專利名稱：一種用于多子陣合成孔徑聲納的模擬系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及聲納信號處理領(lǐng)域，特別涉及一種用于多子陣合成孔徑聲納的模擬 系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
合成孔徑聲納(Synthetic Aperture Sonar: SAS)利用小尺寸基陣在方位向的移 動形成虛擬大孔徑，通過對不同位置的聲納回波信號進(jìn)行相干處理，從而獲得高分 辨率的聲納圖像。
因為合成孔經(jīng)聲納系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)發(fā)送以及信號處理等多個模塊，因 此合成孔徑聲納干端和濕端系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試的難度比較大，在實驗室調(diào)試的過程中， 無法進(jìn)行全系統(tǒng)調(diào)試。因此需要一種可用于多子陣合成孔徑聲納的模擬系統(tǒng)。通過 此模擬模擬系統(tǒng)可以生成目標(biāo)的仿真信號，并將仿真信號通過DA輸出，完成實驗 室中對合成孔徑聲納的全系統(tǒng)調(diào)試。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種用于多子陣合成孔徑聲納的 模擬系統(tǒng)與方法。該系統(tǒng)及方法采用基于模型的建模方法，可以模擬點目標(biāo)和面目 標(biāo)的原始回波數(shù)據(jù)，另外本發(fā)明采用多處理器進(jìn)行并行仿真計算保證仿真的實時性。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的用于多子陣合成孔徑聲納的模擬系統(tǒng)包括 一仿真計算模塊，用于根據(jù)輸入的系統(tǒng)仿真參數(shù)、仿真目標(biāo)信息、聲納基陣運
動信息及聲納基陣的當(dāng)前位置和姿態(tài)信息，計算目標(biāo)的回波數(shù)據(jù)信號，并將目標(biāo)回
波數(shù)據(jù)信號送入模擬輸出模塊和信號顯示模塊。
一模擬輸出模塊，用于將目標(biāo)回波數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換為模擬信號輸出。及 一信號顯示模塊，用于顯示仿真計算模塊計算得到的目標(biāo)回波數(shù)據(jù)信號。 其中，所述仿真計算模塊包括-
一發(fā)射波束覆蓋區(qū)域計算模塊，用于計算發(fā)射波束覆蓋區(qū)域
首先采用橢圓錐近似發(fā)射波束的主瓣形狀，橢圓錐與地平面交線為一橢圓，該 橢圓的兩軸為a和6，假設(shè)r^為聲波束覆蓋的最遠(yuǎn)距離，貝U:其中A、 ^分別為聲納基陣的方位向開角和垂直向開角。
其次，采用一個多棱錐0^尸2...巧逼近橢圓錐并近似發(fā)射波束的主瓣形狀，假設(shè)平 面Oi^)+,的平面方程為
7 (4,3，G，李4x+4y+c;z+Z^ =0;
對于目標(biāo)點"。，乂。,z,。)，如果滿足&[P2 >0]豐>0]& &[尸 >0];
則目標(biāo)(U,。，z,。)處在發(fā)射波束的照射范圍內(nèi)。 一點目標(biāo)回波數(shù)據(jù)計算模塊，用于計算點目標(biāo)回波數(shù)據(jù)
取發(fā)射陣和接收陣中心為隨陣坐標(biāo)系坐標(biāo)原點，在合成孔徑聲納基陣三維運動的 坐標(biāo)系中，平動采用隨陣坐標(biāo)系原點表示；轉(zhuǎn)動釆用聲納基陣的方向矢量表示，假 設(shè)聲納基陣與;c， ^和z軸的夾角為a， / 和y，則方向矢量為
W 「
d = jpos " cos々 cos ;^J 。
聲納基陣采用收發(fā)分置的模型，發(fā)射陣和接收陣在發(fā)射時的位置為《(o和Sw，
接收時的位置分別為《("&)和^(/ + ^)，點目標(biāo)的位置為^=[^ y,。， ；]， Af通 過下述方程得到
flAf2 + 6Af + c = 0 其中，a,-C2) ; "2v、 《)+ 2^"(A,) + 2r'C;
c = /;(△,) +— ~).y;(△,); /, (△,) = o^s" ri x"(, + — q^" ,r x j(,);
J"("a0 = cos[a(, + a0 / (, + △,) W + ")]; = cos [a (Z) / (/)
巧=V"力)—+0^(0_少加)2 +(z,r(0 — z,。,)2 ; ^ 4')(0 + 乂(0 + 4(0 。
其中，0ffSetH和0ffSeW是分別是聲納接收陣、聲納發(fā)射陣中心到坐標(biāo)原點的 線性距離。
假設(shè)發(fā)射時的波形為則點目標(biāo)的回波信號為
sr = / 0 — 。
一發(fā)射波束照射的百標(biāo)點計算模塊，用于計算發(fā)射波束照射的目標(biāo)點 首先采用三角面元的陰影區(qū)計算發(fā)射波束照射不到的目標(biāo)點，假設(shè)發(fā)射陣的位置 為0:fe,》,&)，其中第,'個三角面元K,K^形成的陰影區(qū)為^C，則處在第J'個三角面 元形成的陰影區(qū)中的目標(biāo)必然符合下面條件
G >。]&[尸>0]&[fe >0]豐,,<0];
則第,個三角面元形成的陰影區(qū)中的目標(biāo)點集合為
則所有三角面元即目標(biāo)形成的陰影區(qū)中的目標(biāo)點集合為
8然后將陰影點集合r必M 從目標(biāo)點集中去除后剩余的目標(biāo)點集即為發(fā)射波束照射的 目標(biāo)點，發(fā)射波束照射到的目標(biāo)點即為用于生成回波數(shù)據(jù)的目標(biāo)點集。
一回波數(shù)據(jù)生成模塊，用于回波數(shù)據(jù)的生成
根據(jù)公式G =[尸咖>0]&[PofiC >0]&[7^ >0]&[^眺<0] 、 7^Sffl^ = {(X,,"，z,)I G}及 7^MfD = U7^57^D2 U…U7MSZ/A ，計算出處在非陰影區(qū)的所有的
目標(biāo)集合為
根據(jù)公式^ = p"-M)，計算出目標(biāo)集合M的回波延時
根據(jù)公式nfel(n^))和AM^A^Ifejw^)},得到目標(biāo)集M的回波數(shù)據(jù)為
=》W-; 其中c,.為目標(biāo)點to,的目標(biāo)強度系數(shù)。
其中，模擬輸出模塊將多通道數(shù)據(jù)同時轉(zhuǎn)換為模擬信號輸出，并可用于合成孔徑 聲納系統(tǒng)全系統(tǒng)測試。
其中，所述系統(tǒng)仿真參數(shù)包括發(fā)射信號的中心頻率、發(fā)射信號的信號帶寬、發(fā) 射信號的脈沖寬度、發(fā)射信號的脈沖重復(fù)周期、回波信號仿真的采樣頻率、發(fā)射陣 孔徑大小、接收子陣孔徑大小、接收子陣的陣元個數(shù)、合成孔徑聲納系統(tǒng)測繪帶起 始位置及合成孔徑聲納系統(tǒng)測繪帶結(jié)束位置。
其中，所述仿真目標(biāo)信息包括目標(biāo)的模型和目標(biāo)位置、目標(biāo)強度信息。對于
點目標(biāo)而言，不用進(jìn)行特別的建模，目標(biāo)信息中只需給出點目標(biāo)的目標(biāo)強度、目標(biāo)
位置等信息；對于面目標(biāo)而言，本發(fā)明中采用三角面元和點混合建模方法。
其中，所述聲納基陣運動信息包括仿真開始時，合成孔徑聲納系統(tǒng)聲納基陣 在坐標(biāo)系中所處的位置和姿態(tài)；仿真時間段中，合成孔徑聲納基陣在坐標(biāo)系中所處 的位置和姿態(tài)；所述聲納基陣的位置和姿態(tài)信息存儲在文件中或者內(nèi)存中。
多子陣合成孔徑聲納系統(tǒng)一般由一個發(fā)射陣和多個接收子陣組成，每個接收子 陣的回波數(shù)據(jù)仿真計算方法類似。發(fā)射基陣發(fā)射聲波以后經(jīng)過各個目標(biāo)反射并經(jīng)過 接收子陣接收和信號放大模塊以后形成原始回波數(shù)據(jù)，在仿真過程中不考慮信號放 大模塊的作用，直接仿真接收子陣接收到的原始回波數(shù)據(jù)。原始回波數(shù)據(jù)與發(fā)射陣 的位置、接收陣的位置以及目標(biāo)位置等因素有關(guān)。有些合成孔徑聲納系統(tǒng)中同時存 在兩個發(fā)射陣，此時接收子陣的原始回波數(shù)據(jù)仿真方法與一個發(fā)射陣的情況類似。 本發(fā)明提供的一種用于多子陣合成孔徑聲納的模擬方法，包括以下步驟(1) 設(shè)定系統(tǒng)的仿真參數(shù)、仿真目標(biāo)信息和聲納基陣運動信息。
(2) 讀取聲納基陣的當(dāng)前位置和姿態(tài)。
(3) 仿真計算模塊根據(jù)輸入的系統(tǒng)仿真參數(shù)、仿真目標(biāo)信息、聲納基陣運動信 息及聲納基陣的當(dāng)前位置和姿態(tài)信息，計算各接收子陣的回波數(shù)據(jù)信號，并將目標(biāo) 回波數(shù)據(jù)信號送入模擬輸出模塊和信號顯示模塊。
(31) 計算發(fā)射波束覆蓋區(qū)域 首先采用橢圓錐近似發(fā)射波束的主瓣形狀，橢圓錐與地平面交線為一橢圓，該
橢圓的兩軸為a和6，假設(shè)^M為聲波束覆蓋的最遠(yuǎn)距離，貝IJ:
其中，A、 "2分別為聲納基陣的方位向開角和垂直向開角，
其次，采用一個多棱錐0/^2...巧逼近橢圓錐并近似發(fā)射波束的主瓣形狀，假設(shè)平 面OAi^的平面方程為
《(4,S,G，李扭勤+Gz+。 =0;
對于目標(biāo)點(;c,。 ，》。，Z,。) 7 如果滿足
> 0] , > 0] &[尸3 > 0] ife…豐> 0];
則目標(biāo)"。,A,z,。)處在發(fā)射波束的照射范圍內(nèi)。
(32) 計算點目標(biāo)回波數(shù)據(jù) 取發(fā)射陣和接收陣中心為隨陣坐標(biāo)系坐標(biāo)原點，在合成孔徑聲納基陣三維運動的
坐標(biāo)系中，平動采用隨陣坐標(biāo)系原點表示；轉(zhuǎn)動采用聲納基陣的方向矢量表示，假 設(shè)聲納基陣與x， y和z軸的夾角為a, p和z，則方向矢量為
d - Lcos " cos P cos ;r j
聲納基陣采用收發(fā)分置的模型，發(fā)射陣和接收陣在發(fā)射時的位置為《《和，
接收時的位置分別為《("A,)和《("AO，點目標(biāo)的位置為S,k. _y,。， ^,]， ^通 過下述方程得到
<formula>formula see original document page 10</formula>
線性距離。
假設(shè)發(fā)射時的波形為p(O，則點目標(biāo)的回波信號為:=一 °
(33) 計算發(fā)射波束照射的目標(biāo)點 首先采用三角面元的陰影區(qū)計算發(fā)射波束照射不到的目標(biāo)點，假設(shè)發(fā)射陣的位置
為0:fe，》,W，其中第!個三角面元P^^形成的陰影區(qū)為^^C，則處在第i個三角面 元形成的陰影區(qū)中的目標(biāo)必然符合下面條件
G = [; > 0] > 0豐OM > 0]豐,,3 < 0；
則第Z個三角面元形成的陰影區(qū)中的目標(biāo)點集合為
T"風(fēng)={(;c,,l，z,)|C,};
則所有三角面元即目標(biāo)形成的陰影區(qū)中的目標(biāo)點集合為
= rj甜A u tms 2 u…u 7V^//A ;
然后將陰影點集合7xwro從目標(biāo)點集中去除后剩余的目標(biāo)點集即為發(fā)射波束照射的 目標(biāo)點，發(fā)射波束照射到的目標(biāo)點即為用于生成回波數(shù)據(jù)的目標(biāo)點集。
(34) 生成回波數(shù)據(jù)
根據(jù)公式G =[尸咖>0]&[尸脫>0]&[/ ^ >0]&[^曙3 <0] 、 T^fflQ = (0',乂,z,) I G}及 7^S//D = 7MS/fZ^ U7^S/^2 U…U7^5//0 ，計算出處在非陰影區(qū)的所有的目 標(biāo)集合為
"={toi|(Hzw)}; 根據(jù)公式^ =/^ —計算出目標(biāo)集合^的回波延時
根據(jù)公式r^似ifejw&》和AM={A|fe，:^,^)}，得到目標(biāo)集M的回波數(shù)據(jù)為
其中c,為目標(biāo)點to,的目標(biāo)強度系數(shù)。 (4)模擬輸出模塊將仿真計算的回波數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換為模擬輸出；同時通過信號 顯示模塊顯示。
本發(fā)明的優(yōu)點在于
1、 本發(fā)明提供的多子陣合成孔徑聲納的模擬系統(tǒng)及方法能同時生成多子陣目標(biāo) 回波信號。
2、 本發(fā)明提供的多子陣合成孔徑聲納的模擬系統(tǒng)及方法可以生成點目標(biāo)和面目 標(biāo)回波信號。
3、 本發(fā)明提供的多子陣合成孔徑聲納的模擬系統(tǒng)及方法可以模擬基陣三維六自 由度運動時的目標(biāo)回波數(shù)據(jù)。
11圖l是本發(fā)明用于多子陣合成孔徑聲納的模擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2是本發(fā)明用于多子陣合成孔徑聲納的模擬方法流程圖3是本發(fā)明實施例目標(biāo)的三角面元表示的圓球圖4是本發(fā)明實施例目標(biāo)的點表示的圓球圖5是本發(fā)明實施例聲程計算示意圖6是本發(fā)明實施例發(fā)射波束示意圖7是本發(fā)明實施例發(fā)射波束與底平面交線示意圖8是本發(fā)明實施例聲納基陣的平動示意圖9是本發(fā)明實施例聲納基陣的轉(zhuǎn)動示意

圖10是本發(fā)明實施例收發(fā)分置延時示意圖11是本發(fā)明實施例基于三角面元的聲線追蹤和陰影區(qū)域計算示意圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明的用于多子陣合成孔徑聲納的模擬系統(tǒng)及方法做 進(jìn)一步闡述。
本實施例用于多子陣合成孔徑聲納的模擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示，包括仿真 計算模塊、模擬輸出模塊及信號顯示模塊。其中，所述仿真計算模塊包括發(fā)射波 束覆蓋區(qū)域計算模塊、點目標(biāo)回波數(shù)據(jù)計算模塊、發(fā)射波束照射的目標(biāo)點計算模塊 和回波數(shù)據(jù)生成模塊。
本實施例用于多子陣合成孔徑聲納的模擬方法的流程，如圖2所示，包括 (1)設(shè)定系統(tǒng)的仿真參數(shù)、仿真目標(biāo)信息和聲納基陣運動信息；
其中，所述系統(tǒng)仿真參數(shù)包括發(fā)射信號的中心頻率、發(fā)射信號的信號帶寬、發(fā) 射信號的脈沖寬度、發(fā)射信號的脈沖重復(fù)周期、回波信號仿真的采樣頻率、發(fā)射陣 孔徑大小、接收子陣孔徑大小、接收子陣的陣元個數(shù)、合成孔徑聲納系統(tǒng)測繪帶起 始位置及合成孔徑聲納系統(tǒng)測繪帶結(jié)束位置。
其中，所述仿真目標(biāo)信息包括目標(biāo)的模型和目標(biāo)位置、目標(biāo)強度信息。對于 點目標(biāo)而言，不用進(jìn)行特別的建模，目標(biāo)信息中只需給出點目標(biāo)的目標(biāo)強度、目標(biāo) 位置等信息；對于面目標(biāo)而言，本發(fā)明中采用三角面元和點混合建模方法。圖3、圖 4中給出了采用三角面元和點對目標(biāo)建模的一個實例。
其中，所述聲納基陣運動信息包括仿真開始時，合成孔徑聲納系統(tǒng)聲納基陣在坐標(biāo)系中所處的位置和姿態(tài)；仿真時間段中，合成孔徑聲納基陣在坐標(biāo)系中所處 的位置和姿態(tài)；所述聲納基陣的位置和姿態(tài)信息存儲在文件中或者內(nèi)存中。
(2) 讀取聲納基陣的當(dāng)前位置和姿態(tài)；
(3) 仿真計算模塊根據(jù)輸入的系統(tǒng)仿真參數(shù)、仿真目標(biāo)信息、聲納基陣運動信 息及聲納基陣的當(dāng)前位置和姿態(tài)信息，計算各接收子陣的回波數(shù)據(jù)信號，并將目標(biāo) 回波數(shù)據(jù)信號送入模擬輸出模塊和信號顯示模塊。
(31) 計算發(fā)射波束覆蓋區(qū)域-
圖5是聲程計算示意圖，為了便于計算，采用橢圓錐近似發(fā)射波束的主瓣形狀。 橢圓錐與地平面交線為一橢圓，其兩軸"和6的長度可以計算出來。假設(shè)"max為聲波 束覆蓋的最遠(yuǎn)距離，貝IJ:
a* l廣max " " 2,max (!)
其中 "1、 "2分別為聲納基陣的方位向開角和垂直向開角，
橢圓錐的解析表達(dá)式求解過程非常繁瑣，因此采用一個多棱錐逼近橢圓錐并近
似發(fā)射波束的主瓣形狀。如圖6、圖7所示，采用棱錐"^2…^近似發(fā)射波束的主瓣 形狀，假設(shè)平面G^^"的平面方程為
f (4,5,, C, ， A) = 4乂 + &少+ C,z + A = 0 (2)
則對于目標(biāo)點(Hz'。)，如果滿足& [尸2 > o]& [尸3 > o]&—& [p > o] (3)
則目標(biāo)"。， ，z'。)處在發(fā)射波束的照射范圍內(nèi)。
(32) 計算點目標(biāo)回波數(shù)據(jù) 取發(fā)射陣和接收陣中心為隨陣坐標(biāo)系坐標(biāo)原點，合成孔徑聲納基陣三維運動的坐
標(biāo)系，如圖8所示，平動對合成孔徑聲納基陣上任意一點是相同的，因此可以采用 隨陣坐標(biāo)系原點來表示；如圖9所示，轉(zhuǎn)動采用聲納基陣的方向矢量來表示，假設(shè) 聲納基陣與h j;和z軸的夾角為"，々和^，則方向矢量為
<5 = [cos a cos〃 cos;k] (4) 聲納基陣采用收發(fā)分置的模型，如圖10所示，發(fā)射陣和接收陣在發(fā)射時的位置 為《(/)和SW，接收時的位置分別為《(f + Af)和+ ，點目標(biāo)的位置為
L ;]，點目標(biāo)回波模型的關(guān)鍵問題即計算A" AZ可以通過求解下述二 次方程來得到。
"Af2 +総+ c = 0 (5) 13其中
6 = (《-^) + 2，- /(A,) + 2r,C
c =
^W)f+2d:)如)
+ AO = cos[or(r + A,) / (> + △,) W + AO] J(,) = C+(,)刷,(,)]
n = (0 - ) + (0—x。,) + k (0—z'。,)
(6)
(7)
(8)
(9)
(10)
(11)
(12)
+ (13) OffSetri和OffSettr是聲納接收陣和聲納發(fā)射陣中心到坐標(biāo)原點的線性距 離(搖臂長度)。
假設(shè)發(fā)射時的波形為;7(0，如果不考慮發(fā)射和接收的指向性，則點目標(biāo)的回波信 號為
sr = / (n) (14)
(33) 計算發(fā)射波束照射的目標(biāo)點
采用三角面元的陰影區(qū)計算發(fā)射波束照射不到的目標(biāo)點。如圖11所示，假設(shè)發(fā)
射陣的位置為0:fe，》，&)，其中第/個三角面元P^^形成的陰影區(qū)為WC，則處在第 i個三角面元形成的陰影區(qū)中的目標(biāo)必然符合下面條件
G = [p脇> o& [尸直> oj & [一 > o] & < o] (15)
則第；個三角面元形成的陰影區(qū)中的目標(biāo)點集合為
7M卿,',j;,，z,)IG) (16) 則所有三角面元即目標(biāo)形成的陰影區(qū)中的目標(biāo)點集合為
7MSffl) = :r必ffl), U7M5kd2 u…ur必叫 (17)
將陰影點集合r必ffl)從目標(biāo)點集中去除后剩余的目標(biāo)點集即發(fā)射波束照射的目標(biāo) 點，發(fā)射波束照射到目標(biāo)點即用于生成回波數(shù)據(jù)的目標(biāo)點集。
(34) 生成回波數(shù)據(jù)
根據(jù)(15)至(17)式可以計算出處在非陰影區(qū)的所有的目標(biāo)集合為
14n歸uw幼》 (18) 根據(jù)(14)式，可以求得目標(biāo)集合M的回波延時
AE4 = {H,;^)} (19) 綜合(18)至(19)式，可得目標(biāo)集M的回波數(shù)據(jù)為
Sf》沐-仏) (20)
其中c,.為目標(biāo)點"的目標(biāo)強度系數(shù)。
(4)模擬輸出模塊將仿真計算的回波數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換為模擬輸出；同時通過信號 顯示模塊顯示。
其中，模擬輸出模塊將多通道數(shù)據(jù)同時轉(zhuǎn)換為模擬信號輸出，并可用于合成孔徑 聲納系統(tǒng)全系統(tǒng)測試。
多子陣合成孔徑聲納系統(tǒng)一般由一個發(fā)射陣和多個接收子陣組成，每個接收子 陣的回波數(shù)據(jù)仿真計算方法類似。發(fā)射基陣發(fā)射聲波以后經(jīng)過各個目標(biāo)反射并經(jīng)過 接收子陣接收和信號放大模塊以后形成原始回波數(shù)據(jù)，在仿真過程中不考慮信號放 大模塊的作用，直接仿真接收子陣接收到的原始回波數(shù)據(jù)。原始回波數(shù)據(jù)與發(fā)射陣 的位置、接收陣的位置以及目標(biāo)位置等因素有關(guān)。有些合成孔徑聲納系統(tǒng)中同時存 在兩個發(fā)射陣，此時接收子陣的原始回波數(shù)據(jù)仿真方法與一個發(fā)射陣的情況類似。
權(quán)利要求
1、一種用于多子陣合成孔徑聲納的模擬系統(tǒng)，其特征在于，所述模擬系統(tǒng)包括一仿真計算模塊，用于根據(jù)輸入的系統(tǒng)仿真參數(shù)、仿真目標(biāo)信息、聲納基陣運動信息及聲納基陣的當(dāng)前位置和姿態(tài)信息，計算目標(biāo)的回波數(shù)據(jù)信號，并將目標(biāo)回波數(shù)據(jù)信號送入模擬輸出模塊和信號顯示模塊；一模擬輸出模塊，用于將目標(biāo)回波數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換為模擬信號輸出；及一信號顯示模塊，用于顯示仿真計算模塊計算得到的目標(biāo)回波數(shù)據(jù)信號。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬系統(tǒng)，其特征在于，所述仿真計算模塊包括 一發(fā)射波束覆蓋區(qū)域計算模塊；一點目標(biāo)回波數(shù)據(jù)計算模塊； 一發(fā)射波束照射的目標(biāo)點計算模塊；和 一回波數(shù)據(jù)生成模塊；所述發(fā)射波束覆蓋區(qū)域計算模塊，用于計算發(fā)射波束覆蓋區(qū)域 首先采用橢圓錐近似發(fā)射波束的主瓣形狀，橢圓錐與地平面交線為一橢圓，該 橢圓的兩軸為fl和6，假設(shè)^^為聲波束覆蓋的最遠(yuǎn)距離，貝lj:<formula>formula see original document page 2</formula>其中"i、 "2分別為聲納基陣的方位向開角和垂直向開角，其次，采用一個多棱錐0^2..冗逼近橢圓錐并近似發(fā)射波束的主瓣形狀，假設(shè)平 面Oi^;+,的平面方程為<formula>formula see original document page 2</formula>對于目標(biāo)點"。,^,z,。)，如果滿足<formula>formula see original document page 2</formula>則目標(biāo)"。,》。,z,。)處在發(fā)射波束的照射范圍內(nèi)；所述點目標(biāo)回波數(shù)據(jù)計算模塊，用于計算點目標(biāo)回波數(shù)據(jù)-取發(fā)射陣和接收陣中心為隨陣坐標(biāo)系坐標(biāo)原點，在合成孔徑聲納基陣三維運動的坐標(biāo)系中，平動采用隨陣坐標(biāo)系原點表示；轉(zhuǎn)動釆用聲納基陣的方向矢量表示，假 設(shè)聲納基陣與x， y和z軸的夾角為a,"和y，則方向矢量為<formula>formula see original document page 2</formula>聲納基陣采用收發(fā)分置的模型，發(fā)射陣和接收陣在發(fā)射時的位置為e(o和《w，接收時的位置分別為《("AO和S("AO，點目標(biāo)的位置為《,=[& 乂。， Z,」，Af通 過下述方程得到<formula>formula see original document page 2</formula>其中，"4，-C2) ; "2，^-^) + 2f-iT(A,) + 2^:;+ AO = cos[or(/+ △/) 外+ A/) ;<"△,)]; = cos [a (,) y(O];n =V(^(0 — ^)2+(>V(0 — A )2+(z ^) — zto)2 ; ~ = V^(0 + 乂(0 + 4(/);其中，OffSeU和OffSeW是分別是聲納接收陣、聲納發(fā)射陣中心到坐標(biāo)原點的 線性距離；假設(shè)發(fā)射時的波形為ao，則點目標(biāo)的回波信號為= 一 AO ;所述發(fā)射波束照射的目標(biāo)點計算模塊，用于計算發(fā)射波束照射的目標(biāo)點 首先采用三角面元的陰影區(qū)計算發(fā)射波束照射不到的目標(biāo)點，假設(shè)發(fā)射陣的位置 為0:(&》,z。，其中第,個三角面元K,KA形成的陰影區(qū)為朋C，則處在第i個三角面 元形成的陰影區(qū)中的目標(biāo)必然符合下面條件C, = [; 〉0] &[P0SC >0]豐OM > 0] &[尸,3 <0]; 則第, 個三角面元形成的陰影區(qū)中的目標(biāo)點集合為貝,有三角面元即目標(biāo)形成的陰影區(qū)中的目標(biāo)點集合為-然后將陰影點集合MS/ro從目標(biāo)點集中去除后剩余的目標(biāo)點集即為發(fā)射波束照射的 目標(biāo)點，發(fā)射波束照射到的目標(biāo)點即為用于生成回波數(shù)據(jù)的目標(biāo)點集；所述回波數(shù)據(jù)生成模塊，用于回波數(shù)據(jù)的生成根據(jù)公式G =[尸鵬>0J&[fOflC X)]&[尸m >0]&[尸關(guān)化<0] 、 T^SHD, = (0,，乂,z,) Ig}及rAs/fZ) = w57/a ur^s7/z)2 u...ut^s//a ，計算出處在非陰影區(qū)的所有的目標(biāo)集合為根據(jù)公式^ ，計算出目標(biāo)集合M的回波延時根據(jù)公式 ^=扭Ife,j^,;))和AZ^={A Ife,&,&》，得到目標(biāo)集的回波數(shù)據(jù)為其中c,為目標(biāo)點to,的目標(biāo)強度系數(shù)。
3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)仿真參數(shù)包括發(fā)射信號的中心頻率、發(fā)射信號的信號帶寬、發(fā)射信號的脈沖寬度、發(fā)射信號的脈沖重復(fù)周期、回波信號仿真的采樣頻率、發(fā)射陣孔徑大小、接收子陣孔徑大小、接收子 陣的陣元個數(shù)、合成孔徑聲納系統(tǒng)測繪帶起始位置及合成孔徑聲納系統(tǒng)測繪帶結(jié)束 位置。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬系統(tǒng)，其特征在于，所述仿真目標(biāo)信息包括目 標(biāo)的模型和目標(biāo)位置、目標(biāo)強度信息。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬系統(tǒng)，其特征在于，所述聲納基陣運動信息包括-仿真開始時，合成孔徑聲納系統(tǒng)聲納基陣在坐標(biāo)系中所處的位置和姿態(tài)；仿真時間 段中，合成孔徑聲納基陣在坐標(biāo)系中所處的位置和姿態(tài)；所述聲納基陣的位置和姿 態(tài)信息存儲在文件中或者內(nèi)存中。
6、 一種用于多子陣合成孔徑聲納的模擬方法，該方法包括以下步驟(1) 設(shè)定系統(tǒng)的仿真參數(shù)、仿真目標(biāo)信息和聲納基陣運動信息；(2) 讀取聲納基陣的當(dāng)前位置和姿態(tài)；(3) 仿真計算模塊根據(jù)輸入的系統(tǒng)仿真參數(shù)、仿真目標(biāo)信息、聲納基陣運動信 息及聲納基陣的當(dāng)前位置和姿態(tài)信息，計算各接收子陣的回波數(shù)據(jù)信號，并將目標(biāo) 回波數(shù)據(jù)信號送入模擬輸出模塊和信號顯示模塊(4) 模擬輸出模塊將仿真計算的回波數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換為模擬輸出；同時通過信號 顯示模塊顯示。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的模擬方法，其特征在于，所述步驟(3)進(jìn)一步包括以下子步驟(31)計算發(fā)射波束覆蓋區(qū)域 首先采用橢圓錐近似發(fā)射波束的主瓣形狀，橢圓錐與地平面交線為一橢圓，該 橢圓的兩軸為fl和6，假設(shè)^^為聲波束覆蓋的最遠(yuǎn)距離，貝U:asAQax 6 /max ; 其中",、^分別為聲納基陣的方位向開角和垂直向開角，其次，采用一個多棱錐0^,2..., 逼近橢圓錐并近似發(fā)射波束的主瓣形狀，假設(shè)平 面<9巧/^的平面方程為《(4，S，G，Q)二扭4y+Gz+Q =0;對于目標(biāo)點^ 如果滿足[i^0]豐>0]豐>0]1豐 >0];則目標(biāo)Oc,。，》。，z,。)處在發(fā)射波束的照射范圍內(nèi)；(32) 計算點目標(biāo)回波數(shù)據(jù) 取發(fā)射陣和接收陣中心為隨陣坐標(biāo)系坐標(biāo)原點，在合成孔徑聲納基陣三維運動的坐標(biāo)系中，平動釆用隨陣坐標(biāo)系原點表示；轉(zhuǎn)動采用聲納基陣的方向矢量表示，假 設(shè)聲納基陣與x， y和z軸的夾角為"，/ 和z，則方向矢量為d = [COS "COS COS yj聲納基陣采用收發(fā)分置的模型，發(fā)射陣和接收陣在發(fā)射時的位置為《(o和sw，接收時的位置分別為《("AO和S("Af)，點目標(biāo)的位置為《,k. y,。， Z,a,.]， &通 過下述方程得到aA/2 + 6Af + c = 0 J中，4T-C2〔 ； "2C) + 2f如)+ 2r,C; c = I,(△《+ 2(《—S,)'乂(AO ; /(△/) = . x + △/) — Oi/Se, ,r x J(O ; += W + ")]; i"(0 = cos[a(0/ (/) z(/)];n = V(斗(o一&)2+oao—k,)2+ofr(,)_zto,)2; ~ = aK") + ^) + 4(0 ;其中，OffSetH和OffSettr是分別是聲納接收陣、聲納發(fā)射陣中心到坐標(biāo)原點的 線性距離；假設(shè)發(fā)射時的波形為/K0 ，則點目標(biāo)的回波信號為- sr = - ;(33) 計算發(fā)射波束照射的目標(biāo)點首先采用三角面元的陰影區(qū)計算發(fā)射波束照射不到的目標(biāo)點，假設(shè)發(fā)射陣的位置為0:^,》，&)，其中第Z個三角面元^^3形成的陰影區(qū)為」5C，則處在第i個三角面 元形成的陰影區(qū)中的目標(biāo)必然符合下面條件G =[; >0]&[尸《^ >0]豐,3 <0];則第,個三角面元形成的陰影區(qū)中的目標(biāo)點集合為7^S風(fēng)={"，_y,,z,)|C,};則所有三角面元即目標(biāo)形成的陰影區(qū)中的目標(biāo)點集合為然后將陰影點集合r^ffl 從目標(biāo)點集中去除后剩余的目標(biāo)點集即為發(fā)射波束照射的目標(biāo)點，發(fā)射波束照射到的目標(biāo)點即為用于生成回波數(shù)據(jù)的目標(biāo)點集；(34) 生成回波數(shù)據(jù)根據(jù)公式G =[尸咖>0]&[尸匿>0]&[/^>0]&[&顯3 <0] 、 T^SHD, = {(x,,_y,,z,)| G〕及 7^S//D = WSi/A U7^Si/D2 U…U7MS/fA ，計算出處在非陰影區(qū)的所有的目 標(biāo)集合為7^ = telfeUto)}; 根據(jù)公式^ = i7(,-AO ，計算出目標(biāo)集合7>/的回波延時根據(jù)公式 ^扭lfe，;^,;》和AK4={A^|feuto)}，得到目標(biāo)集M的回波數(shù)據(jù)為 其中A為目標(biāo)點to,的目標(biāo)強度系數(shù)。
8、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的模擬方法，其特征在于，所述系統(tǒng)仿真參數(shù)包括發(fā)射 信號的中心頻率、發(fā)射信號的信號帶寬、發(fā)射信號的脈沖寬度、發(fā)射信號的脈沖重 復(fù)周期、回波信號仿真的采樣頻率、發(fā)射陣孔徑大小、接收子陣孔徑大小、接收子 陣的陣元個數(shù)、合成孔徑聲納系統(tǒng)測繪帶起始位置及合成孔徑聲納系統(tǒng)測繪帶結(jié)束 位置。
9、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的模擬方法，其特征在于，所述仿真目標(biāo)信息包括目 標(biāo)的模型和目標(biāo)位置、目標(biāo)強度信息。
10、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的模擬方法，其特征在于，所述聲納基陣運動信息包括 仿真開始時，合成孔徑聲納系統(tǒng)聲納基陣在坐標(biāo)系中所處的位置和姿態(tài)；仿真時間 段中，合成孔徑聲納基陣在坐標(biāo)系中所處的位置和姿態(tài)；所述聲納基陣的位置和姿 態(tài)信息存儲在文件中或者內(nèi)存中。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于多子陣合成孔徑聲納的模擬系統(tǒng)及方法。該系統(tǒng)包括仿真計算模塊、模擬輸出模塊及信號顯示模塊。其中，所述仿真計算模塊包括發(fā)射波束覆蓋區(qū)域計算模塊、點目標(biāo)回波數(shù)據(jù)計算模塊、發(fā)射波束照射的目標(biāo)點計算模塊和回波數(shù)據(jù)生成模塊。該方法步驟包括(1)設(shè)定系統(tǒng)的仿真參數(shù)、仿真目標(biāo)信息和聲納基陣運動信息；(2)讀取聲納基陣的當(dāng)前位置和姿態(tài)；(3)計算各接收子陣的回波數(shù)據(jù)；(4)將仿真計算的回波數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬輸出(通過DA板)。本發(fā)明的系統(tǒng)及方法可以同時生成多子陣目標(biāo)回波信號、點目標(biāo)和面目標(biāo)回波信號、模擬基陣三維六自由度運動時的目標(biāo)回波數(shù)據(jù)，完成實驗室中對合成孔徑聲納系統(tǒng)的全系統(tǒng)調(diào)試。
文檔編號G01S7/52GK101650427SQ200810224788
公開日2010年2月17日 申請日期2008年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月26日
發(fā)明者維 劉, 劉紀(jì)元, 張春華 申請人:中國科學(xué)院聲學(xué)研究所