CN118068308A - 基于虚拟水声算法的声呐探测仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于虚拟水声算法的声呐探测仿真方法，包括步骤：S1、设定海洋环境参数、潜艇的目标声特征和运动参数，根据设置海洋环境参数和目标参数在阵元阈对吊放声呐或声呐浮标的原始声信号进行仿真；S2、建立声呐仿真模型；S3、模拟声呐信号传播；S4、获取目标的回波信号，并进行信号处理和目标定位分析，进行声呐的探测仿真。采用虚拟水声算法模拟声呐在不同水下环境中的工作原理和水下目标的响应，从而提供真实且可控的声呐探测仿真环境。

Description

基于虚拟水声算法的声呐探测仿真方法

技术领域

本发明属于潜艇作战仿真技术领域，具体来说，涉及一种基于虚拟水声算法的声呐探测仿真方法。

背景技术

潜艇作战是一种高度复杂的任务，需要舰艇部队在极端的环境中运用先进的技术和战术来完成。在实际作战中，潜艇需要在不同的水下环境中进行行动，并且需要在各种情况下进行掩护、躲避和攻击。因此，为了提高潜艇作战的效率和成功率，需要进行潜艇作战仿真研究。

现有的潜艇作战仿真方法常常使用计算机模拟技术来模拟潜艇在不同水下环境中的运动和操作。然而，这些方法通常只考虑了潜艇的运动特性，而没有考虑到水声信号的影响。而水声信号在潜艇作战中起着至关重要的作用，因此，需要一种新的仿真方法来考虑水声信号的影响。

发明内容

本发明提供了一种基于虚拟水声算法的声呐探测仿真方法，利用虚拟水声算法模拟声呐在不同水下环境中的工作原理和水下目标的响应，从而提供真实且可控的声呐探测仿真环境。

为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于虚拟水声算法的声呐探测仿真方法，包括步骤：

S1、设定海洋环境参数、潜艇的目标声特征和运动参数，根据设置海洋环境参数和目标参数在阵元阈对吊放声呐或声呐浮标的原始声信号进行仿真；

S2、建立声呐仿真模型；

S3、模拟声呐信号传播；

S4、获取目标的回波信号，并进行信号处理和目标定位分析，进行声呐的探测仿真。

进一步地，声呐仿真模型包括放声呐仿真单元和声呐浮标仿真单元；

吊放声呐仿真单元包括第一参数设定/读取模块、第一信号生成模块、第一信号处理模块和第一显示处理模块；

第一参数设定/读取模块用于完成吊放声呐各类性能参数和工作参数的设定；如工作方式、工作频率、信号类型、脉冲宽度、工作量程、发射功率等。

第一信号生成模块根据目标的运动参数，结合人工设定或从数据库中读取的目标信息、海洋环境信息模拟吊放声呐入水开机后接收到的数字信号；

第一信号处理模块按照实际装备的信号处理方式对接收到的声信号进行处理，对目标的方位、距离和径向速度参数实施探测；

第一显示处理模块用于探测结果显示；

声呐浮标仿真单元包括第二参数设定/读取模块、第二信号生成模块、第二信号处理模块和第二显示处理模块；

第二参数设定/读取模块用于完成声呐浮标各类性能参数、工作参数的设定；包括浮标类型(被动全向、被动定向、主动全向)、处理方式(LOFAR、DIFAR、RANGER)设定。

第二信号生成模块根据目标的运动参数，结合人工设定或从数据库中读取的目标信息、海洋环境信息模拟产生声呐浮标入水开机后接收到的数字信号；

第二信号处理模块按照实际装备的信号处理方式对接收到的声信号进行处理，对目标的方位、距离和径向速度参数实施探测；

第二显示处理模块用于探测结果显示。

进一步地，步骤S3中，利用虚拟水声算法，模拟声呐信号在水下环境中的传播过程；考虑传播损耗、散射、吸收等因素，准确模拟声呐信号的传播路径和衰减情况。

虚拟水声算法考虑声呐信号在水下传播损耗、散射和吸收因素。

进一步地，声呐信号在水下传播损耗：

当目标距离r＜R时，传播损失TL近似为：

TL＝20lg r+αr+60-k_L

其中r为距目标水平距离，α为海水吸收系数，α＝0.05f 1.4，k_L为近场传播异常；

R<＝r<＝8R时，传播损失TL近似为：

其中，T为浅海衰减系数；

当与目标距离r>8R时，传播损失TL近似为：

进一步地，海面反向散射强度随频率、风速和掠射角的变化关系：

β＝158(vf^1/3)^-0.58

式中：v是风速(kn)，由海况决定；f是频率(Hz)；θ＝tg^-1(sd/r)是掠射角(°)，sd是浮标或吊声的工作深度，r是距离；

海底散射强度函数近似表示其依赖关系：

S_b＝S_b1+10lg sin²θ

式中：Sb1的数值由海底底质决定；θ是掠射角；

混响面积：

其中：c是声速，τ是发射脉冲宽度，Φ为等效波束宽度，r为距离。

其中λ为信号波长，l为基阵孔径。

进一步地，步骤S3中水声目标特性模型包括水声目标辐射噪声仿真模型和水声目标回波特性仿真模型；

水声目标辐射噪声仿真模型建立典型潜艇目标的目标强度及其空间分布特性；

水声目标回波特性仿真模型建立典型潜艇目标的目标强度及其空间分布特性。

进一步地，海洋环境噪声：

NL＝-171lgf+6S+55

式中f为频率(kHz)，S为海况等级；

接收信号输出信噪比：

对于被动工作模式而言，输出信噪比为：

SNR＝SL-TL-(NL-DI)；

对于主动工作模式而言，输出信噪比为：

SNR＝SL-2TL+TS-max((NL-DI)，RL)。

进一步地，步骤S4的详细步骤包括：

S401、目标几何建模：根据实际目标的形状和结构，进行目标的几何建模；

S402、目标材料特性定义：确定目标的材料特性，包括声学特性和散射特性；

S403、散射模型选择：根据目标的尺寸和材料特性，选择适当的散射模型来描述目标对声呐信号的响应；

S404、计算目标的散射场：根据选择的散射模型，计算目标表面上每个散射点的散射场；

S405、引入目标的运动：通过引入目标的运动模型和运动参数，模拟目标在声呐信号作用下的运动响应；

S406、生成回波信号：根据计算得到的散射场和目标的运动信息，生成目标的回波信号；

S407、引入噪声和干扰：在生成回波信号时，引入噪声和干扰项，模拟实际水下环境中的噪声和其他声源的影响。

本发明相比现有技术，具有如下有益效果：

通过对潜水艇水下作战目标与环境仿真、建立声呐仿真模型、模拟声呐信号传播和进行声呐探测仿真；采用虚拟水声算法模拟声呐在不同水下环境中的工作原理和水下目标的响应，从而提供真实且可控的声呐探测仿真环境。

附图说明

图1为本发明实施例中一种基于虚拟水声算法的声呐探测仿真方法的整体流程图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。

如图1所示，本实施例提供了一种基于虚拟水声算法的声呐探测仿真方法，包括步骤：

S1、设定海洋环境参数、潜艇的目标声特征和运动参数，根据设置海洋环境参数和目标参数在阵元阈对吊放声呐或声呐浮标的原始声信号进行仿真；

S2、建立声呐仿真模型；

S3、模拟声呐信号传播；

S4、获取目标的回波信号，并进行信号处理和目标定位分析，进行声呐的探测仿真。

声呐仿真模型包括放声呐仿真单元和声呐浮标仿真单元；仿真系统中，吊放声呐、声呐浮标根据需要分别工作，并在启动对应的子系统后对目标、任务系统进行设定，通过仿真，完成对目标的探测、搜索和定位。系统具有可操作性、易维护性和可靠性。

吊放声呐仿真单元包括第一参数设定/读取模块、第一信号生成模块、第一信号处理模块和第一显示处理模块；

第一参数设定/读取模块用于完成吊放声呐各类性能参数和工作参数的设定；如工作方式、工作频率、信号类型、脉冲宽度、工作量程、发射功率等。

第一信号生成模块根据目标的运动参数，结合人工设定或从数据库中读取的目标信息、海洋环境信息模拟吊放声呐入水开机后接收到的数字信号；

第一信号处理模块按照实际装备的信号处理方式对接收到的声信号进行处理，对目标的方位、距离和径向速度参数实施探测；

第一显示处理模块用于探测结果显示；

声呐浮标仿真单元包括第二参数设定/读取模块、第二信号生成模块、第二信号处理模块和第二显示处理模块；

第二参数设定/读取模块用于完成声呐浮标各类性能参数、工作参数的设定；包括浮标类型(被动全向、被动定向、主动全向)、处理方式(LOFAR、DIFAR、RANGER)设定。

第二信号生成模块根据目标的运动参数，结合人工设定或从数据库中读取的目标信息、海洋环境信息模拟产生声呐浮标入水开机后接收到的数字信号；

第二信号处理模块按照实际装备的信号处理方式对接收到的声信号进行处理，对目标的方位、距离和径向速度参数实施探测；

第二显示处理模块用于探测结果显示。

步骤S3中，利用虚拟水声算法，模拟声呐信号在水下环境中的传播过程；考虑传播损耗、散射、吸收等因素，准确模拟声呐信号的传播路径和衰减情况。与实际的物理过程不同，本方法所处理的声呐信号是根据目标信息、海洋环境信息等模拟产生的。海洋是非常复杂的水声信道，不同海况、不同海区及海底海面类型都会对信号传播带来不同的影响，因此在对声呐信号建模时需要考虑各种不同的海洋参数对声传播的影响。

虚拟水声算法考虑声呐信号在水下传播损耗、散射和吸收因素。

海洋中声传播损失依赖于海底、海水介质、声速剖面、海深等很多物理参数。

定义距离参数

R＝[1/3(H+L)]^1/2

其中H是海水深度，m；L是浅海表面混合层深度，m。

根据Marsh和Schulkin的半经验公式可以得到传播损失的近似表达如下：

声呐信号在水下传播损耗：

当目标距离r<R时，传播损失TL近似为：

TL＝20lg r+αr+60-k_L

其中r为距目标水平距离，α为海水吸收系数，α＝0.05f1.4，k_L为近场传播异常；它与频率、海况和海底的类型有关。

R<＝r<＝8R时，传播损失TL近似为：

其中，T为浅海衰减系数；它与频率、海况和海底的类型有关。

当与目标距离r>8R时，传播损失TL近似为：

进一步地，海面反向散射强度随频率、风速和掠射角的变化关系：

β＝158(vf^1/3)^-0.58

式中：v是风速(kn)，由海况决定；f是频率(Hz)；θ＝tg^-1(sd/r)是掠射角(°)，sd是浮标或吊声的工作深度，r是距离；

海底散射强度函数近似表示其依赖关系：

S_b＝S_b1+10lg sin²θ

式中：S_b1的数值由海底底质决定；θ是掠射角；

混响面积：

其中：c是声速，τ是发射脉冲宽度，Φ为等效波束宽度，r为距离。

其中λ为信号波长，l为基阵孔径。

步骤S3中水声目标特性模型包括水声目标辐射噪声仿真模型和水声目标回波特性仿真模型；

水声目标辐射噪声仿真模型建立典型潜艇目标的目标强度及其空间分布特性；

水声目标回波特性仿真模型建立典型潜艇目标的目标强度及其空间分布特性。

进一步地，海洋环境噪声：

NL＝-17lgf+6S+55

式中f为频率(kHz)，S为海况等级；

接收信号输出信噪比：

对于被动工作模式而言，输出信噪比为：

SNR＝SL-TL-(NL-DI)；

对于主动工作模式而言，输出信噪比为：

SNR＝SL-2TL+TS-max((NL-DI)，RL)。

通过对声呐仿真模型进行操作，模拟声呐的发射和接收过程。获取目标的回波信号，并进行信号处理和目标定位等分析，以实现声呐的探测仿真。步骤S4的详细步骤包括：

S401、目标几何建模：根据实际目标的形状和结构，进行目标的几何建模；可以使用计算机辅助设计(CAD)软件或其他建模工具来创建目标的三维模型。目标的几何形状对散射特性有重要影响，因此准确建模目标的外形是关键。

S402、目标材料特性定义：确定目标的材料特性，包括声学特性和散射特性；声学特性包括声速、密度和吸收系数等。散射特性包括目标表面的反射、散射和透射等。这些特性可以通过实验测量获取，也可以使用已知的材料数据库进行估计。

S403、散射模型选择：根据目标的尺寸和材料特性，选择适当的散射模型来描述目标对声呐信号的响应；常用的散射模型包括几何散射理论、物理光学理论、多普勒散射模型等。根据目标的复杂程度和需求，选择合适的散射模型进行仿真。

S404、计算目标的散射场：根据选择的散射模型，计算目标表面上每个散射点的散射场；这涉及计算入射波与目标表面的反射、散射和透射等过程。根据散射模型的不同，可以使用解析方法、数值方法或统计方法来计算散射场。

S405、引入目标的运动：如果目标具有运动，例如舰船、鱼群等，需要考虑目标的运动对散射响应的影响。通过引入目标的运动模型和运动参数，模拟目标在声呐信号作用下的运动响应；

S406、生成回波信号：根据计算得到的散射场和目标的运动信息，生成目标的回波信号；回波信号包括目标表面散射回波和由目标运动引起的多普勒效应。可以根据声呐的发射参数和接收参数，计算回波信号的幅度、相位和时延等。

S407、引入噪声和干扰：在生成回波信号时，引入噪声和干扰项，模拟实际水下环境中的噪声和其他声源的影响。这有助于对声呐系统的性能进行更全面的评估。

本发明相比现有技术，具有如下有益效果：

通过对潜水艇水下作战目标与环境仿真、建立声呐仿真模型、模拟声呐信号传播和进行声呐探测仿真；采用虚拟水声算法模拟声呐在不同水下环境中的工作原理和水下目标的响应，从而提供真实且可控的声呐探测仿真环境。

以上对本申请提供的一种基于虚拟水声算法的声呐探测仿真方法进行了详细介绍。具体实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于虚拟水声算法的声呐探测仿真方法，其特征在于，包括步骤：

S1、设定海洋环境参数、潜艇的目标声特征和运动参数，根据设置海洋环境参数和目标参数在阵元阈对吊放声呐或声呐浮标的原始声信号进行仿真；

S2、建立声呐仿真模型；

S3、模拟声呐信号传播；

S4、获取目标的回波信号，并进行信号处理和目标定位分析，进行声呐的探测仿真。

2.根据权利要求1所述的一种基于虚拟水声算法的声呐探测仿真方法，其特征在于，声呐仿真模型包括放声呐仿真单元和声呐浮标仿真单元；

吊放声呐仿真单元包括第一参数设定/读取模块、第一信号生成模块、第一信号处理模块和第一显示处理模块；

第一参数设定/读取模块用于完成吊放声呐各类性能参数和工作参数的设定；

第一信号生成模块根据目标的运动参数，结合人工设定或从数据库中读取的目标信息、海洋环境信息模拟吊放声呐入水开机后接收到的数字信号；

第一信号处理模块按照实际装备的信号处理方式对接收到的声信号进行处理，对目标的方位、距离和径向速度参数实施探测；

第一显示处理模块用于探测结果显示；

声呐浮标仿真单元包括第二参数设定/读取模块、第二信号生成模块、第二信号处理模块和第二显示处理模块；

第二参数设定/读取模块用于完成声呐浮标各类性能参数、工作参数的设定；

第二信号生成模块根据目标的运动参数，结合人工设定或从数据库中读取的目标信息、海洋环境信息模拟产生声呐浮标入水开机后接收到的数字信号；

第二信号处理模块按照实际装备的信号处理方式对接收到的声信号进行处理，对目标的方位、距离和径向速度参数实施探测；

第二显示处理模块用于探测结果显示。

3.根据权利要求2所述的一种基于虚拟水声算法的声呐探测仿真方法，其特征在于，步骤S3中，利用虚拟水声算法，模拟声呐信号在水下环境中的传播过程；

虚拟水声算法考虑声呐信号在水下传播损耗、散射和吸收因素。

4.根据权利要求3所述的一种基于虚拟水声算法的声呐探测仿真方法，其特征在于，声呐信号在水下传播损耗：

当目标距离r<R时，传播损失TL近似为：

TL＝20lgr+αr+60-k_L

其中r为距目标水平距离，α为海水吸收系数，α＝0.05f1.4，k_L为近场传播异常；

R<＝r<＝8R时，传播损失TL近似为：

其中，T为浅海衰减系数；

当与目标距离r>8R时，传播损失TL近似为：

5.根据权利要求4所述的一种基于虚拟水声算法的声呐探测仿真方法，其特征在于，海面反向散射强度随频率、风速和掠射角的变化关系：

β＝158(vf^1/3)^-0.58

式中：v是风速(kn)，由海况决定；f是频率(Hz)；θ＝tg^-1(sd/r)是掠射角(°)，sd是浮标或吊声的工作深度，r是距离；

海底散射强度函数近似表示其依赖关系：

S_b＝S_b1+10lgsin²θ

式中：Sb1的数值由海底底质决定；θ是掠射角；

混响面积：

其中：c是声速，τ是发射脉冲宽度，Φ为等效波束宽度，r为距离；

其中λ为信号波长，l为基阵孔径。

6.根据权利要求5所述的一种基于虚拟水声算法的声呐探测仿真方法，其特征在于，步骤S3中水声目标特性模型包括水声目标辐射噪声仿真模型和水声目标回波特性仿真模型；

水声目标辐射噪声仿真模型建立典型潜艇目标的目标强度及其空间分布特性；

水声目标回波特性仿真模型建立典型潜艇目标的目标强度及其空间分布特性。

7.根据权利要求6所述的一种基于虚拟水声算法的声呐探测仿真方法，其特征在于，海洋环境噪声：

Nl＝-17lgf+6S+55

式中f为频率(kHz)，S为海况等级；

接收信号输出信噪比：

对于被动工作模式而言，输出信噪比为：

SNR＝SL-TL-(NL-DI)；

对于主动工作模式而言，输出信噪比为：

SNR＝SL-2TL+TS-max((NL-DI)，RL)。

8.根据权利要求7所述的一种基于虚拟水声算法的声呐探测仿真方法，其特征在于，步骤S4的详细步骤包括：

S401、目标几何建模：根据实际目标的形状和结构，进行目标的几何建模；

S402、目标材料特性定义：确定目标的材料特性，包括声学特性和散射特性；

S403、散射模型选择：根据目标的尺寸和材料特性，选择适当的散射模型来描述目标对声呐信号的响应；

S404、计算目标的散射场：根据选择的散射模型，计算目标表面上每个散射点的散射场；

S405、引入目标的运动：通过引入目标的运动模型和运动参数，模拟目标在声呐信号作用下的运动响应；

S406、生成回波信号：根据计算得到的散射场和目标的运动信息，生成目标的回波信号；

S407、引入噪声和干扰：在生成回波信号时，引入噪声和干扰项，模拟实际水下环境中的噪声和其他声源的影响。