CN114089340A - 大尺度目标模型回波亮点强度和分布特性测量系统及方法 - Google Patents

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李思博
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陈静
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Abstract

本发明涉及水声测量技术领域，具体涉及一种水下大尺度目标模型回波亮点强度和分布特性测量系统和测量方法，所述测量系统主要包括：大尺度目标模型、试验平台、接收浮标、发射浮标、光电复合缆、组合式发射换能器阵、接收换能器阵、发射功放机柜、收发处理机柜、时统定位装置、定位接收圆环阵和声应答换能器；其中，所述目标模型位于所述试验平台下方水中，所述光电复合缆通过所述试验平台上的绞车布放，并分别与所述接收浮标和所述发射浮标对接；所述发射功放机柜和所述收发处理机柜位于所述试验平台上。可用于湖上(海上)测量，系统具有实时高效、易于布放回收、操作使用及维护保障便捷等特点。

Description

大尺度目标模型回波亮点强度和分布特性测量系统及方法
技术领域
本发明涉及水声测量技术领域，具体涉及一种水下大尺度目标模型回波亮点强度和分布特性测量系统和测量方法。
背景技术
潜艇由于其突袭性强，杀伤力大等特点，在海上军事对抗中极具威慑力。因此，有效探潜是在海战中掌握主动权、克敌制胜的关键。然而，潜艇的探测和识别是目前水声领域面临的共同难题，突破该技术的前提是掌握潜艇目标的回波特性。由于对实际潜艇进行测量分析受各种因素制约难以实现，本发明提出一种基于水下大尺度目标模型的回波亮点强度和分布特性测量系统，通过对该目标模型的充分测量，可以获得水下大尺度目标的回波特征数据库。对于潜艇目标识别技术和潜艇隐身技术的研究均具有重要意义。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种水下大尺度目标模型回波亮点强度和分布特性测量系统和测量方法，可用于湖上(海上)测量，系统具有实时高效、易于布放回收、操作使用及维护保障便捷等特点。
本发明通过以下技术方案予以实现：
一种水下大尺度目标模型回波亮点强度和分布特性测量系统：
所述测量系统主要包括：大尺度目标模型、试验平台、接收浮标、发射浮标、光电复合缆、组合式发射换能器阵、接收换能器阵、发射功放机柜、收发处理机柜、时统定位装置、定位接收圆环阵和声应答换能器；
其中，所述目标模型位于所述试验平台下方水中，所述光电复合缆通过所述试验平台上的绞车布放，并分别与所述接收浮标和所述发射浮标对接；所述发射功放机柜和所述收发处理机柜位于所述试验平台上；所述组合式发射换能器阵安装于所述发射浮标上；所述接收换能器阵安装于所述接收浮标上；所述时统定位装置分别安装于所述试验平台、所述接收浮标和所述发射浮标上；所述定位接收圆环阵和所述声应答换能器安装于所述目标模型上。
优选的，还包括测控软件，所述测控软件位于所述试验平台上。
本发明的技术方案还包括如下：一种水下大尺度目标模型回波亮点强度和分布特性测量方法，包括如下步骤：
步骤一：由试验平台上的测控软件设置发射脉冲形式参数，发送至收发处理机柜的发射信号源模块产生相应的信号，经数模转换后，发送给发射功放机柜的功率放大模块，产生大功率激励信号，驱动发射换能器进行发射；
步骤二：发射换能器阵发射的脉冲信号到达目标模型后，产生散射信号，同时，目标模型上装载的声应答换能器接收水听器组接收直达波信号，传送至试验平台上的收发处理机柜进行前置处理、AD变换和源级分析处理后，转发至应答发射信号源，产生相应的转发信号，经应答功放放大后，驱动目标模型上的应答发射换能器发射；
步骤三：接收水听器阵接收应答器发射的声信号，经前置调理、模数转换后，送入测控软件进行目标强度测量；
步骤四：由组合式发射换能器阵上的定位信标发射脉冲信号，目标模型上的定位圆环阵接收定位脉冲信号，从而确定发射换能器阵相对目标模型的舷角方位；
步骤五：已知发射阵相对目标模型的舷角方位，再根据时统定位装置获得发射浮标和接收浮标的北斗定位信息，计算出接收阵相对模拟目标的舷角方位；
步骤六：在显示界面上实时显示不同舷角方位下模拟目标的回波亮点强度，并统计分析其分布特性，存入目标回波特征数据库。
优选的，所述步骤一中，
所述发射脉冲形式主要包括如下参数：频率、带宽、脉冲长度、调制方式和重复周期。
优选的，所述步骤三中，
所述目标强度的测量方法如下：
假设声源与目标之间的声传播损失为TL1，目标到接收阵的传播损失为TL2，目标强度为HTS，声源处的回声信号级为EL，则有：
EL＝EL1+HTS-TL1-TL2 (1)
其中：
EL1：目标处的回声信号级，dB；EL1＝20lg v1-M1+A1
式中：
v1：水听器采集到目标回波的有效电压，V；
M1：接收水听器声压灵敏度，dB；
A1：接收装置的放大量，dB；
应答器转发信号声源处的回声信号级表示为：
ELa＝EL2-TL1-TL2 (2)
式中：
EL2：应答器处的回声信号级，dB；
EL2＝20lg v2-M2+A2 (3)
v2：应答器采集到目标回波的有效电压，V；
M2：应答器接收水听器声压灵敏度，dB；
A2：应答器接收装置的放大量，dB；
令EL2-EL1＝K，则整理得到目标强度HTS表示为：
Figure BDA0003370220430000031
式中：
vr_n：应答信号的有效电压值，V。
优选的，所述步骤四中，
目标测向采用圆阵分裂波束测向法：
假设圆阵半径为r0；相邻两基元的夹角为α0＝2π/N0，其中N0为32；
假设把左波束的工作基元编为1～M号，右波束的工作基元编为-1～-M号；
左波束第i路信号的时延为：
Figure BDA0003370220430000032
右波束第i路信号的时延为：
Figure BDA0003370220430000033
于是，左波束信号是：
Figure BDA0003370220430000034
其中，
Figure BDA0003370220430000035
Figure BDA0003370220430000036
把l(t)写成单频信号的形式：
l(t)＝A cos(2πf0t+α) (10)
其中，
Figure BDA0003370220430000037
Figure BDA0003370220430000038
同理的，得到右波束的相位表达式：
Figure BDA0003370220430000039
左右波束的相位差
Figure BDA0003370220430000041
即为发射阵相对模拟目标的方位。
本发明的有益效果为：
本发明在采用上述结构的设计和使用下，可用于湖上(海上)测量，系统具有实时高效、易于布放回收、操作使用及维护保障便捷等特点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的测量系统布置结构图；
图2是本发明的测控软件显示界面图。
图中：1-目标模型、2-试验平台、3-接收浮标、4-发射浮标、5-光电复合缆、6-组合式发射换能器阵、7-接收换能器阵、8-发射功放机柜、9-收发处理机柜、10-测控软件、11-时统定位装置、12-定位圆环阵、13-声应答换能器。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
请参阅图1～2所示，本实施例具体公开提供了一种水下大尺度目标模型回波亮点强度和分布特性测量系统的技术方案，
所述测量系统主要包括：大尺度目标模型1、试验平台2、接收浮标3、发射浮标4、光电复合缆5、组合式发射换能器阵6、接收换能器阵7、发射功放机柜8、收发处理机柜9、时统定位装置11、定位接收圆环阵和声应答换能器13；
其中，所述目标模型1位于所述试验平台2下方水中，所述光电复合缆5通过所述试验平台2上的绞车布放，并分别与所述接收浮标3和所述发射浮标4对接；所述发射功放机柜8和所述收发处理机柜9位于所述试验平台2上；所述组合式发射换能器阵6安装于所述发射浮标4上；所述接收换能器阵7安装于所述接收浮标3上；所述时统定位装置11分别安装于所述试验平台2、所述接收浮标3和所述发射浮标4上；所述定位接收圆环阵和所述声应答换能器13安装于所述目标模型1上。
具体的，还包括测控软件10，所述测控软件10位于所述试验平台2上。
请继续参阅图1～2所示，本发明的实施例还提供了一种水下大尺度目标模型回波亮点强度和分布特性测量方法的技术方案：
包括如下步骤：
步骤一，由试验平台2上的测控软件10设置发射脉冲形式(频率、带宽、脉冲长度、调制方式、重复周期等)等参数发送至收发处理机柜9的发射信号源模块产生相应的信号，经数模转换后，发送给发射功放机柜8的功率放大模块，产生大功率激励信号，驱动发射换能器进行发射。
步骤二，发射换能器阵发射的脉冲信号到达目标模型1后，产生散射信号。同时，目标模型1上装载的声应答换能器13接收水听器组接收直达波信号，传送至试验平台2上的收发处理机柜9进行前置处理、AD变换、源级等分析处理后，转发至应答发射信号源，产生相应的转发信号，经应答功放放大后，驱动目标模型1上的应答发射换能器发射。
步骤三，接收水听器阵接收应答器发射的声信号，经前置调理、模数转换后，送入测控软件10进行目标强度测量。其中，目标强度的测量方法如下：
假设声源与目标之间的声传播损失为TL1，目标到接收阵的传播损失为TL2，目标强度为HTS，声源处的回声信号级为EL，则有：
EL＝EL1+HTS-TL1-TL2 (1)
其中：
EL1：目标处的回声信号级，dB。EL1＝20lg v1-M1+A1
式中：
v1：水听器采集到目标回波的有效电压，V。
M1：接收水听器声压灵敏度，dB。
A1：接收装置的放大量，dB。
应答器转发信号声源处的回声信号级表示为：
ELa＝EL2-TL1-TL2 (2)
式中：
EL2：应答器处的回声信号级，dB。
EL2＝20lg v2-M2+A2 (3)
v2：应答器采集到目标回波的有效电压，V。
M2：应答器接收水听器声压灵敏度，dB。
A2：应答器接收装置的放大量，dB。
令EL2-EL1＝K，则整理得到目标强度HTS表示为：
Figure BDA0003370220430000051
式中：
vr_n：应答信号的有效电压值，V。
步骤四，由组合式发射换能器阵6上的定位信标发射脉冲信号，目标模型1上的定位圆环阵12接收定位脉冲信号，从而确定发射换能器阵相对目标模型1的舷角方位。其中，目标测向采用圆阵分裂波束测向法。
假设圆阵半径为r0；相邻两基元的夹角为α0＝2π/N0(其中N0为32)。为计算方便起见，把左波束的工作基元编为1～M号，右波束的工作基元编为-1～-M号。
左波束第i路信号的时延为：
Figure BDA0003370220430000061
右波束第i路信号的时延为：
Figure BDA0003370220430000062
于是，左波束信号是：
Figure BDA0003370220430000063
其中，
Figure BDA0003370220430000064
Figure BDA0003370220430000065
可以把l(t)写成单频信号的形式：
l(t)＝A cos(2πf0t+α) (10)
其中，
Figure BDA0003370220430000066
Figure BDA0003370220430000067
相似地，可以得到右波束的相位表达式：
Figure BDA0003370220430000068
左右波束的相位差
Figure BDA0003370220430000069
即为发射阵相对模拟目标的方位。
步骤五，已知发射阵相对目标模型1的舷角方位，再根据时统定位装置11获得发射浮标4和接收浮标3的北斗定位信息，可计算出接收阵相对模拟目标的舷角方位。
步骤六，在显示界面上实时显示不同舷角方位下模拟目标的回波亮点强度，并统计分析其分布特性，存入目标回波特征数据库。
本发明在采用上述结构的设计和使用下，可用于湖上(海上)测量，系统具有实时高效、易于布放回收、操作使用及维护保障便捷等特点。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种水下大尺度目标模型回波亮点强度和分布特性测量系统，其特征在于：
所述测量系统主要包括：大尺度目标模型、试验平台、接收浮标、发射浮标、光电复合缆、组合式发射换能器阵、接收换能器阵、发射功放机柜、收发处理机柜、时统定位装置、定位接收圆环阵和声应答换能器；
其中，所述目标模型位于所述试验平台下方水中，所述光电复合缆通过所述试验平台上的绞车布放，并分别与所述接收浮标和所述发射浮标对接；所述发射功放机柜和所述收发处理机柜位于所述试验平台上；所述组合式发射换能器阵安装于所述发射浮标上；所述接收换能器阵安装于所述接收浮标上；所述时统定位装置分别安装于所述试验平台、所述接收浮标和所述发射浮标上；所述定位接收圆环阵和所述声应答换能器安装于所述目标模型上。
2.根据权利要求1所述的一种水下大尺度目标模型回波亮点强度和分布特性测量系统，其特征在于，还包括测控软件，所述测控软件位于所述试验平台上。
3.一种水下大尺度目标模型回波亮点强度和分布特性测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：由试验平台上的测控软件设置发射脉冲形式参数，发送至收发处理机柜的发射信号源模块产生相应的信号，经数模转换后，发送给发射功放机柜的功率放大模块，产生大功率激励信号，驱动发射换能器进行发射；
步骤二：发射换能器阵发射的脉冲信号到达目标模型后，产生散射信号，同时，目标模型上装载的声应答换能器接收水听器组接收直达波信号，传送至试验平台上的收发处理机柜进行前置处理、AD变换和源级分析处理后，转发至应答发射信号源，产生相应的转发信号，经应答功放放大后，驱动目标模型上的应答发射换能器发射；
步骤三：接收水听器阵接收应答器发射的声信号，经前置调理、模数转换后，送入测控软件进行目标强度测量；
步骤四：由组合式发射换能器阵上的定位信标发射脉冲信号，目标模型上的定位圆环阵接收定位脉冲信号，从而确定发射换能器阵相对目标模型的舷角方位；
步骤五：已知发射阵相对目标模型的舷角方位，再根据时统定位装置获得发射浮标和接收浮标的北斗定位信息，计算出接收阵相对模拟目标的舷角方位；
步骤六：在显示界面上实时显示不同舷角方位下模拟目标的回波亮点强度，并统计分析其分布特性，存入目标回波特征数据库。
4.根据权利要求3所述的一种水下大尺度目标模型回波亮点强度和分布特性测量方法，其特征在于，所述步骤一中，
所述发射脉冲形式主要包括如下参数：频率、带宽、脉冲长度、调制方式和重复周期。
5.根据权利要求3所述的一种水下大尺度目标模型回波亮点强度和分布特性测量方法，其特征在于，所述步骤三中，
所述目标强度的测量方法如下：
假设声源与目标之间的声传播损失为TL1，目标到接收阵的传播损失为TL2，目标强度为HTS，声源处的回声信号级为EL，则有：
EL＝EL1+HTS-TL1-TL2 (1)
其中：
EL1：目标处的回声信号级，dB；EL1＝20lgv1-M1+A1
式中：
v1：水听器采集到目标回波的有效电压，V；
M1：接收水听器声压灵敏度，dB；
A1：接收装置的放大量，dB；
应答器转发信号声源处的回声信号级表示为：
ELa＝EL2-TL1-TL2 (2)
式中：
EL2：应答器处的回声信号级，dB；
EL2＝20lgv2-M2+A2 (3)
v2：应答器采集到目标回波的有效电压，V；
M2：应答器接收水听器声压灵敏度，dB；
A2：应答器接收装置的放大量，dB；
令EL2-EL1＝K，则整理得到目标强度HTS表示为：
Figure FDA0003370220420000021
式中：
vr_n：应答信号的有效电压值，V。
6.根据权利要求3所述的一种水下大尺度目标模型回波亮点强度和分布特性测量方法，其特征在于，所述步骤四中，
目标测向采用圆阵分裂波束测向法：
假设圆阵半径为r0；相邻两基元的夹角为α0＝2π/N0，其中N0为32；
假设把左波束的工作基元编为1～M号，右波束的工作基元编为-1～-M号；
左波束第i路信号的时延为：
Figure FDA0003370220420000031
右波束第i路信号的时延为：
Figure FDA0003370220420000032
于是，左波束信号是：
Figure FDA0003370220420000033
其中，
Figure FDA0003370220420000034
Figure FDA0003370220420000035
把l(t)写成单频信号的形式：
l(t)＝A cos(2πf0t+α) (10)
其中，
Figure FDA0003370220420000036
Figure FDA0003370220420000037
同理的，得到右波束的相位表达式：
Figure FDA0003370220420000038
左右波束的相位差
Figure FDA0003370220420000039
即为发射阵相对模拟目标的方位。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN111679245A (zh) * 2020-05-22 2020-09-18 哈尔滨工程大学 一种基于均匀圆阵的子阵重合的分裂波束定向方法

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