一種基于簡正波理論的寬帶混響波形仿真方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于簡正波理論的寬帶混響波形仿真方法，包括如下步驟：在空間上隨機(jī)布置混響散射元；設(shè)定散射回波幅度和相位調(diào)制信號；將仿真的寬帶信號進(jìn)行子帶分解；分別計算各子帶的海洋混響時間序列，疊加得到某一接收陣元處的海洋寬帶混響時間序列，以此方法計算得到不同接收陣元處的海洋寬帶混響時間序列。本發(fā)明反映出信道對帶寬內(nèi)不同頻率的影響，仿真誤差小，綜合考慮混響仿真中的多種因素，能夠自然體現(xiàn)出混響的空間相關(guān)性、空時特征等物理特性，能夠滿足空時自適應(yīng)處理等混響抑制新算法對混響數(shù)據(jù)的需求。
【專利說明】一種基于簡正波理論的寬帶混響波形仿真方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及水聲工程【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種基于簡正波理論的寬帶混響波形仿真方法。
【背景技術(shù)】
[0002]為了對抗現(xiàn)代安靜型潛艇，現(xiàn)代主動聲納技術(shù)向低頻、寬帶、大功率發(fā)射、大孔徑接收方向發(fā)展。混響本質(zhì)上由海洋中大量散射元的散射回波疊加而成，是主動聲納的特有干擾，嚴(yán)重制約主動聲納的作用距離。寬帶體制下的大功率發(fā)射，使得海洋寬帶混響背景進(jìn)一步增強(qiáng)?？够祉憳I(yè)已成為提高主動聲納探測性能不得不直面突破的技術(shù)瓶頸。艦載聲納、潛載聲納、吊放聲納、魚雷制導(dǎo)聲納等都面臨同樣的問題。
[0003]要抑制混響，首先要獲得混響數(shù)據(jù)，基于此去了解混響的特征。進(jìn)行水池試驗、湖上試驗、海上試驗，是獲得混響數(shù)據(jù)的重要手段。但試驗數(shù)據(jù)往往是各種特征融合在一起的，難以分離，難以控制；而且，受各種實際條件的限制，不可能經(jīng)常進(jìn)行海上或湖上試驗，使得有效的混響試驗數(shù)據(jù)缺乏。因此，基于所關(guān)心特征的物理形成機(jī)理，進(jìn)行混響數(shù)值仿真，是獲得混響數(shù)據(jù)、研究混響特征、進(jìn)行抗混響處理的基本手段。
[0004]傳統(tǒng)的混響建模仿真方法要么用于混響級的預(yù)報，沒有考慮相位信息，不能體現(xiàn)出混響的其他特性；要么基于混響的時變功率譜，所得到的混響序列不能保留陣元間的相關(guān)性；要么受限于特殊應(yīng)用需求，不能兼顧平臺運(yùn)動、收發(fā)陣元指向性、聲速梯度等因素。特別地，目前的海洋混響仿真多是針對窄帶體制，不能適應(yīng)寬帶體制下對海洋寬帶混響數(shù)據(jù)的需求，若以目前現(xiàn)有的方法直接以寬帶信號某一頻率為基準(zhǔn)進(jìn)行寬帶混響仿真，無法反映出信道對帶寬內(nèi)不同頻率的影響，此時仿真誤差大，難以滿足實際需求。
[0005]因此需要一種能反映信道對帶寬內(nèi)不同頻率的影響，仿真誤差小，綜合考慮混響仿真中的多種因素，能夠自然體現(xiàn)出混響的空間相關(guān)性、空時特征等物理特性，能夠滿足空時自適應(yīng)處理等混響抑制新算法對混響數(shù)據(jù)需求的寬帶混響波形仿真方法。
【發(fā)明內(nèi)容】
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[0006]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種基于簡正波理論的寬帶混響波形仿真方法，使其能兼顧平臺運(yùn)動、收發(fā)陣元指向性、聲速梯度等因素，反映出信道對帶寬內(nèi)不同頻率的影響，精確模擬運(yùn)動或靜止的多陣元混響。
[0007]為了解決上述技術(shù)問題本發(fā)明提供的技術(shù)方案為一種基于簡正波理論的寬帶混響波形仿真方法，該方法包括如下步驟:(I)在空間上隨機(jī)布置混響散射元；(2)設(shè)定各混響散射元隨機(jī)擾動所引起的散射回波幅度和相位調(diào)制信號；(3)將仿真的寬帶信號通過分?jǐn)?shù)階Fourier變換進(jìn)行子帶分解；(4)采用點散射模型，設(shè)定接收陣元坐標(biāo)，分別計算各子帶的海面散射元的混響時間序列、體積散射元的混響時間序列和海底散射元的混響時間序列；(5)將各子帶的海面散射元混響時間序列、體積散射元混響時間序列和海底散射元混響時間序列疊加得到各子帶的海洋混響時間序列；(6)將各子帶的海洋混響時間序列疊加得到所設(shè)定接收陣元處的海洋寬帶混響時間序列；(7)更新接收陣元坐標(biāo)，重復(fù)步驟(4)至
(6)得到不同接收陣元處的海洋寬帶混響時間序列。
[0008]較佳地，所述在空間上隨機(jī)布置混響散射元的具體步驟為:根據(jù)仿真的寬帶混響時間序列長度，確定海面散射元、體積散射元和海底散射元的分布范圍，在此范圍內(nèi)隨機(jī)分布混響散射元。在不同海域可以采用不同的分布方法，如可采用均勻分布、指數(shù)分布等。
[0009]較佳地，所述設(shè)定各混響散射元隨機(jī)擾動所引起的散射回波幅度和相位調(diào)制信號的具體步驟為:選定功率譜，對所選定功率譜進(jìn)行頻域采樣，將采樣點疊加上隨機(jī)相位，通過傅里葉變換得到時域復(fù)信號A(t)，時域復(fù)信號A(t)反映散射元散射回波幅度和相位調(diào)制信號。
[0010]較佳地，所述將仿真的寬帶信號通過分?jǐn)?shù)階Fourier變換進(jìn)行子帶分解的具體步驟為:
[0011]根據(jù)
【權(quán)利要求】
1.一種基于簡正波理論的寬帶混響波形仿真方法，該方法包括如下步驟: (1)在空間上隨機(jī)布置混響散射元； (2)設(shè)定各混響散射元隨機(jī)擾動所引起的散射回波幅度和相位調(diào)制信號； (3)將仿真的寬帶信號通過分?jǐn)?shù)階Fourier變換進(jìn)行子帶分解； (4)分別計算仿真寬帶信號的各子帶的海面散射元的混響時間序列、體積散射元的混響時間序列和海底散射元的混響時間序列； (5)將各子帶的海面散射元混響時間序列、體積散射元混響時間序列和海底散射元混響時間序列疊加得到各子帶的海洋混響時間序列； (6)將各子帶的海洋混響時間序列疊加得到所設(shè)定接收陣元處的海洋寬帶混響時間序列； (7)更新接收陣元坐標(biāo)，重復(fù)步驟(4)至(6)得到不同接收陣元處的海洋寬帶混響時間序列。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于簡正波理論的寬帶混響波形仿真方法，其特征在于，所述步驟(1)是根據(jù)仿真的寬帶混響時間序列長度，確定海面散射元、體積散射元和海底散射元的分布范圍，在此范圍內(nèi)隨機(jī)分布混響散射元。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于簡正波理論的寬帶混響波形仿真方法，其特征在于，所述步驟(2)的具體步驟為:選定功率譜；對所選定功率譜進(jìn)行頻域采樣；將采樣點疊加上隨機(jī)相位；通過傅里葉變換得到時域復(fù)信號A (t)，時域復(fù)信號A (t)反映散射元散射回波幅度和相位調(diào)制信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于簡正波理論的寬帶混響波形仿真方法，其特征在于，所述步驟(3)是根據(jù)
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于簡正波理論的寬帶混響波形仿真方法，其特征在于，所述步驟(4)具體包括: (41)采用點散射模型，設(shè)定接收陣元坐標(biāo)； (42)計算不同子帶下海面散射元、體積散射元和海底散射元的本征值和本征函數(shù)； (43)計算不同子帶下海面散射元、體積散射元和海底散射元的散射強(qiáng)度及散射元面積； (44)計算不同子帶下各階簡正波經(jīng)海面散射元、體積散射元和海底散射元到收、發(fā)陣元間的時延及多普勒頻移； (45)計算不同子帶下同一時刻的海面散射元散射回波信號、體積散射元散射回波信號和海底散射元散射回波信號； (46)計算各子帶下海面散射元混響時間序列、體積散射元混響時間序列和海底散射元混響時間序列。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于簡正波理論的寬帶混響波形仿真方法，其特征在于，所述步驟(44)中的時延為:τ =rsj/Vmg-Tjc/vng(1-v/vngcos θ ),上述公式中的參數(shù)描述如下為發(fā)射陣元到某一散射元j的距離，rJc為散射元j到接收陣元c的距離，Vfflg, Vng分別為某一子帶下m階、η簡正波的群速度，V為平臺運(yùn)動速度，Θ為V與散射元的夾角。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于簡正波理論的寬帶混響波形仿真方法，其特征在于， 所述步驟(45)中同一時刻的海面散射元散射回波信號是將步驟(42)所得的不同子帶下海面散射元的本征值和本征函數(shù)、步驟(43)所得的不同子帶下海面散射元的散射強(qiáng)度和散射元面積以及步驟(44)所得不同子帶下各階簡正波經(jīng)海面散射元到收、發(fā)陣元間的時延和多普勒頻移進(jìn)行疊加得到的， 同一時刻的體積散射元散射回波信號是將步驟(42)所得的不同子帶下體積散射元的本征值和本征函數(shù)、步驟(43)所得的不同子帶下體積散射元的散射強(qiáng)度和散射元面積以及步驟(44)所得不同子帶下各階簡正波經(jīng)體積散射元到收、發(fā)陣元間的時延和多普勒頻移進(jìn)行疊加得到的， 同一時刻的海底散射元散射回波信號是將步驟(42)所得的不同子帶下海底散射元的本征值和本征函數(shù)、步驟(43)所得的不同子帶下海底散射元的散射強(qiáng)度和散射元面積以及步驟(44)所得不同子帶下各階簡正波經(jīng)海底散射元到收、發(fā)陣元間的時延和多普勒頻移進(jìn)行疊加得到的。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于簡正波理論的寬帶混響波形仿真方法，其特征在`于， 所述步驟(46)中各子帶下海面散射元混響時間序列是將依據(jù)步驟(45)所得的各子帶下同一時刻海面散射元散射回波信號進(jìn)行幅相調(diào)制疊加得到的， 各子帶下體積散射元混響時間序列是將依據(jù)步驟(45)所得的各子帶下同一時刻體積散射元散射回波信號進(jìn)行幅相調(diào)制疊加得到的， 各子帶下海底散射元混響時間序列是將依據(jù)步驟(45)所得的各子帶下同一時刻海底散射元散射回波信號進(jìn)行幅相調(diào)制疊加得到的。
【文檔編號】G01S7/52GK103487793SQ201310431686
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年9月22日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月22日
【發(fā)明者】衛(wèi)紅凱, 王平波, 蔡志明, 幸高翔 申請人:中國人民解放軍海軍工程大學(xué)