CN113312765A - 一种目标-海洋环境-声纳耦合特性综合仿真系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于声纳设计与效能评估技术领域，公开了一种目标‑海洋环境‑声纳耦合特性综合仿真系统及方法，包括：目标特性仿真模块根据预设的连续谱、线谱、调制谱参数生成各类目标辐射噪声的仿真数据；海洋环境声传播特性仿真模块根据预设的海洋环境参数、目标与声纳之间的相对位置和运动速度生成声传播特性仿真数据；声纳信号输出仿真模块根据预设的声纳阵列参数生成声纳各阵元和阵列波束输出仿真数据；综合显示与操控模块进行仿真数据的可视化以及人机交互。本发明全面展示了目标‑海洋环境‑声纳之间的耦合特性变化规律，可显著减少声纳设计和效能评估中的湖海试验环节，提高设计和评估效率，降低设计反复风险和试验成本。
Description
技术领域
本发明属于声纳设计与效能评估技术领域，尤其涉及一种目标-海洋环境-声纳耦合特性综合仿真系统及方法。
背景技术
目前：声纳是最重要的水下探测设备。在声纳设计和制造过程中，一个重要环节是要对设计结果和实际工作效能进行评估确认，传统的方法主要是通过湖上试验和海上试验进行检验，但试验耗时长、成本高、效率低。现有的实验室仿真手段则主要集中在对声纳本身的性能进行仿真评估，而没有考虑到不同类型目标以及不同海洋环境对声纳整体使用效果的影响，导致在声纳的实际使用过程中，常常出现对某些目标或某些环境不适用的问题，引起设计反复或限制声纳使用。另外，湖海试验也很难覆盖所有类型目标和各种复杂的海洋环境，往往只能涵盖某些典型的目标和典型的海洋环境，只有与实验室仿真的充分结合才能给出更全面、更可靠的评估结果。而目前实验室仿真是短板，缺少能够将目标-海洋环境-声纳耦合特性进行综合化仿真的系统。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有技术缺少能够将目标-海洋环境-声纳耦合特性进行综合化仿真的系统；现有的实验室仿真技术仿真没有考虑到不同类型目标以及不同海洋环境对声纳整体使用效果的影响。
解决以上问题及缺陷的难度为：目标特性、海洋环境声传播特性、声纳输出特性属于不同的技术方向，对每一种特性的研究和仿真分析都非常复杂、经历了几十年的持续研究。过去受计算技术、仿真技术水平的限制(每个技术方向的孤立仿真的耗时已经以天、月为单位，耦合仿真的耗时更是几何倍数增长)，以及各技术方向知识覆盖面的不足(各技术方向的发展水平参差不齐，彼此之间的知识难以有机融合)，对目标、海洋环境、声纳输出的仿真分析研究一般都是孤立进行的，对其全过程耦合的综合特性评估基本靠湖上或者海上试验进行。但是湖上试验和海上试验的成本很高，而且试验受天气、试验船只和设备的使用率冲突等因素影响常常不能如期开展，耗时长从而造成整个项目的进度风险。随着现代计算机的计算能力、显示能力的大幅提升，以及各技术方向的知识储备日渐丰富，具备基本条件可以把原先孤立的仿真分析，通过本系统实现从目标特性发生、经海洋环境传播后到达声纳端再输出的综合仿真分析和展示，从而把不同技术方向的知识成果通过本系统较完整、全面的展示，不再孤立，而是对湖上试验和海上试验的全过程实验室仿真。
解决以上问题及缺陷的意义为：把目标特性、海洋环境声传播特性、声纳输出特性的知识相互融合，能够更好地对声纳的能力缺陷和不足进行全面评估，分析说明问题的产生本源究竟是来自于目标、环境还是声纳本身，从而避免了过去孤立分析某一种因素的局限性，比如仅分析声纳输出特性，就没有考虑到不同类型目标以及不同海洋环境对声纳整体使用效果的影响，导致结果片面。通过本系统，很多是由于目标-海洋环境-声纳耦合引起的原因也就更容易地被发现和识别出来。
本系统可以模拟海上试验和湖上试验的全过程，过去很多需要通过湖上试验和海上试验才能发现的问题和评估的项目，可以通过实验室仿真的方式进行替代，从而大大节约了试验成本，规避了试验中可能遇到的进度风险、甚至设备损坏/丢失等风险。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种目标-海洋环境-声纳耦合特性综合仿真系统及方法。
本发明是这样实现的，一种目标-海洋环境-声纳耦合特性综合仿真系统，所述目标-海洋环境-声纳耦合特性综合仿真系统包括：
目标特性仿真模块、海洋环境声传播特性仿真模块、声纳信号输出仿真模块以及综合显示与操控模块；
目标特性仿真模块，用于根据预设的连续谱、线谱、调制谱参数生成各类目标辐射噪声的仿真数据；
海洋环境声传播特性仿真模块，用于根据预设的海洋环境参数、目标与声纳之间的相对位置和运动速度生成声传播特性仿真数据；
声纳信号输出仿真模块，用于根据预设的声纳阵列参数生成声纳各阵元和阵列波束输出仿真数据；
综合显示与操控模块，用于通过多屏分别独立显示或单屏分区域或分页面的方式进行仿真数据的可视化，同时用于通过鼠标、键盘、触摸屏、语音方式进行人机交互。
进一步，所述线谱参数包括：线谱的数量、幅度、频率、随机相位及其他参数。
进一步，所述调制谱参数包括：调制谱的幅度、频率及其他参数。
进一步，所述海洋环境参数、目标与声纳之间的相对位置和运动速度包括：
目标和声纳之间的水平距离、目标和声纳之间的相对运动速度、目标深度、声纳深度、频率、海水深度、海水声速、海水密度、海水衰减系数、海底声速、海底密度、海底衰减系数及其他参数。
进一步，所述声纳阵列参数包括：阵元个数、各阵元相对于参考点的时延及其他参数。
进一步，所述目标特性仿真模块、海洋环境声传播特性仿真模块、声纳信号输出仿真模块之间通过串联方式连接，同时所述目标特性仿真模块、海洋环境声传播特性仿真模块、声纳信号输出仿真模块以并联方式连接到综合显示与操控模块。
本发明的另一目的在于提供一种应用于所述目标-海洋环境-声纳耦合特性综合仿真系统的目标-海洋环境-声纳耦合特性综合仿真方法，所述目标-海洋环境-声纳耦合特性综合仿真方法包括：
步骤一，根据预设的连续谱、线谱、调制谱参数生成各类目标辐射噪声的仿真数据；对目标特性进行仿真计算；
步骤二，根据预设的海洋环境参数、目标与声纳之间的相对位置和运动速度生成声传播特性仿真数据；对海洋环境特性进行仿真计算；
步骤三，根据预设的声纳阵列参数生成声纳各阵元和阵列波束输出仿真数据；对声纳输出特性尤其是目标-海洋环境-声纳耦合后的声纳输出特性进行仿真计算；
步骤四，通过多屏分别独立显示或单屏分区域或分页面的方式对步骤一至步骤三生成的仿真数据进行可视化展示。对目标特性、海洋环境特性、声纳输出特性分别进行可视化展示，便于人机交互。
进一步，步骤一中，所述根据预设的连续谱、线谱、调制谱参数生成各类目标辐射噪声的仿真数据包括：
根据预设的连续谱、线谱、调制谱参数生成各类目标辐射噪声的仿真数据
其中，m(t)表示调制谱；sx(t)表示连续谱；K表示线谱数量，Ak表示线谱幅度，fk表示线谱频率，
表示线谱的随机相位，
在[0,2π]上均匀分布。
进一步，步骤一中，所述根据预设的海洋环境参数、目标与声纳之间的相对位置和运动速度生成声传播特性仿真数据包括：
根据预设的海洋环境参数、目标与声纳之间的相对位置和运动速度生成声传播特性仿真数据
其中，常数
r表示目标和声纳之间的水平距离，v表示目标和声纳之间的相对运动速度，z和z/分别表示目标和声纳的深度，f表示频率；km和
分别表示海洋环境中第m阶简正波的波数和模态函数。
进一步，步骤三中，所述根据预设的声纳阵列参数生成声纳各阵元和阵列波束输出仿真数据包括：
各阵元输出目标辐射噪声经过海洋环境传播后的目标-海洋环境耦合特性仿真数据
其中，
表示卷积计算；
阵列波束输出各阵元数据再经声纳波束形成后的目标-海洋环境-声纳耦合特性仿真数据
N表示阵元个数，Δtn表示各阵元相对于参考点的时延。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明通过目标特性仿真模块、海洋环境声传播特性仿真模块、声纳信号输出仿真模块、综合显示与操控模块实现了从目标辐射噪声经海洋环境传播再到声纳输出的全过程仿真，全面展示了目标-海洋环境-声纳之间的耦合特性变化规律，弥补了现有实验室仿真手段只能进行孤立仿真的不足，结果显示直观、使用方便快捷，可显著减少声纳设计和效能评估中的湖海试验环节，提高设计和评估效率，降低设计反复风险和试验成本。
本发明将目标、海洋环境、声纳看成一个整体进行综合化仿真，充分考虑到了目标类型不同、海洋环境差异对声纳设计和效能评估的影响，可以替代部分湖海试验，降低了试验成本，并且作为湖海试验评估的补充手段，能够更全面地分析评估声纳设计效果和实际使用效能。本发明具有较好的数据可视化和人机交互功能，过程显示直观、使用方便快捷，实现了目标-海洋环境-声纳耦合特性的全过程仿真，切实提高了声纳设计和评估效率，降低了设计反复风险。
附图说明
图1是本发明实施例提供的目标-海洋环境-声纳耦合特性综合仿真系统示意图。
图2是本发明实施例提供的目标-海洋环境-声纳耦合特性综合仿真方法流程图。
图3是本发明实施例提供的目标特性仿真结果示意图。
图4是本发明实施例提供的海洋环境声传播特性仿真结果示意图。
图5是本发明实施例提供的声纳单阵元输出的目标-海洋环境耦合特性仿真结果示意图。
图6是本发明实施例提供的声纳阵列波束输出的目标-海洋环境-声纳耦合特性仿真结果示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种目标-海洋环境-声纳耦合特性综合仿真系统及方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的目标-海洋环境-声纳耦合特性综合仿真系统包括：
目标特性仿真模块，用于根据预设的连续谱、线谱、调制谱参数生成各类目标辐射噪声的仿真数据；
海洋环境声传播特性仿真模块，用于根据预设的海洋环境参数、目标与声纳之间的相对位置和运动速度生成声传播特性仿真数据；
声纳信号输出仿真模块，用于根据预设的声纳阵列参数生成声纳各阵元和阵列波束输出仿真数据；
综合显示与操控模块，用于通过多屏分别独立显示或单屏分区域或分页面的方式进行仿真数据的可视化，同时用于通过鼠标、键盘、触摸屏、语音方式进行人机交互。
本发明实施例提供的线谱参数包括：线谱的数量、幅度、频率、随机相位及其他参数。
本发明实施例提供的调制谱参数包括：调制谱的幅度、频率及其他参数。
本发明实施例提供的海洋环境参数、目标与声纳之间的相对位置和运动速度包括：
目标和声纳之间的水平距离、目标和声纳之间的相对运动速度、目标深度、声纳深度、频率、海水深度、海水声速、海水密度、海水衰减系数、海底声速、海底密度、海底衰减系数及其他参数。
本发明实施例提供的声纳阵列参数包括：阵元个数、各阵元相对于参考点的时延及其他参数。
本发明实施例提供的目标特性仿真模块、海洋环境声传播特性仿真模块、声纳信号输出仿真模块之间通过串联方式连接，同时所述目标特性仿真模块、海洋环境声传播特性仿真模块、声纳信号输出仿真模块以并联方式连接到综合显示与操控模块。
如图2所示，本发明实施例提供的目标-海洋环境-声纳耦合特性综合仿真方法包括：
S101，根据预设的连续谱、线谱、调制谱参数生成各类目标辐射噪声的仿真数据；
S102，根据预设的海洋环境参数、目标与声纳之间的相对位置和运动速度生成声传播特性仿真数据；
S103，根据预设的声纳阵列参数生成声纳各阵元和阵列波束输出仿真数据；
S104，通过多屏分别独立显示或单屏分区域或分页面的方式对步骤S101至步骤S103生成的仿真数据进行可视化展示。
本发明实施例提供的根据预设的连续谱、线谱、调制谱参数生成各类目标辐射噪声的仿真数据包括：
根据预设的连续谱、线谱、调制谱参数生成各类目标辐射噪声的仿真数据
其中，m(t)表示调制谱；sx(t)表示连续谱；K表示线谱数量，Ak表示线谱幅度，fk表示线谱频率，
表示线谱的随机相位，
在[0,2π]上均匀分布。
本发明实施例提供的根据预设的海洋环境参数、目标与声纳之间的相对位置和运动速度生成声传播特性仿真数据包括：
根据预设的海洋环境参数、目标与声纳之间的相对位置和运动速度生成声传播特性仿真数据
其中，常数
r表示目标和声纳之间的水平距离，v表示目标和声纳之间的相对运动速度，z和z/分别表示目标和声纳的深度，f表示频率；km和
分别表示海洋环境中第m阶简正波的波数和模态函数。
本发明实施例提供的根据预设的声纳阵列参数生成声纳各阵元和阵列波束输出仿真数据包括：
各阵元输出目标辐射噪声经过海洋环境传播后的目标-海洋环境耦合特性仿真数据
其中，
表示卷积计算；
阵列波束输出各阵元数据再经声纳波束形成后的目标-海洋环境-声纳耦合特性仿真数据
N表示阵元个数，Δtn表示各阵元相对于参考点的时延。
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
实施例1：
如图1所示，该系统包括目标特性仿真模块、海洋环境声传播特性仿真模块、声纳信号输出仿真模块、综合显示与操控模块。目标特性仿真模块、海洋环境声传播特性仿真模块、声纳信号输出仿真模块之间通过串联方式连接，同时以并联方式连接到综合显示与操控模块。
通过综合显示与操纵模块输入调制谱m(t)的幅度和频率等参数，任意信号形式的连续谱sx(t)，线谱的数量K、幅度Ak、频率fk、随机相位
等参数。目标特性仿真模块根据输入的上述参数生成目标辐射噪声的仿真数据
结果见图3；
通过综合显示与操纵模块输入目标和声纳之间的水平距离r、目标和声纳之间的相对运动速度v、目标深度z、声纳深度z/、频率f、海水深度、海水声速、海水密度、海水衰减系数、海底声速、海底密度、海底衰减系数等参数。海洋环境声传播特性仿真模块根据输入的上述参数生成声传播特性仿真数据
结果见图4；
通过综合显示与操纵模块输入阵元个数N、各阵元相对于参考点的时延Δtn等参数。声纳信号输出仿真模块根据输入参数生成声纳各阵元输出的是目标辐射噪声经过海洋环境传播后的目标-海洋环境耦合特性仿真数据
是卷积计算，结果见图5；
阵列波束输出的是各阵元数据再经声纳波束形成后的目标-海洋环境-声纳耦合特性仿真数据
结果见图6。
最后，综合显示与操控模块实现上述目标-海洋环境-声纳耦合特性仿真过程数据及结果的可视化，通过多屏分别独立显示，或通过单屏分区域/分页面显示。
应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种目标-海洋环境-声纳耦合特性综合仿真系统，其特征在于，所述目标-海洋环境-声纳耦合特性综合仿真系统包括：
目标特性仿真模块、海洋环境声传播特性仿真模块、声纳信号输出仿真模块以及综合显示与操控模块；
目标特性仿真模块，用于根据预设的连续谱、线谱、调制谱参数生成各类目标辐射噪声的仿真数据；
海洋环境声传播特性仿真模块，用于根据预设的海洋环境参数、目标与声纳之间的相对位置和运动速度生成声传播特性仿真数据；
声纳信号输出仿真模块，用于根据预设的声纳阵列参数生成声纳各阵元和阵列波束输出仿真数据；
综合显示与操控模块，用于通过多屏分别独立显示或单屏分区域或分页面的方式进行仿真数据的可视化，同时用于通过鼠标、键盘、触摸屏、语音方式进行人机交互。
2.如权利要求1所述目标-海洋环境-声纳耦合特性综合仿真系统，其特征在于，所述线谱参数包括：线谱的数量、幅度、频率、随机相位及其他参数。
3.如权利要求1所述目标-海洋环境-声纳耦合特性综合仿真系统，其特征在于，所述调制谱参数包括：调制谱的幅度、频率及其他参数。
4.如权利要求1所述目标-海洋环境-声纳耦合特性综合仿真系统，其特征在于，所述海洋环境参数、目标与声纳之间的相对位置和运动速度包括：
目标和声纳之间的水平距离、目标和声纳之间的相对运动速度、目标深度、声纳深度、频率、海水深度、海水声速、海水密度、海水衰减系数、海底声速、海底密度、海底衰减系数及其他参数。
5.如权利要求1所述目标-海洋环境-声纳耦合特性综合仿真系统，其特征在于，所述声纳阵列参数包括：阵元个数、各阵元相对于参考点的时延及其他参数。
6.如权利要求1所述目标-海洋环境-声纳耦合特性综合仿真系统，其特征在于，所述目标特性仿真模块、海洋环境声传播特性仿真模块、声纳信号输出仿真模块之间通过串联方式连接，同时所述目标特性仿真模块、海洋环境声传播特性仿真模块、声纳信号输出仿真模块以并联方式连接到综合显示与操控模块。
7.一种运行权利要求1-6任意一项所述目标-海洋环境-声纳耦合特性综合仿真系统的目标-海洋环境-声纳耦合特性综合仿真方法，其特征在于，所述目标-海洋环境-声纳耦合特性综合仿真方法包括：
步骤一，根据预设的连续谱、线谱、调制谱参数生成各类目标辐射噪声的仿真数据；
步骤二，根据预设的海洋环境参数、目标与声纳之间的相对位置和运动速度生成声传播特性仿真数据；
步骤三，根据预设的声纳阵列参数生成声纳各阵元和阵列波束输出仿真数据；
步骤四，通过多屏分别独立显示或单屏分区域或分页面的方式对步骤一至步骤三生成的仿真数据进行可视化展示。
8.如权利要求7所述目标-海洋环境-声纳耦合特性综合仿真方法，其特征在于，步骤一中，所述根据预设的连续谱、线谱、调制谱参数生成各类目标辐射噪声的仿真数据包括：
根据预设的连续谱、线谱、调制谱参数生成各类目标辐射噪声的仿真数据
其中，m(t)表示调制谱；sx(t)表示连续谱；K表示线谱数量，Ak表示线谱幅度，fk表示线谱频率，
表示线谱的随机相位，
在[0,2π]上均匀分布。
9.如权利要求7所述目标-海洋环境-声纳耦合特性综合仿真方法，其特征在于，步骤一中，所述根据预设的海洋环境参数、目标与声纳之间的相对位置和运动速度生成声传播特性仿真数据包括：
根据预设的海洋环境参数、目标与声纳之间的相对位置和运动速度生成声传播特性仿真数据
其中，常数
r表示目标和声纳之间的水平距离，v表示目标和声纳之间的相对运动速度，z和z/分别表示目标和声纳的深度，f表示频率；km和
分别表示海洋环境中第m阶简正波的波数和模态函数。
10.如权利要求7所述目标-海洋环境-声纳耦合特性综合仿真方法，其特征在于，步骤三中，所述根据预设的声纳阵列参数生成声纳各阵元和阵列波束输出仿真数据包括：
各阵元输出目标辐射噪声经过海洋环境传播后的目标-海洋环境耦合特性仿真数据
其中，
表示卷积计算；
阵列波束输出各阵元数据再经声纳波束形成后的目标-海洋环境-声纳耦合特性仿真数据
N表示阵元个数，Δtn表示各阵元相对于参考点的时延。
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