[发明专利]一种开放式阵列信号的仿真方法

摘要

本发明公开了一种开放式阵列信号的仿真方法，该方法包括以下步骤：第一步：获取水声目标的实时的目标运动轨迹；第二步：获取水声目标辐射噪声信号；第三步：测算等间隔排列的线阵阵形畸变后各个阵元的坐标；第四步：生成实时的海洋信道脉冲响应序列；第五步：无阵元随机抖动情况下，生成阵元信号；第六步：出现随机抖动时，第i₇号阵元实际生成的阵元信号；第七步：获取阵元的实时海洋环境噪声信号；第八步：获得被动声纳阵列信号。该仿真方法使得阵列信号仿真系统具有开放性。

主权项

一种开放式阵列信号的仿真方法，其特征在于，该仿真方法包括以下步骤：第一步：获取水声目标的实时的目标运动轨迹：首先建立三维直角坐标系：以等间隔排列的线阵末端所在位置为圆心O，以船体拖着等间隔排列的线阵行驶的方向为X轴方向，等间隔排列的线阵扰动的方向为Y轴方向，垂直于海平面、且指向地心的方向为Z轴方向；设置开放式阵列信号仿真系统的抽样时间是T_s，采样率为F_s，水声目标的运动速度为V，实时的目标运动轨迹为n1表示整型变量；获取水声目标的实时的目标运动轨迹的方法有：第一种方法：基于直线航路、圆周航路或者蛇形追踪航路的运动方式模拟水声目标的实时目标运动轨迹；或者第二种方法：基于B样条拟合的非平稳目标运动轨迹实时仿真方法，获得实时的目标运动轨迹；第一种方法的过程为：当水声目标的运动方式是直线航路时，设置直线航路的初始位置为(x[0],y[0],z[0])^T，上标T表示转置；运动速度为V，运动的水平方向角为α，垂直仰角为θ，获得如式(1)所示的直线航路的实时的目标运动轨迹$\stackrel{\→}{P}\left[n1\right]=\left(\begin{array}{c}x\left[n1\right]\\ y\left[n1\right]\\ z\left[n1\right]\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}x\left[0\right]+n1\·{\mathrm{VT}}_s\cos \left(\mathrm{\θ}\right)\cos \left(\mathrm{\α}\right)\\ y\left[0\right]+n1\·{\mathrm{VT}}_s\cos \left(\mathrm{\θ}\right)\sin \left(\mathrm{\α}\right)\\ z\left[0\right]+n1\·{\mathrm{VT}}_s\sin \left(\mathrm{\θ}\right)\end{array}\right)$   式(1)其中，x[n1]表示实时的目标运动轨迹在X轴方向的坐标，y[n1]表示实时的目标运动轨迹在Y轴方向的坐标，z[n1]表示实时的目标运动轨迹在Z轴方向的坐标；当水声目标的运动方式是圆周航路时，设置圆周航路的初始位置为(x[0],y[0],z[0])^T，速度为V，圆心上标T表示转置；圆周运动半径水声目标的盘旋角速度ω满足式(2)：$\mathrm{\ω}=\frac{V}{r}=\frac{V}{\sqrt{{(X_0-x{\left[0\right]}^2)}^2+{(Y_0-y[0\left]\right)}^2}}$   式(2)圆周航路的实时的目标运动轨迹如式(3)所示：$\stackrel{\→}{p}\left[n1\right]=\left(\begin{array}{c}x\left[n1\right]\\ y\left[n1\right]\\ z\left[n1\right]\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{X}_0+\left(x\right[n1-1]-X_0)\cos \left({\mathrm{\ωT}}_s\right)+\left(y\right[n1-1]-Y_0)\sin \left({\mathrm{\ωT}}_s\right)\\ Y_0+\left(y\right[n1-1]-Y_0)\cos \left({\mathrm{\ωT}}_s\right)-\left(x\right[n1-1]-X_0)\sin \left({\mathrm{\ωT}}_s\right)\\ Z_0\end{array}\right)$   式(3)其中，x[n1‑1]表示n1‑1时刻的实时的目标运动轨迹在X轴方向的坐标，y[n1‑1]表示n1‑1时刻的实时的目标运动轨迹在Y轴方向的坐标；当水声目标的运动方式是蛇形追踪航路时，设置蛇形追踪航路的运动速度为V，轨迹的水平跨度为L₀，拱高H，蛇形追踪航路的实时的目标运动轨迹如式(4)所示：$\stackrel{\→}{P}\left[n1\right]=\stackrel{\→}{P}[n1-1]+\mathrm{\Δ}\stackrel{\→}{P}[n1-1]$   式(4)其中，表示蛇形追踪航路n1‑1时刻的运动坐标，表示蛇形追踪航路当前时刻和前一时刻，即在n1时刻和n1‑1时刻的运动坐标的差值，满足式(5)：$\mathrm{\Δ}\stackrel{\→}{P}[n1-1]={\mathrm{VT}}_s\left(\begin{array}{c}\frac{1}{\sqrt{1+{\left(\frac{2\mathrm{\πH}}{L_0}\cos \left(\frac{2\mathrm{\πx}[n1-1]}{L_0}\right)\right)}^2}}\\ \frac{\frac{2\mathrm{\πH}}{L_0}\cos \left(\frac{2\mathrm{\πx}[n1-1]}{L_0}\right)}{\sqrt{1+{\left(\frac{2\mathrm{\πH}}{L_0}\cos \left(\frac{2\mathrm{\πx}[n1-1]}{L_0}\right)\right)}^2}}\end{array}\right)$   式(5)其中，n1表示整型变量，π表示圆周率；第二种方法的过程为：获取采样率为f_s的实测水声目标运动轨迹序列m(n)：该运动轨迹序列m(n)包含N个运动轨迹点，待拟合的目标运动轨迹的采样率为F_s；利用基于B样条拟合的非平稳目标运动轨迹实时仿真方法，获得实时的目标运动轨迹；第二步：获取水声目标辐射噪声信号：设水声目标辐射噪声信号由线谱分量、调制谱分量和连续谱分量组成，其中，线谱的数量为M3，第1—M3中的第q₄条线谱的幅度为第q₄条线谱的频率为和第q₄条线谱的随机相位为设调制谱分量为由M4个具有随机幅度、同样形状、相同重复周期的脉冲性随机过程组成，其中单个脉冲的形状取为高斯型，设置第1—M4中的第q₅个脉冲随机过程的调制深度为第q₅个脉冲随机过程的脉冲宽度为螺旋桨旋转的叶频为f_b，并且连续谱分量利用三参数模型模拟，然后进行AR建模，计算出AR滤波器的分子系数b₀和M5个AR滤波器分母系数中的第q₆个分母系数a_p(q₆)，依据式(6)获得实时的水声目标辐射噪声信号s(n2)为：式(6)其中，x(n2)表示利用高斯白噪声进行AR建模，获得的n2时刻的水声目标辐射噪声信号的连续谱分量，x(n2‑q₆)表示n2‑q₆时刻的水声目标辐射噪声信号的连续谱分量；q₄、q₅和q₆为标号，q₄取1—M3，q₅取1—M4，q₆取1—M5，T_b＝1/f_b，v(n2)表示高斯白噪声，n2为整型变量，表示第q₅个脉冲随机过程，满足式(7)：${\mathrm{\Λ}}_{q_5}(T_s\·n2-(q_5-1)\·T_b)=\frac{E_{q_5}}{\sqrt{2\mathrm{\π}}}{e}^{(-\frac{{(T_s\·n2-(q_5-1)\·T_b)}^2}{{2\mathrm{\σ}}_{q_5}})}$   式(7)设水声目标辐射噪声信号仿真采用用于水声目标连续信号仿真的有限长数据循环拼接方法，获取有限长的实测水声目标数据序列s(n3)，序列长度为N0；利用用于水声目标连续信号仿真的有限长数据循环拼接方法获得实时的水声目标辐射噪声信号，n3为整型变量，n3取1—N0；第三步：测算等间隔排列的线阵阵形畸变后各个阵元的当前坐标：首先获取等间隔排列的线阵的阵元间距d，阵元个数n10和声纳布放的深度z，从而测算等间隔排列的线阵无阵形畸变时各个阵元的坐标，记无阵形畸变时第1—n10号阵元中的第i₇号阵元的坐标为i₇为阵元标号，i₇取值为1—n10；其中，阵元的标号从坐标系的原点开始，按照X轴方向，顺序标号，从1标至n10号；然后，测算阵形畸变后各个阵元的当前坐标：在等间隔排列的线阵出现阵形畸变时，当阵形畸变是正弦随机扰动时，设置正弦随机扰动的扰动参数，正弦随机扰动的扰动参数包括正弦随机扰动的随机频率f₇、正弦随机扰动的随机幅度amp₇和标号为1的阵元的初始相位当阵形畸变是高斯随机扰动时，设置高斯随机扰动的扰动参数，高斯随机扰动的扰动参数包括高斯随机扰动的均值μ₇和高斯随机扰动的方差从而获得阵形畸变后第1—n10号阵元中的第i₇号阵元的当前坐标第四步：生成实时的海洋信道脉冲响应序列：获取实测海洋环境参数，包括声速曲线、信号源的水平位置和垂直深度、波束的出射开角、波束传播的最远距离和最大深度、海底系数、海面系数和海洋环境的中心频率，利用基于射线模型的海洋信道仿真方法生成实时的海洋信道脉冲响应序列；第五步：无阵元随机抖动情况下，生成阵元信号：将实时的水声目标辐射噪声信号和从水声目标的当前位置到达各个阵元当前坐标的实时的海洋信道脉冲响应序列相卷积，生成无阵元随机抖动情况下水声目标辐射噪声信号从水声目标位置传播到各个阵元的阵元信号k7为整型变量；实时的水声目标辐射噪声信号从第二步获得，水声目标的当前位置是从第一步获得的当前时刻的实时的目标运动轨迹，各个阵元当前坐标从第三步获得；第六步：出现随机抖动时，第i₇号阵元实际生成的阵元信号：第1—n10号阵元中的第i₇号阵元出现随机抖动时，第i₇号阵元实际生成的阵元信号为：${s^{\′}}_{i_7}\left(k7\right)=s_{i_7}\left(k7\right)(1-a_{i_7})+M_{i_7}$   式(8)其中，表示第i₇号阵元随机抖动的均值偏移，表示第i₇号阵元随机抖动的幅度衰减；当第i₇号阵元无随机抖动时，第i₇号阵元实际生成的阵元信号${d^{\′}}_{i_7}\left(k7\right)=s_{i_7}\left(k7\right);$第七步：获取阵元的实时海洋环境噪声信号：假定海洋环境噪声的功率谱为p_e(f)，将p_e(f)通过傅里叶反变换测算出自相关序列，再利用Levinson‑Durbin递归算法求解出AR滤波器的分子系数b_e0和M8个AR滤波器分母系数中的第q₈个分母系数a_ep(q₈)，依据式(9)获得第1—n10号阵元中的第i₇号阵元的实时海洋环境噪声信号${\mathrm{se}}_{i_7}\left(n8\right)=-\underset{q_8=1}{\overset{M8}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{\mathrm{ep}}\left(q_8\right)\·{\mathrm{se}}_{i_7}(n8-q_8)+b_{e0}v\left(n8\right)$   式(9)其中，为n8‑q₈时刻的实时海洋环境噪声信号，v(n8)表示第1—n10号阵元中的第i₇号阵元的实时海洋环境噪声信号对应的高斯白噪声，第1—n10号阵元的各个阵元的实时海洋环境噪声信号对应的高斯白噪声相互独立；第八步：获得被动声纳阵列信号：被动声纳阵列信号的第1—n10号阵元中的第i₇号阵元端接收到的信号是第i7号阵元实际生成的阵元信号和第i7号阵元的实时海洋环境噪声信号的叠加。