CN113126070A - 针对复杂水下目标的主动声呐回波或散射波时域模拟方法 - Google Patents

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王英民
王关峰
王成
郑琨
王奇
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Abstract

本发明公开了一种针对复杂水下目标的主动声呐回波或散射波时域模拟方法，首先，利用有限元软件建立目标及水域的几何模型，设置好目标的材料参数，水域环境参数和声固耦合边界条件，并进行网格划分；其次，利用产生的一种宽带脉冲激励信号，计算出目标的声压散射场，得到任一接收点处目标回波或声散射波的宽带脉冲时域响应；最后，将主动声纳探测信号与目标的宽带脉冲声散射回波时域响应信号在时域上进行卷积运算，求得目标对主动探测信号的回波或散射波时域信号。本发明方法所产生的水下目标回波波形包含了目标的材料、结构、形状等信息，对比现有的回波模拟方法，模拟效果更加逼真。

Description

针对复杂水下目标的主动声呐回波或散射波时域模拟方法
技术领域
本发明属于信号处理技术领域，具体涉及一种主动声呐波形时域模拟方法。
背景技术
水下声目标模拟器包含声诱饵、噪声干扰器、鱼雷声靶等，在声呐设备的试验、鱼雷研制和海军训练中具有重要作用。从用途上说，声目标模拟器一般分为两大类，一类为声诱饵、噪声干扰器等水声对抗干扰设备，用来迷惑和干扰敌方声呐和鱼雷，以确保己方舰艇和潜艇的安全；一类为鱼雷声靶等作为声学跟踪的目标，应用于水声技术装备进行跟踪特性试验、性能评估和实际使用训练。现有的水声目标模拟器采用的目标模拟方法，主要是针对点目标，借助波形存储重发的基本方法，通过多普勒频移、回波延时、计算传播损失等对目标的运动状态、距离和目标强度信息进行模拟。此类方法所模拟出的目标回波信号包含的目标本身的特征信息比较少，无法对目标的材料、形状、结构等声散射特性进行模拟，难以满足对目标进行更精确识别的要求。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种针对复杂水下目标的主动声呐回波或散射波时域模拟方法，首先，利用有限元软件建立目标及水域的几何模型，设置好目标的材料参数，水域环境参数和声固耦合边界条件，并进行网格划分；其次，利用产生的一种宽带脉冲激励信号，计算出目标的声压散射场，得到任一接收点处目标回波或声散射波的宽带脉冲时域响应；最后，将主动声纳探测信号与目标的宽带脉冲声散射回波时域响应信号在时域上进行卷积运算，求得目标对主动探测信号的回波或散射波时域信号。本发明方法所产生的水下目标回波波形包含了目标的材料、结构、形状等信息，对比现有的回波模拟方法，模拟效果更加逼真。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：
步骤1：利用有限元方法建立目标及目标所在水域的仿真环境几何模型，定义目标的材料参数、水域环境参数和声固耦合边界条件，并进行有限网格划分；
步骤2：采用平面波声源产生一种宽带脉冲激励信号，将宽带脉冲激励信号作用于目标，计算目标的声压散射场，得到任一指定接收点的目标回波或声散射波的时域宽带脉冲响应h(t)；
步骤3：将接收到的经过水下声场传播的主动声纳探测信号x(t)与目标回波或声散射波的时域宽带脉冲响应h(t)在时域上进行卷积运算，求得目标回波或散射波时域响应信号p(t)：
Figure BDA0003025303630000021
其中，
Figure BDA0003025303630000022
表示卷积运算。
优选地，所述主动声呐探测信号为CW信号、LFM信号或其他任意发射信号。
优选地，所述步骤3中，采用如下方法计算目标回波或散射波响应信号p(t)：
将接收到的经过水下声场接收的主动声纳探测信号x(t)和目标回波或声散射波的时域宽带脉冲响应h(t)转换到频域，进行卷积运算：
Figure BDA0003025303630000023
其中，P(jω)为目标声散射回波信号的频域响应，X(jω)为经过水下声传播的主动声呐探测信号的频域响应，H(jω)为目标回波或声散射波的宽带脉冲频域响应；
再将P(jω)转换到时域得到目标反射或散射波时域响应信号p(t)。
本发明的有益效果如下：
1、本发明方法所产生的水下目标回波波形包含了目标的材料、结构、形状等信息，对比现有的回波模拟方法，模拟效果更加逼真。
2、本发明方法可用于实现复杂目标针对主动声呐的实时回波或散射波模拟。
3、本发明方法可用于研制水下复杂目标智能型声诱饵。
附图说明
图1为本发明实施例复杂目标三维仿真模型示意图，其中图1(a)为任意形状的水下目标的3D实体模型，图1(b)为有限元网格划分，图1(c)为在有限元软件下建立目标和水下声场的仿真环境模型，图1(d)为仿真计算图例。
图2为本发明实施例产生的由一种特定脉冲宽带激励信号得到的目标回波或散射波声场响应模拟示意图。
图3为本发明实施例提取到宽带脉冲激励信号下的任意位置目标回波或散射波响应信号。
图4为本发明实施例产生的主动声纳探测信号CW。
图5为本发明实施例中使用卷积运算得到的复杂目标CW回波或散射波信号。
图6为本发明实施例中由主动声呐探测信号CW直接激励信号得到的复杂目标回波或散射波时域信号。
图7为本发明实施例产生的主动声纳探测信号LFM。
图8为本发明实施中使用卷积运算得到的复杂目标回波或散射波时域信号。
图9为本发明实施例中主动声纳探测信号LFM直接激励得到的复杂目标回波或散射波时域信号。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明提出一种针对复杂水下目标进行主动声呐回波或散射波时域模拟方法，可以实现对目标的材料、形状、结构等信息进行模拟的效果，同时也可以实现对任意声呐发射信号所产生的复杂目标回波或散射波的时域信号模拟。
一种针对复杂水下目标的主动声呐回波或散射波时域模拟方法，包括以下步骤：
步骤1：利用有限元方法建立目标及目标所在水域的仿真环境几何模型，定义目标的材料参数、水域环境参数和声固耦合边界条件，并进行有限网格划分；
步骤2：采用平面波声源产生一种宽带脉冲激励信号，将宽带脉冲激励信号作用于目标，计算目标的声压散射场，得到任一指定接收点的目标回波或声散射波的时域宽带脉冲响应h(t)；
步骤3：将接收到的经过水下声场传播的主动声纳探测信号x(t)与目标回波或声散射波的时域宽带脉冲响应h(t)在时域上进行卷积运算，求得目标回波或散射波时域响应信号p(t)：
Figure BDA0003025303630000031
其中，
Figure BDA0003025303630000032
表示卷积运算。
优选地，所述主动声呐探测信号为CW信号、LFM信号或其他任意发射信号。
优选地，所述步骤3中，采用如下方法计算目标回波或散射波响应信号p(t)：
将接收到的经过水下声场接收的主动声纳探测信号x(t)和目标回波或声散射波的时域宽带脉冲响应h(t)转换到频域，进行卷积运算：
Figure BDA0003025303630000033
其中，P(jω)为目标声散射回波信号的频域响应，X(jω)为经过水下声传播的主动声呐探测信号的频域响应，H(jω)为目标回波或声散射波的宽带脉冲频域响应；
再将P(jω)转换到时域得到目标反射或散射波时域响应信号p(t)。
具体实施例：
第一步：
(1)建立任意形状的水下目标的3D实体模型；
(2)定义材料属性；
(3)进行有限网格划分；
(4)在有限元软件下建立目标、水下声场的仿真环境模型。
如图1(a)(b)(c)(d)所示。
第二步：
定义平面波声源，产生宽带激励信号及声场响应如图2所示。将宽带激励信号作用于目标，计算目标的声散射回波响应h(t)，其波形如图3所示。
第三步：
实施例1：
将经过目标反射的主动声纳探测信号，此处选取常用的CW信号，如图4所示，与第二步提取的目标回波或声散射波宽带脉冲响应信号在时域上进行卷积运算(也可通过转换到频域进行计算，并通过反变换得到卷积值)，可求得目标回波或声散射波响应信号：
将卷积运算得到的目标回波或散射波响应信号与CW信号直接作用在目标上得到的目标回波或散射波信号进行对比，如图5和图6所示。从图中可以看出，两种方法得到的信号波形一致，两个信号的相关系数为0.9979，证明方法的有效性及实用性。
实施例2：
将经过目标反射的主动声纳探测信号由CW信号变为LFM信号，如图7所示，其余保持不变，可求得目标回波或散射波时域响应信号。将卷积运算得到的目标宽带脉冲响应信号与LFM信号直接作用在目标上得到的目标回波或散射波信号进行对比，如图8和图9所示。从图中可以看出，两种方法得到的信号波形一致，其相关系数为0.9971，证明了方法的有效性及实用性。

Claims (3)

1.一种针对复杂水下目标的主动声呐回波或散射波时域模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：利用有限元方法建立目标及目标所在水域的仿真环境几何模型，定义目标的材料参数、水域环境参数和声固耦合边界条件，并进行有限网格划分；
步骤2：采用平面波声源产生一种宽带脉冲激励信号，将宽带脉冲激励信号作用于目标，计算目标的声压散射场，得到任一指定接收点的目标回波或声散射波的时域宽带脉冲响应h(t)；
步骤3：将接收到的经过水下声场传播的主动声纳探测信号x(t)与目标回波或声散射波的时域宽带脉冲响应h(t)在时域上进行卷积运算，求得目标回波或散射波时域响应信号p(t)：
Figure FDA0003025303620000011
其中，
Figure FDA0003025303620000012
表示卷积运算。
2.根据权利要求1所述的一种针对复杂水下目标的主动声呐回波或散射波时域模拟方法，其特征在于，所述主动声呐探测信号为CW信号、LFM信号或其他任意发射信号。
3.根据权利要求1所述的一种针对复杂水下目标的主动声呐回波或散射波时域模拟方法，其特征在于，所述步骤3中，采用如下方法计算目标回波或散射波响应信号p(t)：
将接收到的经过水下声场接收的主动声纳探测信号x(t)和目标回波或声散射波的时域宽带脉冲响应h(t)转换到频域，进行卷积运算：
Figure FDA0003025303620000013
其中，P(jω)为目标声散射回波信号的频域响应，X(jω)为经过水下声传播的主动声呐探测信号的频域响应，H(jω)为目标回波或声散射波的宽带脉冲频域响应；
再将P(jω)转换到时域得到目标反射或散射波时域响应信号p(t)。
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