專利名稱：一種聲陣列模擬系統的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及聲學探測技術，特別是涉及一種聲陣列模擬系統。
背景技術：
聲學探測技術通過識別和探測聲源目標，實現對聲源目標的定位、分類、 跟蹤和攻擊，可廣泛應用于軍事、工業等領域。目前，聲學探測技術被直接 應用于戰場、工業現場等現場環境。
現場環境中，信源包括飛機引擎、運載火箭、汽車發動機、水下炸點等 等，信源發出的信源聲信號與環境信號混雜，形成復雜環境信號。數據獲取 子系統在控制子系統的控制下，同步接收復雜環境信號，并對接收的復雜環 境信號進行調理和采集處理。信號處理子系統從經過數據獲取子系統采集處 理后的復雜環境信號中提取信源聲信號，獲取信源聲信號到達數據接收子系 統的接收部分的傳輸時差信號。自定位子系統根據傳輸時差信號對數據獲取 子系統的接收部分進行定位。根據信號處理子系統提取的信源聲信號和自定 位子系統的定位結果，實現信源定位、陣列信號處理與重建或者聲束合成等 探測。這里，信源定位、陣列信號處理與重建、聲束合成等這些探測功能的 實現相互之間是分立的。
圖1為現有技術中一種具有信源定位功能的聲陣列系統的結構組成示 意圖。如圖l所示，飛機引擎發出的聲源信號與周圍的環境噪聲信號共同組 成復雜環境信號，數據獲取子系統對該復雜環境信號進行調理和采集后，由 信號處理子系統、自定位子系統進行相應處理后，由信源定位模塊實現對飛 機的定位。
實際應用中，數據獲取子系統中的采集模塊可采用型號為NI PXI-4462的高精度數據采集卡實現，也可采用型號為TLV2252AQD的低噪聲精密運 算放大器、型號為AD7655的模擬數字轉換器和型號為TMS320C6711的DSP 芯片實現。信號處理子系統可以采用基于LABVIEW8.0的軟件方式實現， 也可以采用型號為TMS320C6711的DSP芯片實現。自定位子系統可以采用 基于LABVIEW8.0的軟件方式實現，或者采用型號為TMS320C6711的DSP 芯片硬件實現。
實際應用中，如果要對現場環境的聲學探測技術進行研究，那么，必須 營造現場環境，布置實際信源設備，比如，調用飛機并要求其執行某項研究 任務，這樣就導致了研究成本的增加，制約了對聲學探測技術的研究。同時， 在現場環境中，聲學探測系統的功能比較單一，僅能實現某一方面的功能， 比如，聲納探測系統通過聲陣列完成水下目標的探測。
發明內容
有鑒于此，本實用新型的主要目的在于提供一種成本低、功能多樣化的 聲陣列模擬系統。
為了達到上述目的，本實用新型提出的技術方案為
一種聲陣列模擬系統，所述系統包括模擬、調理、發射復雜環境信號的 信號模擬子系統l，對信號模擬子系統1發射的復雜信號進行調理、采集處理 的數據獲取子系統2，從來自數據獲取子系統2的信號中提取聲源信號、獲取 聲源信號到達數據獲取子系統2的接收部分的傳輸時差信號的信號處理子系統 4,根據傳輸時差信號對數據獲取子系統2的接收部分進行定位的自定位子系統 5，以及根據信號處理子系統4提取的聲源信號和自定位子系統5的定位結果實 現信源定位、陣列信號處理與重建、聲束合成的功能單元子系統6,控制信號 模擬子系統l、數據獲取子系統2、功能單元子系統6的控制子系統3;信號模 擬子系統l、數據獲取子系統2、信號處理子系統4、自定位子系統5、功能單 元子系統6和控制子系統3通過導線連接集成一體。
綜上所述，本實用新型提出的一種聲陣列模擬系統，不必再花費大量的成本模擬現場環境，布置信源設備，而是由信號模擬子系統直接模擬各種復 雜環境信號，比如，模擬執行某項研究任務的飛機發出的信源信號，因此大
大降低了研究成本；由于本實用新型所述聲陣列模擬系統能同時完成信源定 位、陣列信號處理與重建、聲束合成等探測功能，所以，所述系統還具有功 能多樣化的特征。
圖1為現有技術中一種具有信源定位功能的聲陣列系統的結構組成示意圖。
圖2為本實用新型聲陣列模擬系統組成結構示意圖。
圖3為本實用新型包含顯示子系統的聲陣列模擬系統的組成結構示意圖。
圖4為本實用新型信號模擬子系統的組成結構示意圖。 圖5為本實用新型信號模擬模塊的組成結構示意圖。 圖6為本實用新型第一信號調理模塊的組成結構示意圖。 圖7為本實用新型數據獲取子系統的組成結構示意圖。 圖8為本實用新型功能單元子系統的組成結構示意圖。
具體實施方式
為使本實用新型的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖及 具體實施例對本實用新型作進一步地詳細描述。
圖1為本實用新型聲陣列模擬系統的組成結構示意圖。如圖l所示，所 述聲陣列模擬系統包括生成、調理、發射復雜環境信號的信號模擬子系統1，
對從信號模擬子系統1接收的復雜環境信號進行調理、采集處理的數據獲取子 系統2，從來自數據獲取子系統2的信號中提取聲源信號、獲取聲源信號到達 數據獲取子系統2的接收部分的傳輸時差信號的信號處理子系統4，根據傳輸 時差信號對數據獲取子系統2的接收部分進行定位的自定位子系統5,以及根據信號處理子系統4提取的聲源信號和自定位子系統5的定位結果實現信源定 位、陣列信號處理與重建、聲束合成的功能單元子系統6，控制信號模擬子系 統l、數據獲取子系統2、功能單元子系統6的控制子系統3;其中，信號模擬 子系統l、數據獲取子系統2、信號處理子系統4、自定位子系統5、功能單元 子系統6和控制子系統3通過導線連接集成一體。
實際應用中，復雜環境信號是來自現場環境且包含多種信號的混合信號， 比如，飛機發出的信號、坦克發出的信號、爆炸沖擊波信號等等，這些信號包 含有聲源信號和環境噪聲信號等。
實際應用中，信號處理子系統4通過譜分析等方法將復雜環境信號主要分 為聲源信號和噪聲信號，提取聲源信號后，將每個聲源信號均分為兩路各聲 源信號的其中一路被發送至功能單元子系統6;各聲源信號的另一路兩兩進行 相關運算等處理后，獲取各聲源信號到達各接收換能器之間的傳輸時差信號， 并將傳輸時差信號發送至自定位單元子系統5。信號處理子系統4的信號處理 方法為現有技術，此處不再贅述。
實際應用中，自定位子系統5根據聲源信號傳播速度和時間確定對數據 獲取子系統2的接收部分進行定位。自定位子系統5的定位方法為現有技術， 此處不再贅述。
實際應用中，信號模擬子系統模擬生成復雜環境信號，對所生成的復雜 環境信號進行調理處理后，在控制子系統的控制下，將處理后的復雜環境信 號以無線方式發送至數據獲取子系統；數據獲取子系統在控制子系統的控制 下對接收到的復雜環境信號進行同步數據采集等處理后，將采集處理過的復 雜環境信號發送至信號處理子系統；信號處理子系統對復雜環境信號進行頻 譜分析和相關運算處理，將提取的聲源信號發送至功能單元子系統，將提取 的聲源信號到達各接收換能器間的傳輸時差信號發送至自定位單元子系統； 功能單元子系統根據自定位單元的定位結果和信號處理子系統提取的聲源 信號，在控制子系統的控制下，實現信源定位、陣列信號處理與重建、聲束 合成等。圖2為本實用新型包含顯示子系統的聲陣列模擬系統的組成結構示意 圖。如圖2所示，所述聲陣列模擬系統還包括在控制子系統3的控制下，顯示 信號模擬子系統1、信號處理子系統4、功能單元子系統6各信號的顯示子系統 7。
這里，顯示子系統7顯示的各信號包括模擬子系統1的輸入信號、輸出信 號、模擬信號和調理信號，信號處理子系統4的輸入信號和輸出信號，功能單 元子系統6的輸入信號、輸入信號的頻譜信號、輸入信號的干涉信號。
實際應用中，控制子系統3控制顯示子系統7顯示哪些子系統的信號，顯 示這些子系統的哪些信號。
圖3為本實用新型信號模擬子系統的組成結構示意圖。如圖3所示，信號 模擬子系統l包括生成復雜環境信號并對所生成的復雜環境信號進行編碼、 調制的信源模擬模塊ll，對經過調制的復雜環境信號進行數/模轉換、濾波、調 幅的第一信號調理模塊12,以及發送第一信號調理模塊12處理后的復雜環境 信號的發射換能模塊13。實際應用中，發射換能模塊13是由多個發射傳感器 組成的發射傳感器陣列。
實際應用中，信源模擬模塊生成各種復雜環境信號，比如，轟炸機發出的 信號、爆炸沖擊波信號等等。第一信號調理模塊在控制子系統的控制下，確定 對信源模擬模塊生成的、哪些通道的復雜環境信號進行處理。由于信源模擬模 塊生成的各種復雜環境信號均為數字信號，因此，第一信號調理模塊首先將數 字信號轉換為模擬信號；然后，對轉換為模擬信號的復雜環境信號進行濾波、 調幅等處理。發射換能模塊收到所有確定通道的、經第一信號調理模塊處理后 的復雜環境信號時，向控制子系統發送請求發送信號；在控制子系統的控制下， 發射換能模塊以無線方式將各通道的復雜環境信號同時發射出去。
圖4為本實用新型信號模擬模塊的組成結構示意圖。如圖4所示，信號模 擬模塊ll包括生成復雜環境信號的第一至第L信源模擬器U11 111L，對第 一至第L信源模擬器1111 111L輸出的復雜環境信號分別進行編碼的第一至第 L信源編碼器1121 112L，對第一至第L信源編碼器1121 112L輸出的信源編碼信號分別進4于信道編碼的第一至第L信道編碼器U31 113L,對第一至第L 信道編碼器1131 113L輸出的信道編碼信號分別進行調制的第一至第L調制模 塊U41 114L。
實際應用中，每個通道的信源模擬器模擬生成各種復雜環境信號，由每個 通道各自的信源編碼器、信道編碼器和調制器依次對各通道的復雜環境信號進 行信源編碼、信道編碼、調制，并將調制后的復雜環境信號發送至第一信號調 理模塊進行處理。
圖5為本實用新型第一信號調理模塊的組成結構示意圖。如圖5所示，第 一信號調理模塊12包括用于對來自信源模擬模塊11的復雜環境信號進行數/ 模轉換的D/A轉換器121，以及對經過D/A轉換器121處理的復雜環境信號進 行濾波、調幅的第一至第L信號調理器1221~122L。
實際應用中，D/A轉換器將信源模擬模塊發送的復雜環境信號由數字量轉 換為模擬量，第一至第L信號調理器分別對轉換為;^莫擬量的各復雜環境信號進 行濾波、調幅后，發送至發射換能模塊。
圖6為本實用新型數據獲取子系統的組成結構示意圖。如圖6所示，數據 獲取子系統2包括接收發射換能模塊13發送的復雜環境信號的接收換能模塊 21，對接收換能模塊21接收到的復雜環境信號進行濾波、調幅的第二信號調理 模塊22，對經過第二信號調理模塊22處理后的數據進行同步采集的數據采集 模塊23，以及對采集數據進行解調、解碼的解調解碼模塊24。
實際應用中，接收換能模塊21是由多個接收傳感器組成的接收傳感器陣 列。解調解碼模塊24包括第一至第N解調器、第一至第N信道解碼器、第一 至第N信源解碼器，第一至第N解調器對接收的復雜環境信號進行解調后，分 別將解調后的復雜環境信號發送至第一至第N信道解碼器進行信道解碼，并由 第一至第N信源解碼器分別對經過第一至第N信道解碼器解碼的復雜環境信號 進行信源解碼。
實際應用中，接收換能器模塊在控制子系統的控制下，以無線方式同步接 收發射換能模塊發射的復雜環境信號，并由第二信號調理模塊對接收的復雜環境信號進行濾波、調幅處理；數據采集模塊對第二信號調理模塊處理后的復雜 環境信號進行同步采集后，解調解碼模塊依次對同步采集數據進行解調、信道 解碼、信源解碼，并將解碼后的復雜環境信號發送至后續的信號處理子系統。
實際應用中，上述發射傳感器陣列中的前四個發射傳感器與接收傳感器陣 列中的前四個接收傳感器對應組成四個基站，即，發射傳感器陣列中的第一個 發射傳感器與接收傳感器陣列中的第一個接收傳感器組成第一個基站，依次類 推，對應組成第二個至第四個基站。自定位子系統根據聲源信號和聲源信號到 達各接收基站的傳輸時間，首先確定上述四個基站的位置；再根據該四個基站 的位置，確定接收傳感器陣列中其它接收傳感器的位置。這里，自定位子系統 的定位方法為現有技術，此處不再贅述。
圖7為本實用新型功能單元子系統的組成結構示意圖。如圖7所示，功能 單元子系統6包括確定信源位置的信源定位單元61、實現任一時間和空間信 號重建的信號處理與重建單元62、形成干涉聲場的聲束合成單元63;其中，信 源定位單元(61)、信號處理與重建單元(62)和聲束合成單元(63)均在控制 子系統(3)的控制下，接收信號處理子系統(4)發送的聲源信號和自定位子 系統(5)發送的定位結果。
實際應用中，信源定位單元61利用空間分布的傳感器陣列，被動接收聲源 信號，根據位置確定的基站和傳感器陣列確定信源位置。信源定位實現方式可 以采用現代信號處理、模式識別、神經元網絡等技術。這部分內容為現有技術， 此處不再贅述。
實際應用中，信號處理與重建單元62利用不完全信息重建理論、計算機層 析技術，分析聲源信號的時空特性、幅相特性等，實現任一時間和空間的信號 重建。這部分內容為現有技術，此處不再贅述。
聲束合成單元63應用干涉原理，在空間上形成強弱相間的千涉聲場。這部 分內容也為現有技術，此處不再贅述。
實際應用中，功能單元子系統6還可以包括除信源定位單元61、信號處理 與重建單元62、聲束合成單元63之外的其它聲探測功能單元，可根據實際需要，確定功能單元子系統6中的各功能單元。
綜上所述，本實用新型所述聲陣列模擬系統可完成有源探測或無源探測的 模擬實驗和仿真，尤其適用地面和水下等復雜環境下的聲探測技術的仿真，具 有成本低、技術難度小、功能多樣化等特點、便于聲探測研究。另外，所述聲 陣列綜合模擬實驗系統具有集成化和模塊化特點，具有較強的擴展性，方便實 驗系統的構建。
實施例
本實施例所述聲陣列模擬系統在實驗室中營造復雜海洋環境，通過水中智 能浮漂陣基站自主定位方式，實現海洋中某一目標的定位。
本實施例所述聲陣列模擬系統包括第 一至第六信源模擬器、第 一至第六信
源編碼器、第一至第六信道編碼器、第一至第六調制器、D/A轉換器、第一至 第六信號調理器、由第一至第六發射傳感器組成的發射傳感器陣列、由第一至
第九接收傳感器組成的接收傳感器陣列、第二信號調理模塊、數據釆集模塊、
第一至第九解調器、第一至第九信道解碼器、第一至第九信源解碼器、信號處
理子系統、自定位子系統、功能單元子系統、控制子系統和顯示子系統。第一
發射傳感器與第 一接收傳感器組成第一基站，第二發射傳感器與第二接收傳感
器組成第二基站，第三發射傳感器與第三接收傳感器組成第三基站，第四發射
傳感器與第四接收傳感器組成第四基站。功能單元子系統在控制子系統的控制
下，接通信源定位單元，同時斷開和信號處理與重建單元、聲束合成單元的連
接。顯示單元顯示D/A轉換器轉換后的復雜環境信號、數據獲取子系統中的各
復雜環境信號以及信源定位單元中的各種信號。
本實施例中，首先將第一至第六信源模擬器和第一至第六發射傳感器放置
于水池中，其次，營造海浪、潮沙等環境，形成復雜海洋環境。第一至第四信
源模擬器模擬出第一至第四水聲信號，并分別由第一至第四發射傳感器以無線
方式發射出去；第五和第六信源模擬器模擬水中爆炸信號以及海浪與潮汐帶來
的噪聲信號形成的復雜環境信號。
第一水聲信號依次經過第一信源編碼器、第一信道編碼器、第一調制器處
ii理后，由D/A轉換器轉換將調制后的第一水聲信號由數字量轉換為^f莫擬量，并 由第一信號調理器進行濾波、調幅處理，經過調幅處理的第一水聲信號被發送 至發射傳感器陣列中的第 一發射傳感器。
同理，第二至第四水聲信號經過與第一水聲信號相同的處理后，分別被發 送至發射傳感器陣列中的第二至第四傳感器。
第五和第六信源模擬器模擬第一至第二復雜環境信號，第一復雜環境信號
依次經過第五信源編碼器、第五信道編碼器、第五調制器處理后，由D/A轉換
器轉換將調制后的第一復雜環境信號由數字量轉換為^:莫擬量后，由第五信號調
理器進行濾波、調幅處理，經過調幅處理的第一復雜環境信號被發送至發射傳 感器陣列中的第五發射傳感器。
同理，第二復雜環境信號經過與第一復雜環境信號相同的處理后，分別被 發送至發射傳感器陣列中的第六傳感器。
發射傳感器陣列在其6個傳感器均收到各自對應的信號后，向控制子系統 上報發送請求，并在控制子系統的控制下，6個發射傳感器同時將各自對應的 信號以無線方式發送出去。
接收傳感器陣列中，每個接收傳感器以無線方式接收第一至第六發射傳感 器發射的水聲信號和復雜環境信號。這里，9個接收傳感器是在控制子系統的 控制下，完成對水聲信號和復雜環境信號的接收，以保證9個接收傳感器同步 接收復雜環境信號。
第二信號調理模塊對9個接收傳感器接收的水聲信號和復雜環境信號進行 濾波、調幅處理，數據采集模塊對第二信號調理模塊處理后的水聲信號和復雜 環境信號進行同步數據采集，之后，由9個解調解碼器對采集數據進行解調解 碼處理，得到九路采集信號。解調解碼處理的過程與編碼調制的過程正好相反。
經過解碼處理后的九路采集信號被發送至信號處理子系統。信號處理子系 統對九路采集信號進行譜分析，根據譜信號的不同頻率分布，將九路采集信號 分解為水聲信號、爆炸信號和噪聲信號，提取其中的爆炸信號發送至信源定位 單元。另外，信號處理系統對接收傳感器接收到的水聲信號兩兩進行相關處理，得到36路聲信號間的傳輸時差，將傳輸時差信號發送至自定位子系統，實現對 4個基站和5個接收傳感器的定位。
信源定位單元根據信號處理子系統提取的爆炸信號和自定位子系統對4個 基站和5個接收傳感器的定位結果，確定水中炸點的位置，即確定了水下目標 的位置。信源定位單元對信源定位的方法為現有技術，此處不再贅述。
綜上所述，以上僅為本實用新型的較佳實施例而已，并非用于限定本實 用新型的保護范圍。凡在本實用新型的精神和原則之內，所作的任何修改、 等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內。
權利要求1、一種聲陣列模擬系統，其特征在于，所述系統包括模擬、調理、發射復雜環境信號的信號模擬子系統(1)，對從信號模擬子系統(1)接收的復雜環境信號進行調理、采集處理的數據獲取子系統(2)，從來自數據獲取子系統(2)的信號中提取聲源信號、獲取聲源信號到達數據獲取子系統(2)的接收部分的傳輸時差信號的信號處理子系統(4)，根據傳輸時差信號對數據獲取子系統(2)的接收部分進行定位的自定位子系統(5)，以及根據信號處理子系統(4)提取的聲源信號和自定位子系統(5)的定位結果實現信源定位、陣列信號處理與重建、聲束合成的功能單元子系統(6)，控制信號模擬子系統(1)、數據獲取子系統(2)、功能單元子系統(6)的控制子系統(3)；信號模擬子系統(1)、數據獲取子系統(2)、信號處理子系統(4)、自定位子系統(5)、功能單元子系統(6)和控制子系統(3)通過導線連接集成一體。
2、 根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述系統還包括在所述控制 子系統(3)的控制下，顯示所述信號模擬子系統(1)、信號處理子系統(4)、 功能單元子系統(6)各信號的顯示子系統(7)。
3、 根據權利要求2所述的系統，其特征在于，所述各信號包括模擬子系統 (1)的輸入信號、輸出信號、模擬信號和調理信號，信號處理子系統(4)的輸入信號和輸出信號，功能單元子系統(6)的輸入信號、輸入信號的頻譜信號、 輸入信號的干涉信號。
4、 根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述信號模擬子系統(l) 包括生成復雜環境信號并對所生成的復雜環境信號進行編碼、調制的信源模 擬模塊(ll),對經過調制的復雜環境信號進行數/模轉換、濾波、調幅的第一 信號調理模塊(12)，以及發送第一信號調理模塊(12)處理后的復雜環境信號 的發射換能模塊(13)。
5、 根據權利要求3所述的系統，其特征在于，信號模擬模塊(11)包括 生成復雜環境信號的第一至第L信源模擬器(1111-111L),對第一至第L信源模擬器(1111 111L)輸出的復雜環境信號分別進行編碼的第一至第L信源編碼 器(1121-112L)，對第一至第L信源編碼器(1121-112L)輸出的信源編碼信 號分別進行信道編碼的第一至第L信道編碼器(U31 113L),對第一至第L信 道編碼器(1B1 113L)輸出的信道編碼信號分別進行調制的第一至第L調制 模塊(U41 114L)。
6、 根據權利要求3所述的系統，其特征在于，所述第一信號調理模塊(12 ) 包括用于對來自所述信源模擬模塊(11)的復雜環境信號進行數/模轉換的 D/A轉換器(121 )，以及對經過D/A轉換器(121 )處理的復雜環境信號進行 濾波、調幅的第一至第L信號調理器(1221~122L)。
7、 根據權利要求3所述的系統，其特征在于，所述發射換能模塊(13 )是 由多個發射傳感器組成的發射傳感器陣列。
8、 根據權利要求3所述的系統，其特征在于，所述數據獲取子系統(2) 包括接收所述發射換能模塊(13 )發送的復雜環境信號的接收換能模塊(21 )， 對接收換能模塊(21)接收到的復雜環境信號進行濾波、調幅的第二信號調理 模塊(22),對經過第二信號調理模塊(22)處理后的數據進行同步采集的數據 采集模塊(23)，以及對采集數據進行解調、解碼的解調解碼模塊(24)。
9、 根據權利要求8所述的系統，其特征在于，所述接收換能模塊(21 )是 由多個接收傳感器組成的接收傳感器陣列。
10、 根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述功能單元子系統(6) 包括確定信源位置的信源定位單元(61)、實現任一時間和空間的陣列信號重 建的信號處理與重建單元(62)、形成干涉聲場的聲束合成單元(63);其中， 信源定位單元(61)、信號處理與重建單元(62)和聲束合成單元(63)均在控 制子系統(3)的控制下，接收信號處理子系統(4)發送的聲源信號和自定位 子系統(5)發送的定位結果。
專利摘要本實用新型涉及聲陣列模擬系統，包括模擬、調理、發射復雜環境信號的信號模擬子系統，對信號模擬子系統發射的復雜信號進行調理、采集處理的數據獲取子系統，控制復雜環境信號的傳輸通道、傳輸時序、功能單元子系統功能啟停的控制子系統，從來自數據獲取子系統的信號中提取聲源信號、獲取聲源信號到達數據獲取子系統接收部分的傳輸時差信號的信號處理子系統，根據傳輸時差信號對數據獲取子系統的接收部分進行定位的自定位子系統，以及根據信號處理子系統提取的聲源信號和自定位子系統的定位結果實現信源定位、陣列信號處理與重建、聲束合成的功能單元子系統。本實用新型成本低、功能多樣化，可廣泛應用于探測技術中。
文檔編號G01S7/52GK201417306SQ200920006798
公開日2010年3月3日 申請日期2009年3月24日 優先權日2009年3月24日
發明者張丕狀, 潘晉孝, 王文川, 王黎明, 蘇新彥, 郭亞麗, 焱 韓 申請人:中北大學