢量，θ1,θ2分别是r1,r2与表面外法线的夹角；k表示波数，A表示入射声压幅值。根据亮区和影区的范围，判断cosθ1和cosθ2的正负分别为：
其中，P为目标上任意点。这时，式(1)变为：
其中，r1,r2分别是声源和接收点到面元中心的矢量，θ1,θ2分别是r1,r2与表面外法线的夹角；k表示波数，A表示入射声压幅值。
然后根据式(3)，采用切比雪夫插值算法即可快速计算得到目标收发分置散射声场。这种方法适用于面元法线方向未知、大分置角目标散射声场计算。
作为一优选实施例，步骤S3中，计算时域回波，包括如下步骤：
步骤S3A，采用遮挡投影算法，判断目标的亮区及影区。根据发射和接收点，将目标分为四个区域：从声源看去，照亮的区域为S1和S0，从接收点看去，照亮的区域为S2和S0，同时照亮的区域为S0，均未照亮的区域为S3。对于大分置角情况，亮区是S0和S1，影区是S2和S3，如图11所示，具体区域划分方法为：
首先以声源和板块中心的连线作为入射波矢方向，然后根据遮挡投影算法判定亮区和影区，即从声源看去的亮区为S1和S0，从声源看去的影区为S2和S3。同理，以接收点和板块中心的连线作为入射波矢方向，然后根据遮挡投影算法判定亮区和影区，即从接收点看去的亮区为S2和S0，从接收点看去的影区为S1和S3。
步骤S3B，采用切比雪夫多项式插值算法，应用收发分置板块元算法分别计算处于亮区和影区的小板块散射声场，从而实现宽带声目标强度的快速计算，如图12所示，切比雪夫多项式插值算法为：
在对散射声场分析后发现散射声场可以分为随频率快速变化的快速起伏项φ1 Sm与缓慢变化的缓变项φ2 Sm，其中对于缓变项φ2 Sm的幅值、相位都随频率变化平稳，设想对其可以只计算有限个数的频点的值再采用逼近或拟合的方法获得整个频带内散射声场的缓变项，结合最初分离出的快速起伏项，最终合成完整的散射声场。
具体对于散射声场的缓变项φ2 Sm而言，要计算宽带(fm,fn)内的结果，首先将频率域f(fm,fn)变换到波数域k(km,kn)，其中k＝2πf/c，c为水中声速，然后将计算区域变换到[-1,1]，确定切比雪夫多项式阶数N，而后再对目标函数即φ2 Sm进行逼近计算，具体算法如图12所示。采用此算法只需要对有限个零点处
进行φ2 Sm(ki)值计算，而其他频率点处的值就可以逼近得出，这样对于散射声场缓变项φ2 Sm就可以通过切比雪夫多项式插值逼近计算得到。
步骤S3C，同时考虑亮区和影区对散射声场的影响，叠加上述区域对应的散射声场，得到水中目标大分置角情况下目标强度，从而修正了传统物理声学方法，为双基地声纳的检测与定位提供了水下目标双基地散射特性。如图13所示，收发分置的板块元算法为：
对于大分置角情况，根据投影遮挡算法判断亮区是S0和S1，影区是S2和S3。此时，需要同时考虑亮区及影区对散射声场的贡献，有
其中，r1,r2分别是声源和接收点到面元中心的矢量，θ1,θ2分别是r1,r2与表面外法线的夹角；k表示波数，A表示入射声压幅值。根据亮区和影区的范围，判断cosθ1和cosθ2的正负分别为：
其中，P为目标上任意点。这时，式(1)变为：
然后根据式(3)，采用切比雪夫插值算法即可快速计算得到目标收发分置散射声场。这种方法适用于面元法线方向未知、大分置角目标散射声场计算。
步骤S3D，采用频域间接法，得到目标时域回波，如图14所示，具体方法为：
对于水下目标的声散射问题，可以用声信道理论来描述。即把目标看作一个线性系统网络，入射信号看作网络起始端的输入，而网络终端的输出即为目标回波。因此，目标信道的冲激响应函数和频域响应函数是目标散射声场的另一种表述形式。
如果采用x(t)表示入射信号，y(t)表示目标的回波信号，h(τ)表示为目标信道的冲激响应函数，X(f)为入射信号的频谱函数，Y(f)回波信号的频谱函数，H(f)表示为频域响应函数，也即通常所说的目标传递函数。则目标的瞬态回波可以表示为
其中，
表示卷积计算。
根据信号处理中线性系统时间域响应和频率域响应相互对应的基本原理，可以得到目标的回波谱：
Y(f)＝X(f)·H(f) (5)
其中，·表示点积运算。
由于
这样，辅以快速傅立叶变换和逆变换，就可以间接求出三维模型时域回波。
本发明的第三个实施例，提供了一种终端，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可通过处理器运行的上述任一项的系统；系统运行时用于执行上述任一项所述的方法。
可选地，存储器，用于存储程序；存储器，可以包括易失性存储器(英文：volatilememory)，例如随机存取存储器(英文：random-access memory，缩写：RAM)，如静态随机存取存储器(英文：static random-access memory，缩写：SRAM)，双倍数据率同步动态随机存取存储器(英文：Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory，缩写：DDR SDRAM)等；存储器也可以包括非易失性存储器(英文：non-volatile memory)，例如快闪存储器(英文：flash memory)。存储器62用于存储计算机程序(如实现上述方法的应用程序、功能模块等)、计算机指令等，上述的计算机程序、计算机指令等可以分区存储在一个或多个存储器中。并且上述的计算机程序、计算机指令、数据等可以被处理器调用。
上述的计算机程序、计算机指令等可以分区存储在一个或多个存储器中。并且上述的计算机程序、计算机指令、数据等可以被处理器调用。
处理器，用于执行存储器存储的计算机程序，以实现上述实施例涉及的方法中的各个步骤。具体可以参见前面方法实施例中的相关描述。
处理器和存储器可以是独立结构，也可以是集成在一起的集成结构。当处理器和存储器是独立结构时，存储器、处理器可以通过总线耦合连接。
该实施例提供的终端，其运行时的界面如图1所示。
下面结合具体应用实例，对本发明上述实施例所提供的技术方案进行进一步的详细说明。
在以下具体应用实例中：
默认的坐标轴系统如图2所示；
设水中声速为1500.0m/s。
具体应用实例1：
通过输入模块导入用户关注的水下目标网格文件，并输入多基地声纳工作频率以及发射/接收方位，通过处理模块计算声目标强度，代入主动声纳方程，计算目标被多基地主动声纳探测到的距离，最后通过输出模块将计算得到的结果输出。
其中,主动声纳方程为：
SL-2TL+TS＝NL-DI+DT (7)
其中：SL是发射声源的声源级，TL是从声源到目标或从目标返回到声源的传播损失，TS是声目标强度，NL是接收器处的噪声级，DI是接收指向性指数，DT是检测阈，EL＝SL-2TL+TS是回声级，NL-DI+DT是噪声掩蔽级。
得到的TL经过转换后即为目标被多基地主动声纳探测到的距离。
具体应用实例2：
通过输入模块导入用户关注的水下目标网格文件，并输入主动声纳工作频率以及发射/接收方位，通过处理模块计算表面亮点并通过输出模块将表面亮点计算结果输出，对亮点分布区域采用线型优化或者消声处理等处理手段，提高声隐身性能。
本发明上述实施例提供的水中目标收发分置中高频声目标强度预报系统及方法，针对多基地主动声纳技术提出的水中目标收发分置声目标强度快速评估需求，同时考虑了声影区和亮区对大分置角散射声场的贡献，对传统物理声学进行了有效修正，可以快速、准确预报水中目标大分置角情况下目标强度；为了提高计算速度，采用了切比雪夫多项式插值算法，可实现宽带声目标强度的快速计算，计算效率较单频点扫描方式提升了N倍，其中2N代表每倍频程频点数；采用高效的投影遮挡算法计算亮区和影区，相对于传统的外法线与入射声线夹角判断方法精度更高，而且取消了对网格外法线方向的要求，用户无需再对网格法线方向进行检查或者修改；可以评估多基地主动声纳对水中目标探测距离以及对水中目标收发分置声隐身性能进行评估。
需要说明的是，本发明提供的方法中的步骤，可以利用系统中对应的模块、装置、单元等予以实现，本领域技术人员可以参照系统的技术方案实现方法的步骤流程，即，系统中的实施例可理解为实现方法的优选例，在此不予赘述。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (10)
1.一种水中目标收发分置中高频声目标强度预报系统，其特征在于，包括：输入模块、处理模块和输出模块；其中：
所述输入模块，导入需要仿真的模型网格文件绘制三维模型，并输入所述处理模块计算所需的计算类型、参数和/或变量；
所述处理模块，根据所述输入模块输入的计算类型、参数和/或变量，对三维模型进行表面亮点计算、声目标强度计算以及时域回波计算；
所述输出模块，输出计算得到的声目标强度、表面亮点、时域回波计算结果。
2.根据权利要求1所述的水中目标收发分置中高频声目标强度预报系统，其特征在于，所述输入模块，包括模型导入单元和参数设置单元；其中：
所述模型导入单元，添加需要仿真的模型网格文件，并绘制三维模型；对三维模型方向和比例因子进行调整，更改模型所在方位以及更改模型尺寸；
所述参数设置单元，输入处理模块计算所需的计算类型、参数和/或变量。
3.根据权利要求1所述的水中目标收发分置中高频声目标强度预报系统，其特征在于，所述处理模块中，表面亮点计算，根据由参数设置模块输入的计算参数，计算三维模型表面亮度；其中，输入的计算参数包括：分析频率、水平入射角、水平分置角、俯仰入射角、俯仰分置角、声源距离和/或观察点距离；
所述计算三维模型表面亮度的方法为：
采用一组小面元近似曲面，根据遮挡投影算法判断亮区面元和影区面元；
采用基于Kirchhoff近似的板块元方法，计算亮区的每个面元的散射声场，从而给出亮区面元的表面亮度；
根据大分置角下目标散射的特点，修正积分公式的积分范围，推导出计算影区散射声场的Helmholtz积分公式，据此给出影区的每个面元的散射声场，从而给出亮区面元的表面亮度；
同时考虑亮区和影区面元的表面亮度，得到整体的三维模型表面亮度。
4.根据权利要求1所述的水中目标收发分置中高频声目标强度预报系统，其特征在于，所述处理模块中，声目标强度计算，根据由参数设置模块输入的计算参数，计算三维模型声目标强度；其中，输入的计算参数根据计算类型进行设置，包括如下任意一项或任意多项：
当计算类型为分析频率时，输入的变量值包括：起始值、步长值、结束值；输入的参数值包括水平入射角、水平分置角、俯仰入射角、俯仰分置角；
当计算类型为水平入射角时，输入的变量值包括起始值、步长值、结束值；输入的参数值包括分析频率、水平分置角、俯仰入射角、俯仰分置角；
当计算类型为水平分置角时，输入的变量值包括起始值、步长值、结束值；输入的参数值包括分析频率、水平入射角、俯仰入射角、俯仰分置角；
当计算类型为俯仰入射角时，输入的变量值包括起始值、步长值、结束值；输入的参数值包括分析频率、水平入射角、水平分置角、俯仰分置角；
当计算类型为俯仰分置角时，输入的变量值包括起始值、步长值、结束值；输入的参数值，包括分析频率、水平入射角、水平分置角、俯仰入射角；
所述计算三维模型声目标强度的方法为：
采用一组小面元近似曲面，根据遮挡投影算法判断从声源看去的亮区面元和影区面元；
采用基于Kirchhoff近似的板块元方法，计算亮区的每个面元的散射声场；
根据大分置角下目标散射的特点，修正积分公式的积分范围，推导出计算影区散射声场的Helmholtz积分公式，据此给出影区的每个面元的散射声场；
将亮区和影区的各个面元的散射声场进行叠加，得到整体的三维模型声目标强度。
5.根据权利要求1所述的水中目标收发分置中高频声目标强度预报系统，其特征在于，所述处理模块中，时域回波计算，根据由参数设置模块输入的计算参数，计算三维模型时域回波；其中，输入的计算参数根据发射信号类型进行设置，发射信号类型包括：CW、LFM或User，输入的计算参数包括：水平入射角、水平分置角、俯仰入射角、俯仰分置角、声源距离、观察点距离、中心频率、频带宽度、时间脉宽、声源级和/或采样频率；
所述计算三维模型时域回波的方法为：
将水下目标看作一个线性系统网络，入射信号看作该网络起始端的输入，该网络终端的输出即为目标回波；以目标信道的冲激响应函数和频域响应函数表述目标散射声场，对目标信道的频域响应函数进行快速傅立叶逆变换，进而求出三维模型时域回波。
6.一种水中目标收发分置中高频声目标强度预报方法，其特征在于，包括：
导入需要仿真的模型网格文件；
根据需求设置计算类型、参数和/或变量；
计算表面亮点、计算声目标强度以及计算时域回波。
7.根据权利要求6所述的水中目标收发分置中高频声目标强度预报方法，其特征在于，所述导入需要仿真的模型网格文件，包括如下步骤：
对需要仿真的模型进行建模及网格剖分；
获取需要仿真的模型的网格文件，绘制形成三维模型。
8.根据权利要求6所述的水中目标收发分置中高频声目标强度预报方法，其特征在于，所述计算表面亮点，包括如下步骤：
-采用遮挡投影算法，判断目标的亮区及影区，包括：
确定一个目标板块的中心点沿入射波矢方向的直线和一个参考板块所在平面的交点P；
判断这个交点P是否在此参考板块元内部，若否，则该目标板块未被参考板块遮挡，反之，则进行下一步判断；
判断目标板块的深度值是否小于参考板块的深度值，若是，则该目标板块未被参考板块遮挡，反之则为遮挡；
按照上述过程，遍历所有板块，若目标板块未被遮挡，则位于该发射点的亮区；反之，则位于该发射点的影区；
-从声源看去，照亮的区域为亮区；从接收点看去，照亮的区域为影区；利用收发分置板块元算法分别计算处于亮区和影区的小板块散射声场，得到目标表面亮点。
9.根据权利要求6所述的水中目标收发分置中高频声目标强度预报方法，其特征在于，所述计算声目标强度，包括如下步骤：
采用遮挡投影算法，判断目标的亮区及影区：
以声源和板块中心的连线作为入射波矢方向，根据遮挡投影算法判定亮区和影区；以接收点和板块中心的连线作为入射波矢方向，根据遮挡投影算法判定亮区和影区；
采用切比雪夫多项式插值算法，应用收发分置的板块元算法分别计算处于亮区和影区的小板块散射声场，从而实现宽带声目标强度的计算；
所述收发分置的板块元算法为：
对于大分置角情况，根据投影遮挡算法判断亮区为S0和S1，影区为S2和S3，同时考虑亮区及影区对散射声场的贡献
有：
其中，r1,r2分别是声源和接收点到面元中心的矢量，θ1,θ2分别是r1,r2与表面外法线的夹角；k表示波数，A表示入射声压幅值，根据亮区和影区的范围，判断cosθ1和cosθ2的正负分别为：
其中，P为目标上任意点；这时，式(1)变为：
其中，r1,r2分别是声源和接收点到面元中心的矢量，θ1,θ2分别是r1,r2与表面外法线的夹角；k表示波数，A表示入射声压幅值。
根据式(3)，采用切比雪夫插值算法即计算得到目标收发分置散射声场。
10.根据权利要求6所述的水中目标收发分置中高频声目标强度预报方法，其特征在于，所述计算时域回波，包括如下步骤：
采用频域间接法，得到目标时域回波：
将水下目标看作一个线性系统网络，入射信号看作该网络起始端的输入，而该网络终端的输出即为目标回波；其中：
设x(t)为入射信号，y(t)为目标的回波信号，h(τ)为目标信道的冲激响应函数，X(f)为入射信号的频谱函数，Y(f)为回波信号的频谱函数，H(f)为频域响应函数，即目标传递函数，则目标的瞬态回波表示为：
其中，
表示卷积计算；
根据信号处理中线性系统时间域响应和频率域响应相互对应的基本原理，得到目标的回波谱：
Y(f)＝X(f)·H(f) (5)
其中，·表示点积运算；
由于：
辅以快速傅立叶变换和逆变换，即求出三维模型时域回波。
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