CN114384525A - 一种基于边界声反射的目标强度自测方法和自测系统 - Google Patents

一种基于边界声反射的目标强度自测方法和自测系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于边界声反射的目标强度自测方法和自测系统，其中自测方法包括：1、待测目标携带的声呐收发设备向竖直边界发射声强为Is的声波A；2、声呐收发设备接收竖直边界对声波A的反射，对接收到的声波取时间反转，将反转后的声波B′向竖直边界发射；3、声呐收发设备接收竖直边界对声波B′的反射，计算接收声波C的声强Ii；4、声呐收发设备接收目标在声波C激励下并被竖直边界反射的散射声波，对接收的声波做时间反转，将反转后的声波D′向竖直边界发射；5、声呐收发设备接收竖直边界对声波D′的反射，计算接收声波E的声强Ir；6、计算待测目标的目标强度TS：
Figure DDA0003459940490000011
该方法无需测试装备，仅利用待测目标自身携带的声呐收发设备来实现目标强度的自测。

Description

一种基于边界声反射的目标强度自测方法和自测系统
技术领域
本发明属于声学计量技术领域，具体涉及一种基于边界声反射的目标强度自测方法和自测系统。
背景技术
随着水声技术的发展，声呐目标的噪声级越来越低，有些接近或甚至低于三级海况时的海洋环境噪声级，难以使用被动声呐探测；探测这样的安静型目标，主动声呐是一种十分有效的途径。在主动声呐探测技术中，敏感目标的隐身性能、声呐设备的探测性能都需要从目标回声的强弱得到体现和验证。作为重要的声呐参数，目标强度决定了声呐的探测性能。水下目标强度通过目标声散射测试获得，目前针对水下大型目标的声散射测试中，需要利用船只单独布置测试设备，结果易受到目标散射特性和浅海环境的影响，且操作繁琐，测量任务重，周期长，且测量起伏大，进而影响获得的目标强度值的稳健性。
发明内容
发明目的：本发明提供了一种基于边界声反射的目标强度自测方法和自测系统，无需测试装备，仅利用待测目标自身携带的声呐收发设备来实现。
技术方案：本发明一方面公开了一种基于边界声反射的目标强度自测方法，包括：
S1、利用待测目标自身携带的声呐收发设备向竖直边界发射声强为Is的声波A；所述竖直边界与目标之间的距离dis满足：dis≥L2/λ，其中L为目标的最大线度，λ为声波的波长；
S2、所述声呐收发设备接收竖直边界对声波A的反射，设接收到的为声波B；对声波B取时间反转，得到声波B′，并利用所述声呐收发设备将声波B′向竖直边界发射；
S3、所述声呐收发设备接收竖直边界对声波B′的反射，设接收到的为声波C，并根据声波C的信号计算声强Ii；
S4、所述声呐收发设备接收目标在声波C激励下并被竖直边界反射的散射声波D，并对声波D做时间反转，得到声波D′，并利用所述声呐收发设备将声波D′向竖直边界发射；
S5、所述声呐收发设备接收竖直边界对声波D′的反射，设接收到的为声波E，并根据声波E的信号计算声强Ir；
S6、计算待测目标的目标强度TS：
Figure BDA0003459940470000021
优选地，所述竖直边界为悬崖壁。
优选地，所述声呐收发设备为收发合置换能器。
优选地，所述待测目标位于水下。
优选地，所述声呐收发设备以水平方向向竖直边界发射声波。
另一方面，本发明还公开了实现上述方法的目标强度自测系统，包括：设置于待测目标上的声呐收发设备，用于发射和接收声波信号；信号时间反转模块，用于对声波信号进行时间反转；声强获取模块，用于计算声波信号的声强；目标强度计算模块，用于计算待测目标的目标强度；
待测目标的目标强度计算步骤如下：
声呐收发设备向竖直边界发射声强为Is的声波A；所述竖直边界与目标之间的距离dis满足：dis≥L2/λ，其中L为目标的最大线度，λ为声波的波长；
声呐收发设备接收竖直边界对声波A的反射，设接收到的为声波B；
信号时间反转模块对声波B取时间反转，得到声波B′；
声呐收发设备将声波B′向竖直边界发射；
声呐收发设备接收竖直边界对声波B′的反射，设接收到的为声波C；
声强获取模块计算声波C的声强Ii；
声呐收发设备接收目标在声波C激励下并被竖直边界反射的散射声波D；
信号时间反转模块对声波D做时间反转，得到声波D′，
声呐收发设备将声波D′向竖直边界发射；
声呐收发设备接收竖直边界对声波D′的反射，设接收到的为声波E，
声强获取模块计算声波E的声强Ir；
目标强度计算模块计算待测目标的目标强度TS：
Figure BDA0003459940470000031
有益效果：本发明公开的基于边界声反射的目标强度自测方法和自测系统具有以下优点：(1)利用待测目标自身携带的声呐收发设备，无需独立的测试装备；(2)无需严格的自由场测试条件，使用主动时间反转镜技术的声聚焦原理形成类似平面波的入射声场，满足目标强度测试中的入射声条件；使用主动时间反转镜技术的信道匹配原理，激发目标的测试声场，校准信道的影响，提高信号-目标回波比值，降低测量误差。
附图说明
图1为本发明公开的基于边界声反射的目标强度自测方法的流程图；
图2为实施例中于基于边界声反射的目标强度自测方法的实施场景示意图；
图3为本发明公开的基于边界声反射的目标强度自测系统的组成示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。
本发明公开了一种基于边界声反射的目标强度自测方法，如图1所示，包括：
S1、利用待测目标自身携带的声呐收发设备向竖直边界发射声强为Is的声波A；所述竖直边界与目标之间的距离dis满足：dis≥L2/λ，其中L为目标的最大线度，λ为声波的波长；
本实施例中，待测目标位于水下，如图2所示，待测目标上设置有收发合置换能器，能够发射具有指向性的声波并将接收到的声波转换为电信号。本实施例中，竖直边界为悬崖壁，充分利用了待测目标所处的水下环境。
S2、所述声呐收发设备接收竖直边界对声波A的反射，设接收到的为声波B；对声波B取时间反转，得到声波B′，并利用所述声呐收发设备将声波B′向竖直边界发射；
S3、所述声呐收发设备接收竖直边界对声波B′的反射，设接收到的为声波C，并根据声波C的信号计算声强Ii；
S4、所述声呐收发设备接收目标在声波C激励下并被竖直边界反射的散射声波D，并对声波D做时间反转，得到声波D′，并利用所述声呐收发设备将声波D′向竖直边界发射；
S5、所述声呐收发设备接收竖直边界对声波D′的反射，设接收到的为声波E，并根据声波E的信号计算声强Ir；
为了使竖直界面能够较好地反射声波，上述步骤中声呐收发设备以水平方向向竖直边界发射声波。
S6、计算待测目标的目标强度TS：
Figure BDA0003459940470000041
上述目标强度计算式的证明如下：
设声强为Is的声波A的时域信号为s(t)，声波B的时域信号为s′(t)，则有：
s′(t)＝s(t)*h(t) (1)
式中，h(t)是信道的响应，即为发射声波A到接收声波B之间的传递函数。
对声波s′(t)取时间反转，得到声波B′，其时域信号为s′(-t)＝s(-t)*h(-t)，将声波B′向竖直边界发射；
收发合置换能器接收到声波C，计算得到其声强为Ii，令该声波为si(t)，则有：
si(t)＝s(-t)*h(-t)*h(t) (2)
收发合置换能器接收待测目标在信号si(t)激励下并被悬崖反射的散射声信号y(t)，即声波D，则有：
y(t)＝s(-t)*h(-t)*h(t)*T(t)*h(t) (3)
式中，T(t)是目标的响应。
收发合置换能器对接收到的信号y(t)做时间反转，得到声波D′并发出；声波D′的时域信号为y(-t)＝s(t)*h(t)*h(-t)*T(-t)*h(-t)；
收发合置换能器接收到崖壁反射的声信号yr(t)，即声波E，计算得到其声强为Ir，则有：
Figure BDA0003459940470000051
计算：
Figure BDA0003459940470000052
式中，Ir是yr(t)的声强，|·|运算表示取信号的幅度。根据目标强度与目标响应的关系式TS≈20lg|T(t)|，得到目标强度的计算式：
Figure BDA0003459940470000053
本实施例还公开了实现上述目标强度自测方法的自测系统，如图3所示，包括：设置于待测目标上的声呐收发设备1，用于发射和接收声波信号；信号时间反转模块2，用于对声波信号进行时间反转；声强获取模块3，用于计算声波信号的声强；目标强度计算模块4，用于计算待测目标的目标强度；
待测目标的目标强度计算步骤如下：
声呐收发设备向竖直边界发射声强为Is的声波A；所述竖直边界与目标之间的距离dis满足：dis≥L2/λ，其中L为目标的最大线度，λ为声波的波长；
声呐收发设备接收竖直边界对声波A的反射，设接收到的为声波B；
信号时间反转模块对声波B取时间反转，得到声波B′；
声呐收发设备将声波B′向竖直边界发射；
声呐收发设备接收竖直边界对声波B′的反射，设接收到的为声波C；
声强获取模块计算声波C的声强Ii；
声呐收发设备接收目标在声波C激励下并被竖直边界反射的散射声波D；
信号时间反转模块对声波D做时间反转，得到声波D′，
声呐收发设备将声波D′向竖直边界发射；
声呐收发设备接收竖直边界对声波D′的反射，设接收到的为声波E，
声强获取模块计算声波E的声强Ir；
目标强度计算模块计算待测目标的目标强度TS：
Figure BDA0003459940470000061

Claims (10)

1.一种基于边界声反射的目标强度自测方法，其特征在于，包括：
S1、利用待测目标自身携带的声呐收发设备向竖直边界发射声强为Is的声波A；所述竖直边界与目标之间的距离dis满足：dis≥L2/λ，其中L为目标的最大线度，λ为声波的波长；
S2、所述声呐收发设备接收竖直边界对声波A的反射，设接收到的为声波B；对声波B取时间反转，得到声波B′，并利用所述声呐收发设备将声波B′向竖直边界发射；
S3、所述声呐收发设备接收竖直边界对声波B′的反射，设接收到的为声波C，并根据声波C的信号计算声强Ii；
S4、所述声呐收发设备接收目标在声波C激励下并被竖直边界反射的散射声波D，并对声波D做时间反转，得到声波D′，并利用所述声呐收发设备将声波D′向竖直边界发射；
S5、所述声呐收发设备接收竖直边界对声波D′的反射，设接收到的为声波E，并根据声波E的信号计算声强Ir；
S6、计算待测目标的目标强度TS：
Figure FDA0003459940460000011
2.根据权利要求1所述的基于边界声反射的目标强度自测方法，其特征在于，所述竖直边界为悬崖壁。
3.根据权利要求1所述的基于边界声反射的目标强度自测方法，其特征在于，所述声呐收发设备为收发合置换能器。
4.根据权利要求1所述的基于边界声反射的目标强度自测方法，其特征在于，所述待测目标位于水下。
5.根据权利要求1所述的基于边界声反射的目标强度自测方法，其特征在于，所述声呐收发设备以水平方向向竖直边界发射声波。
6.一种基于边界声反射的目标强度自测系统，包括：设置于待测目标上的声呐收发设备，用于发射和接收声波信号；信号时间反转模块，用于对声波信号进行时间反转；声强获取模块，用于计算声波信号的声强；目标强度计算模块，用于计算待测目标的目标强度；
其特征在于，待测目标的目标强度计算步骤如下：
声呐收发设备向竖直边界发射声强为Is的声波A；所述竖直边界与目标之间的距离dis满足：dis≥L2/λ，其中L为目标的最大线度，λ为声波的波长；
声呐收发设备接收竖直边界对声波A的反射，设接收到的为声波B；
信号时间反转模块对声波B取时间反转，得到声波B′；
声呐收发设备将声波B′向竖直边界发射；
声呐收发设备接收竖直边界对声波B′的反射，设接收到的为声波C；
声强获取模块计算声波C的声强Ii；
声呐收发设备接收目标在声波C激励下并被竖直边界反射的散射声波D；
信号时间反转模块对声波D做时间反转，得到声波D′，
声呐收发设备将声波D′向竖直边界发射；
声呐收发设备接收竖直边界对声波D′的反射，设接收到的为声波E，
声强获取模块计算声波E的声强Ir；
目标强度计算模块计算待测目标的目标强度TS：
Figure FDA0003459940460000021
7.根据权利要求6所述的基于边界声反射的目标强度自测系统，其特征在于，所述竖直边界为悬崖壁。
8.根据权利要求6所述的基于边界声反射的目标强度自测系统，其特征在于，所述声呐收发设备为收发合置换能器。
9.根据权利要求6所述的基于边界声反射的目标强度自测系统，其特征在于，所述待测目标位于水下。
10.根据权利要求6所述的基于边界声反射的目标强度自测系统，其特征在于，所述声呐收发设备以水平方向向竖直边界发射声波。
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