CN117572434A - 一种基于水声微多普勒效应的目标螺旋桨回波建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于水声微多普勒效应的目标螺旋桨回波建模方法，包括如下步骤：根据主动声呐在水下的工作状态，模拟主动声呐在水下发射线性扫频信号；基于射线追踪方法构建水声信道模型，使声呐信号通过水声信道传播到达目标螺旋桨处，经螺旋桨反射后形成回波信号；控制螺旋桨叶片定速旋转，使主动声呐回波信号产生额外的频率调制信号，将频率调制信号定义为微多普勒特征，当声线波束垂直射向叶片时，回波达到最强从而出现峰包，旋转的桨叶会使峰包周期出现，生成具有峰包的回波信号；利用回波信号在水声信道中的反射和折射效应，基于不同声线到达信号的声程不同计算产生的时延，将所有到达信号累加至一起，形成完整螺旋桨回波信号。

Description

一种基于水声微多普勒效应的目标螺旋桨回波建模方法

技术领域

本发明属于声呐信号处理领域，尤其涉及一种基于水声微多普勒效应的目标螺旋桨回波建模方法。

背景技术

目前传统的水声探测和识别主要基于水下目标的反射强度及线性多普勒频移，并且传统的目标回建模方法是将目标等效为具有不同散射系数的散射点的集合，通过对各个散射点的回波进行加权线性叠加来构建目标回波。但是这种方法忽略了目标潜器的推进器所产生的微多普勒效应特征回波。尤其是在当今科技发展水平下，水下潜器的外形以及表面材料发展异常迅速，其潜航器本身的回波相较于所搭载的推进器产生的回波衰减的更为明显。因此传统方法所描述的目标回波仿真方法将变得不再适用。

发明内容

根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种基于水声微多普勒效应的目标螺旋桨回波建模方法，包括：

根据主动声呐在水下的工作状态，模拟主动声呐在水下发射线性扫频信号；

基于射线追踪方法构建水声信道模型，使声呐线性扫频信号通过水声信道传播到达目标螺旋桨处，经螺旋桨反射后形成回波信号；

控制螺旋桨叶片定速旋转，使回波信号产生额外的频率调制信号，将频率调制信号定义为微多普勒特征，该频率调制信号为螺旋桨回波建模的核心参数，控制声线波束垂直射向叶片时，回波达到最强从而出现峰包，旋转的桨叶会使峰包周期出现，生成具有峰包的回波信号；

控制螺旋桨采用反射和折射产生回波信号，该回波信号经过水声信道传播到达水听器处，结合不同声线到达信号的声程不同计算产生的时延，并将所有到达信号累加至一起形成完整的目标螺旋桨回波信号。

进一步的，模拟主动声呐在水下发射线性扫频信号时：仿真主动声呐系统使用线性调频信号进行探测，发射信号s(t)表示为：

其中A为发射信号幅度，f_c为发射信号中心频率，k＝B/T为线性调频信号的频率变化率，B为发射信号带宽，T为发射信号脉冲宽度。

进一步的，构建水声信道模型时：设冲激响应为h，则通过水声信道传播到达目标螺旋桨处的声呐探测信号是发射信号s(t)与水声信道冲激响应h的卷积，应表示为：

其中k≥0，为整数，h(k)表示水声信道冲激响应h中第k个到达目标的冲激响应，r_s(k)表示第k个主动声呐探测到达目标信号。

进一步的，所述频率调制信号产生方式如下：

以桨叶轴心为中心，垂直于旋转面的方向为X轴建立坐标系，设P为旋转叶片上的任一点、到叶片轴心O的距离为l_i，声呐与螺旋桨叶片轴心之间的距离为r，声呐波束SB与叶片夹角为α和β分别为声呐的方位角和俯仰角，θ是叶片与Y轴的夹角，由空间两直线的夹角公式获取叶片与声呐波束的夹角的余弦值为

R_p为螺旋桨叶片上任意某一点P到声呐水听器的距离，当目标满足远场条件(l_i/r)²→0时，旋转散射点P到声呐的距离R_p可近似为：

当声线打到螺旋桨叶片时，只有一部分具有一定散射系数的散射中心点才能产生回波，设定螺旋桨叶片为等间隔散射点模型，单叶片上散射点分布有N个

N为目标单个叶片上的散射点数目，i为叶片上的第i个散射点，σ为散射点的散射系数，c为水中声速；

对于具有K个叶片的旋翼,其螺旋桨叶片的总回波信号s_K为：

θ_k＝θ₁+2π(k-1)/K，K为叶片数目，j为螺旋桨上的第j个叶片，N为目标单个叶片上的散射点数目，i为叶片上的第i个散射点，σ为散射点的散射系数，c为水中声速。

进一步的，获得完整螺旋桨回波信号时采用如下算法：

其中，A_i为通过水声信道的目标到达信号第k个幅值，τ_i为经历海面或海底反射的存在不同声程信号的到达时延。

由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种基于水声微多普勒效应的目标螺旋桨回波建模方法，在传统声呐探测仿真的基础上，额外添加了目标螺旋桨产生的微多普勒特征，填补了水声探测仿真领域微多普勒效应的研究空白。并且能够为后续的目标识别等声呐技术研究提供真实度更高的声呐仿真信号。该方法通过将存在于雷达探测领域的微多普勒特征概念引入到微多普勒效应研究尚属空白的水声探测领域，以便于实现对目标的回波仿真具有更强的真实性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请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申请中记载的一些实施例，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为声呐目标螺旋桨回波仿真流程图

图2为主动声呐发射信号仿真示意图

图3为水声信道传播途径仿真示意图

图4为到达信号时延仿真示意图

图5为目标与声源空间位置示意图

图6为微多普勒效应数学模型示意图

图7为螺旋桨自转信号仿真时频示意图

图8为包含发射信号的螺旋桨回波信号时频示意图

图9为完整仿真回波信号及其频谱图

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面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的描述：

如图1所示的一种基于水声微多普勒效应的目标螺旋桨回波建模方法，具体包括如下步骤：

S1：根据主动声呐在水下的工作状态，模拟其在水下发射线性扫频；

S2：基于射线追踪技术构建水声信道模型，使线性扫频通过水声信道传播到达目标螺旋桨处，经螺旋桨反射后形成回波信号；

S3：螺旋桨叶片定速旋转，会使主动声呐回波信号产生额外的频率调制信号，即微多普勒特征。当声线波束垂直射向叶片时，回波达到最强，出现一个闪烁(时域图为峰包)，旋转的桨叶会使峰包周期出现，生成具有此特征的回波信号。

S4：利用信号在水声信道中的反射与折射效应，不同声线到达信号的声程不同，计算产生的时延，将所有到达信号累加至一起，形成完整螺旋桨回波信号。

进一步的S1中，根据主动声呐工作状态指标，设定探测信号参数。线性调频信号的中心频率f_c＝15kHz，信号带宽B＝1kHz，信号时宽T＝50ms，调频斜率k＝B/T＝20000。发射信号s(t)如图2可以表示为；

进一步的S2中，基于射线追踪技术构建水声信道模型，需要设定海洋环境参数。采用Bellhop模型，海洋深度设定为500m，声呐发射源位于水深200m深度，目标潜器位于水深200m深度，声呐发射源与目标潜器水平距离为5km。射线类型为高斯波束，声源出射角扇面设定-14°至14°(朝向底部出射的射线为正角度)。海底形状设定为高斯火山，海面设定为风速为5m/s产生的波浪。设定声呐声源级280dB，运行水声信道模型，得到传播到达目标声线如图3。

如图4所示，水声信道模型的输出文件包含到达目标位置的射线的振幅和传播时间。到达目标螺旋桨处的声呐探测信号是发射信号s(t)与水声信道冲激响应h的卷积，应表示为：

其中k≥0，为整数，h(k)表示水声信道冲激响应h中第k个到达目标的冲激响应。r_s(k)表示第k个主动声呐探测到达目标信号。

进一步的S3中，以桨叶轴心为中心，垂直于旋转面的方向为X轴建立如图5所示的坐标系。声呐相对于螺旋桨的方位角α为声呐波束(Sonar Beam)在XOY面内的投影与X轴夹角，俯仰角β为声呐波束与Z轴的夹角。P是旋转叶片上的任一点，它到叶片轴心O的距离为l_i，以转速f_rot绕叶片轴心O旋转。声呐与螺旋桨叶片轴心之间的距离为r，声呐波束SB与叶片夹角为波束直接照射螺旋桨叶片轴心。设O表示叶片轴心；OP表示螺旋桨的叶片；OA1表示声呐波束；θ是叶片与Y轴的夹角；α和β分别为声呐的方位角和俯仰角，则由立体几何的相关知识可得：

声呐波束的直线方程为

螺旋桨叶片的直线方程为

由空间两直线的夹角公式可得，叶片与声呐波束的夹角的余弦值为

为螺旋桨叶片上任意某一点P到声呐水听器的距离，当目标满足远场条件(li/r)²→0时，旋转散射点P到声呐的距离R_p可近似为：

当声线打到螺旋桨叶片时，由于入射角及反射机理等原因，并非叶片上所有点都会产生回波，而只是一部分具有一定散射系数的散射中心点才能产生回波。设定螺旋桨叶片为析散射系数一致且散射点K等间隔分布模型，散射点在螺旋桨位置如图6所示，即σ₁＝…＝σ_N＝σ，相邻散射点间隔d＝l/(N-1),则散射点P_i与旋翼中心距离l_i＝(i-1)d,单叶片上散射点分布有N。单叶片回波信号表示为发射信号经过时延后的形式：

式中：N为目标单个叶片上的散射点数目；i为叶片上的第i个散射点；σ为散射点的散射系数；c为水中声速

对于具有K个叶片的旋翼,叶片之间的差异在于K个叶片有K个不同的初始旋转角,即

θ_k＝θ₁+2π(k-1)/K

则K个螺旋桨叶片的总回波信号s_K为：

式中：K为叶片数目；j为螺旋桨上的第j个叶片；N为目标单个叶片上的散射点数目；i为叶片上的第i个散射点；σ为散射点的散射系数；c为水中声速，每个叶片与声呐发射器夹角为

通过水声信道传播到达目标螺旋桨处的声呐探测信号r_s包含主动声呐每次发射波的所有到达声线的时延和幅值信息。由于每一处到达目标的声线均为主动声呐发出的线性扫频探测信号，并且这些带有一定脉宽的宽带变频信号会击打到旋转的螺旋桨随即反射回来，因此每一段到达信号的回波信号会包含基频为f_c的线性扫频信号以及螺旋桨旋转产生的微多普勒频移特征信号。其中一处到达声线的目标螺旋桨回波信号表示为：

s_r·K＝r_s*s_K

其中r_s表示主动声呐探测信号通过水声信道传播到达目标螺旋桨处，s_K表示其中一次到达信号的K个叶片的螺旋桨总回波信号。

本实例采用3个叶片的螺旋桨在转速为120r/min下转动进行仿真，螺旋桨自转信号时频图如下图7所示，包含线性扫频发射信号的螺旋桨回波信号时频图如下图8所示。

S4具体过程是：利用信号在水声信道中的反射与折射效应，不同声线到达信号的声程不同，计算产生的时延，将所有到达信号累加至一起，形成完整螺旋桨回波信号如图9。累加公式为：

其中，A_i为通过水声信道的目标到达信号(第i个)幅值，τ_i为经历海面或海底反射的存在不同声程信号的到达时延。

综上，本发明在传统声呐探测仿真的基础上，额外添加了目标螺旋桨产生的微多普勒特征，填补了水声探测仿真领域微多普勒效应的研究空白。并且能够为后续的目标识别等声呐技术研究提供真实度更高的声呐仿真信号。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于水声微多普勒效应的目标螺旋桨回波建模方法，其特征在于包括：

根据主动声呐在水下的工作状态，模拟主动声呐在水下发射线性扫频信号；

基于射线追踪方法构建水声信道模型，使声呐线性扫频信号通过水声信道传播到达目标螺旋桨处，经螺旋桨反射后形成回波信号；

控制螺旋桨叶片定速旋转，使回波信号产生额外的频率调制信号，将频率调制信号定义为微多普勒特征，该频率调制信号为螺旋桨回波建模的核心参数，控制声线波束垂直射向叶片时，回波达到最强从而出现峰包，旋转的桨叶会使峰包周期出现，生成具有峰包的回波信号；

控制螺旋桨采用反射和折射产生回波信号，该回波信号经过水声信道传播到达水听器处，结合不同声线到达信号的声程不同计算产生的时延，并将所有到达信号累加至一起形成完整的目标螺旋桨回波信号。

2.根据权利要求1所述的一种基于水声微多普勒效应的目标螺旋桨回波建模方法，其特征在于：模拟主动声呐在水下发射线性扫频信号时：仿真主动声呐系统使用线性调频信号进行探测，发射信号s(t)表示为：

其中A为发射信号幅度，f_c为发射信号中心频率，k＝B/T为线性调频信号的频率变化率，B为发射信号带宽，T为发射信号脉冲宽度。

3.根据权利要求1所述的一种基于水声微多普勒效应的目标螺旋桨回波建模方法，其特征在于：构建水声信道模型时：设冲激响应为h，则通过水声信道传播到达目标螺旋桨处的声呐探测信号是发射信号s(t)与水声信道冲激响应h的卷积，应表示为：

其中k≥0，为整数，h(k)表示水声信道冲激响应h中第k个到达目标的冲激响应，r_s(k)表示第k个主动声呐探测到达目标信号。

4.根据权利要求1所述的一种基于水声微多普勒效应的目标螺旋桨回波建模方法，其特征在于：所述频率调制信号产生方式如下：

以桨叶轴心为中心，垂直于旋转面的方向为X轴建立坐标系，设P为旋转叶片上的任一点、到叶片轴心O的距离为l_i，声呐与螺旋桨叶片轴心之间的距离为r，声呐波束SB与叶片夹角为α和β分别为声呐的方位角和俯仰角，θ是叶片与Y轴的夹角，由空间两直线的夹角公式获取叶片与声呐波束的夹角的余弦值为

R_p为螺旋桨叶片上任意某一点P到声呐水听器的距离，当目标满足远场条件(l_i/r)²→0时，旋转散射点P到声呐的距离R_p可近似为：

当声线打到螺旋桨叶片时，只有一部分具有一定散射系数的散射中心点才能产生回波，设定螺旋桨叶片为等间隔散射点模型，单叶片上散射点分布有N个

N为目标单个叶片上的散射点数目，i为叶片上的第i个散射点，σ为散射点的散射系数，c为水中声速；

对于具有K个叶片的旋翼,其螺旋桨叶片的总回波信号s_K为：

θ_k＝θ₁+2π(k-1)/K，K为叶片数目，j为螺旋桨上的第j个叶片，N为目标单个叶片上的散射点数目，i为叶片上的第i个散射点，σ为散射点的散射系数，c为水中声速。

5.根据权利要求1所述的一种基于水声微多普勒效应的目标螺旋桨回波建模方法，其特征在于：获得完整螺旋桨回波信号时采用如下算法：

其中，A_i为通过水声信道的目标到达信号第k个幅值，τ_i为经历海面或海底反射的存在不同声程信号的到达时延。