多态势主动式声纳诱饵发生方法及系统与流程

1.本发明涉及水声工程技术领域，具体地，涉及一种多态势主动式声纳诱饵发生方法及系统。


背景技术：

2.对于辐射电磁波或声波能力弱的目标而言，雷达或声纳通过发射大功率电磁波或声波，利用目标散射的电磁波、声波信号对其进行探测与识别。为了对抗雷达或声纳探测的需求，人们提出了可以模拟目标电磁波、声波散射特性的主动式诱饵技术。相对于主动式雷达诱饵而言，主动式声纳诱饵技术起步较晚、较为落后。
3.目前，主动式声纳诱饵工作模式以固定增益和时延转发为主，其中增益和时延是根据粗糙的经验公式或者亮点模型计算得到的。然而，水下目标的声散射特性随着声波入射方位变化，即增益与时延是声波入射方位的函数，现有主动式声纳诱饵只能模拟水下目标在单一态势下的回波，容易被对方主动声纳识别，或者，能够形成一定的模拟尺度回波，但是无法精细化的模拟水下目标散射回波。
4.目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。


技术实现要素：

5.本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种多态势主动式声纳诱饵发生方法及系统。
6.根据本发明的一个方面，提供了一种多态势主动式声纳诱饵发生方法，包括：
7.采用基于物理声学的时域板块元方法计算预定目标的不同方位散射声场冲激响应；
8.将对方自导鱼雷探测信号作为我方声纳诱饵的输入信号，将所述我方声纳诱饵的输入信号与预定目标的不同方位散射声场冲激响应进行卷积，得到初步的声纳诱饵输出信号；
9.对所述初步的声纳诱饵输出信号进行模拟，生成模拟的声纳诱饵输出信号，并在所述我方声纳诱饵的输入信号中滤除所述声纳诱饵输出信号，得到理想的输入信号；
10.将所述理想的输入信号与所述预定目标的不同方位散射声场冲激响应进行卷积，得到理想的声纳诱饵输出信号；
11.重复上述步骤，持续输出理想的声纳诱饵输出信号，得到多态势主动式声纳诱饵。
12.优选地，所述采用基于物理声学的时域板块元方法计算预定目标的不同方位散射声场冲激响应，包括：
13.采用一组平面板块元近似目标曲面，获取入射声波照亮目标区域内的每个板块元的散射声场冲激响应，对入射声波照亮目标区域内的每个板块元的散射声场冲激响应进行叠加，即得到预定目标散射声场冲激响应的近似值。
14.优选地，对于第m个所述板块元，其散射声场冲激响应p
s,m
(t)为：
[0015][0016]
其中，-为软声场边界； 为硬声场边界；a为；为软声场边界； 为硬声场边界；a为；为入射波矢量，为出射波矢量，为单位法向量，k为声波波数；均是板块元逆时针方向的边矢量；均是板块元逆时针方向的边矢量；为场点；si为单位冲激响应，t为时间。
[0017]
优选地，采用自适应滤波器，对所述初步的声纳诱饵输出信号进行模拟，生成模拟的声纳诱饵输出信号。
[0018]
优选地，所述自适应滤波器，采用最小均方算法，以最小化评价函数j(n)为目标对滤波器系数进行调整，则：
[0019]
j(n)＝e[e2(n)]
[0020]
其中，n为时间点，e[
·
]为数学期望。
[0021]
优选地，所述方法，还包括，对得到的所述多态势主动式声纳诱饵进行实时转发。
[0022]
根据本发明的另一个方面，提供了一种多态势主动式声纳诱饵发生系统，包括：
[0023]
目标散射声场冲激响应模块，该模块采用基于物理声学的时域板块元方法计算预定目标的不同方位散射声场冲激响应；
[0024]
初步声纳诱饵信号生成模块，该模块将对方自导鱼雷探测信号作为我方声纳诱饵的输入信号，将所述我方声纳诱饵的输入信号与预定目标的不同方位散射声场冲激响应进行卷积，得到初步的声纳诱饵输出信号；
[0025]
回声隔离模块，该模块对所述初步的声纳诱饵输出信号进行模拟，生成模拟的声纳诱饵输出信号，并在所述我方声纳诱饵的输入信号中滤除所述声纳诱饵输出信号，得到理想的输入信号；
[0026]
多态势主动式声纳诱饵生成模块，将所述理想的输入信号与所述预定目标的不同方位散射声场冲激响应进行卷积，得到理想的声纳诱饵输出信号，获得多态势主动式声纳诱饵。
[0027]
优选地，所述目标散射声场冲激响应模块，采用一组平面板块元近似目标曲面，获取入射声波照亮目标区域内的每个板块元的散射声场冲激响应，对入射声波照亮目标区域内的每个板块元的散射声场冲激响应进行叠加，即得到预定目标散射声场冲激响应的近似值，模拟所述预定目标的回声特性。
[0028]
优选地，所述初步声纳诱饵信号生成模块，包括：
[0029]
多通道a/d单元，该单元采用ni compactrio嵌入式测控平台的采集模块将所述对方自导鱼雷探测信号由模拟信号转为数字信号；
[0030]
预成多波束单元，该单元用于判断所述对方自导鱼雷探测信号的来波方向；
[0031]
初步声纳诱饵生成单元，该单元将所述我方声纳诱饵的输入信号与预定目标的不同方位散射声场冲激响应进行卷积，得到初步的声纳诱饵输出信号。
[0032]
优选地，所述回声隔离模块，包括：
[0033]
信号模拟单元，该单元采用自适应滤波器，对所述初步的声纳诱饵输出信号进行模拟，生成模拟的声纳诱饵输出信号；
[0034]
回声抵消单元，该单元在所述我方声纳诱饵的输入信号中滤除所述声纳诱饵输出信号，得到理想的输入信号。
[0035]
优选地，所述多态势主动式声纳诱饵生成模块，包括：
[0036]
理想声纳诱饵生成单元，该单元将所述理想的输入信号与所述预定目标的不同方位散射声场冲激响应进行卷积，得到理想的声纳诱饵输出信号；
[0037]
d/a转换单元，该单元采用ni compactrio嵌入式测控平台的输出模块将所述理想的声纳诱饵输出信号由数字信号转为模拟信号，即得到多态势主动式声纳诱饵。
[0038]
优选地，所述初步声纳诱饵生成单元、回声抵消单元和理想声纳诱饵生成单元采用一个共用的fpga编程器。
[0039]
由于采用了上述技术方案，本发明与现有技术相比，具有如下至少一项的有益效果：
[0040]
本发明提供的多态势主动式声纳诱饵发生方法及系统，通过实时生成对方探测信号的回波信号为对方提供一个假目标，起到掩护我方舰艇为逃离争取时间的作用，从而实现用最小代价规避较大损失。
[0041]
本发明提供的多态势主动式声纳诱饵发生方法及系统，基于水下目标多态势散射特性，可以模拟不同方位声波入射情况下目标散射声波，提高诱骗效果。
[0042]
本发明提供的多态势主动式声纳诱饵发生方法及系统，以计算更为精确的物理声学方法代替传统的经验公式或者亮点模型计算不同方位散射声场冲激响应，根据多通道相控阵技术确定声波入射方向，利用fpga技术实时生成转发信号，引入回声抵消技术提高发射/接收隔离度。
附图说明
[0043]
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0044]
图1为本发明一实施例中多态势主动式声纳诱饵发生方法流程图。
[0045]
图2为本发明一实施例中多态势主动式声纳诱饵发生系统组成模块示意图。
[0046]
图3为本发明一优选实施例中多态势主动式声纳诱饵发生系统工作示意图。
[0047]
图4为本发明一优选实施例中板块元示意图。
[0048]
图5为本发明一优选实施例中多态势主动式声纳诱饵发生系统连接框图。
[0049]
图6为本发明一优选实施例中典型自适应滤波器的结构。
[0050]
图7为本发明一优选实施例中自适应滤波器的系统识别过程示意图。
[0051]
图8为本发明一优选实施例中fir自适应滤波器示意图。
[0052]
图9为本发明一优选实施例中fpga模块示意图。
[0053]
图10为本发明一优选实施例中本系统功能模块框图。
[0054]
图11为本发明一具体应用实例中我方声纳诱饵的响应信号d(n)波形图。
[0055]
图12为本发明一具体应用实例中我方声纳诱饵模拟回声信号y(n)波形图。
[0056]
图13为本发明一具体应用实例中理想的我方声纳诱饵输入信号x(n)波形图。
[0057]
图14为本发明一具体应用实例中预定目标示意图。
[0058]
图15为本发明一具体应用实例中预定目标正横方位的我方声纳诱饵输出信号波形图。
[0059]
图16为本发明一具体应用实例中预定目标艏部方位的我方声纳诱饵输出信号波形图。
[0060]
图17为本发明一具体应用实例中预定目标艏部方位的我方声纳诱饵输出信号波形图。
具体实施方式
[0061]
下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
[0062]
图1为本发明一实施例提供的多态势主动式声纳诱饵发生方法流程图。
[0063]
如图1所示，该实施例提供的多态势主动式声纳诱饵发生方法，可以包括如下步骤：
[0064]
s100，采用基于物理声学的时域板块元方法计算预定目标的不同方位散射声场冲激响应；
[0065]
s200，将对方自导鱼雷探测信号作为我方声纳诱饵的输入信号，将我方声纳诱饵的输入信号与预定目标的不同方位散射声场冲激响应进行卷积，得到初步的声纳诱饵输出信号；
[0066]
s300，对初步的声纳诱饵输出信号进行模拟，生成模拟的声纳诱饵输出信号，并在我方声纳诱饵的输入信号中滤除声纳诱饵输出信号，得到理想的输入信号；
[0067]
s400，将理想的输入信号与预定目标的不同方位散射声场冲激响应进行卷积，得到理想的声纳诱饵输出信号；
[0068]
s500，重复步骤s100～s400，持续输出理想的声纳诱饵输出信号，得到多态势主动式声纳诱饵。
[0069]
在该实施例的s100中，作为一优选实施例，采用基于物理声学的时域板块元方法计算预定目标的不同方位散射声场冲激响应，可以包括如下步骤：
[0070]
采用一组平面板块元近似目标曲面，获取入射声波照亮目标区域内的每个板块元的散射声场冲激响应，对入射声波照亮目标区域内的每个板块元的散射声场冲激响应进行叠加，即得到预定目标散射声场冲激响应的近似值。
[0071]
在该实施例的s100中，作为一优选实施例，对于第m个板块元，其散射声场冲激响应p
s,m
(t)可以为：
[0072][0073]
其中，-为软声场边界； 为硬声场边界；a为；为软声场边界； 为硬声场边界；a为；为入射波矢量，为出射波矢量，为单位法向量，k为声波波数；均是板块元逆时针方向的边矢量；均是板块元逆时针方向的边矢量；为场点；si为单位冲激响应，t为时间。
[0074]
在该实施例的s300中，作为一优选实施例，可以采用自适应滤波器，对初步的声纳诱饵输出信号进行模拟，生成模拟的声纳诱饵输出信号。
[0075]
在该实施例的s300中，作为一优选实施例，自适应滤波器，可以采用最小均方算法，以最小化评价函数j(n)为目标对滤波器系数进行调整，则：
[0076]
j(n)＝e[e2(n)]
[0077]
其中，n为时间点，e[
·
]为数学期望。
[0078]
在该实施例中，作为一优选实施例，该方法还可以包括如下步骤：
[0079]
对得到的多态势主动式声纳诱饵进行实时转发。
[0080]
在本发明部分实施例中：
[0081]
将我方接收的敌方自导鱼雷探测信号作为输入信号x(n)，将该激励信号x(n)通过自适应滤波器，即完成输入信号x(n)与预定目标的不同方位散射声场冲激响应的卷积运算，得到理想的声纳诱饵输出信号y(n)。而我方接收的敌方自导鱼雷探测信号x(n)和我方声纳诱饵输出的诱骗信号y(n)的混叠信号，即为我方声纳诱饵的响应信号d(n)。自适应滤波器的作用就是尽量模拟出回声信号y(n)，并将其从d(n)中消除，得到理想的输入信号x(n)。其中，通过自适应滤波器调整滤波器系数以最小化误差信号e(n)。
[0082]
我方接收的敌方自导鱼雷探测信号即为我方声纳诱饵的输入信号；将我方声纳诱饵的激励信号与预定目标的不同方位散射声场冲激响应进行卷积，并滤除我方声纳诱饵输出信号对我方声纳诱饵输入信号的影响，产生我方声纳诱饵的假目标，从而迷惑敌方。
[0083]
该实施例提供的多态势主动式声纳诱饵发生方法，可以模拟不同方位声波入射情况下目标散射声波作为假目标，从而提高诱骗效果。将敌方自导鱼雷探测信号作为我方声纳诱饵的输入信号，将该输入信号与预定目标的不同方位散射声场冲激响应进行卷积，得到理想的声纳诱饵输出信号。其中，采用基于物理声学的时域板块元方法计算预定目标的不同方位散射声场冲激响应，获得目标的回声特性。然而，该输出的诱骗信号会与敌方自导鱼雷探测信号发生混叠，使我方声纳诱饵输入信号产生畸变，故采用回声隔离技术，对我方畸变的声纳诱饵输入信号进行实时滤波，并在实时滤波的同时进行自反馈抑制，以抵消我方输出信号对我方输入信号的影响。利用fpga实时转发输出信号，以此作为假目标来迷惑对方。本发明通过实时生成对方探测信号的回波信号为对方提供一个假目标，起到掩护我方舰艇为逃离争取时间的作用，从而实现用最小代价规避较大损失。
[0084]
图2为本发明一实施例提供的多态势主动式声纳诱饵发生系统的组成模块示意图。
[0085]
如图2所示，该实施例提供的多态势主动式声纳诱饵发生系统，可以包括如下模块：
[0086]
目标散射声场冲激响应模块，该模块采用基于物理声学的时域板块元方法计算预定目标的不同方位散射声场冲激响应；
[0087]
初步声纳诱饵信号生成模块，该模块将对方自导鱼雷探测信号作为我方声纳诱饵的输入信号，将我方声纳诱饵的输入信号与预定目标的不同方位散射声场冲激响应进行卷积，得到初步的声纳诱饵输出信号；
[0088]
回声隔离模块，该模块对初步的声纳诱饵输出信号进行模拟，生成模拟的声纳诱饵输出信号，并在我方声纳诱饵的输入信号中滤除声纳诱饵输出信号，得到理想的输入信号；
[0089]
多态势主动式声纳诱饵生成模块，将理想的输入信号与预定目标的不同方位散射声场冲激响应进行卷积，得到理想的声纳诱饵输出信号，获得多态势主动式声纳诱饵。
[0090]
在该实施例中，作为一优选实施例，目标散射声场冲激响应模块，可以采用一组平面板块元近似目标曲面，获取入射声波照亮目标区域内的每个板块元的散射声场冲激响应，对入射声波照亮目标区域内的每个板块元的散射声场冲激响应进行叠加，即得到预定目标散射声场冲激响应的近似值，模拟预定目标的回声特性。
[0091]
在该实施例中，作为一优选实施例，初步声纳诱饵信号生成模块，可以包括如下单元：
[0092]
多通道a/d单元，该单元采用ni compactrio嵌入式测控平台的采集模块将对方自导鱼雷探测信号由模拟信号转为数字信号；
[0093]
预成多波束单元，该单元用于判断对方自导鱼雷探测信号的来波方向；
[0094]
初步声纳诱饵生成单元，该单元将我方声纳诱饵的输入信号与预定目标的不同方位散射声场冲激响应进行卷积，得到初步的声纳诱饵输出信号。
[0095]
在该实施例中，作为一优选实施例，回声隔离模块，可以包括如下单元：
[0096]
信号模拟单元，该单元采用自适应滤波器，对初步的声纳诱饵输出信号进行模拟，生成模拟的声纳诱饵输出信号；
[0097]
回声抵消单元，该单元在我方声纳诱饵的输入信号中滤除声纳诱饵输出信号，得到理想的输入信号。
[0098]
在该实施例中，作为一优选实施例，多态势主动式声纳诱饵生成模块，可以包括如下单元：
[0099]
理想声纳诱饵生成单元，该单元将理想的输入信号与预定目标的不同方位散射声场冲激响应进行卷积，得到理想的声纳诱饵输出信号；
[0100]
d/a转换单元，该单元采用ni compactrio嵌入式测控平台的输出模块将理想的声纳诱饵输出信号由数字信号转为模拟信号，即得到多态势主动式声纳诱饵。
[0101]
在该实施例中，作为一优选实施例，初步声纳诱饵生成单元、回声抵消单元和理想声纳诱饵生成单元可以采用一个共用的fpga编程器。
[0102]
需要说明的是，本发明提供的方法中的步骤，可以利用系统中对应的模块、装置、
单元等予以实现，本领域技术人员可以参照方法的技术方案实现系统的组成，即，方法中的实施例可理解为构建系统的优选例，在此不予赘述。
[0103]
水下目标的声散射特性随着声波入方位变化，即增益与时延是声波入射方位的函数，现有主动式声纳诱饵只能模拟水下目标在单一态势下的回波，容易被敌方主动声纳识别。因此，本发明上述实施例提供的多态势主动式声纳诱饵发生方法及系统，可以理解为主要包括两部分，其中，第一部分为目标散射声场冲激响应模拟，即采用精确的物理声学方法代替传统的经验公式或者亮点模型计算不同方位散射声场冲激响应；第二部分为主动式声纳诱饵转发信号实时输出，其中引入回波消除技术来提高发射/接收隔离度，如图3所示。其中：
[0104]
第一部分：采用基于物理声学的时域板块元方法计算预定目标的不同方位散射声场冲激响应。
[0105]
第二部分：将对方自导鱼雷探测信号作为我方声纳诱饵的输入信号，将我方声纳诱饵的输入信号与预定目标的不同方位散射声场冲激响应进行卷积，得到初步的声纳诱饵输出信号；对初步的声纳诱饵输出信号进行模拟，生成模拟的声纳诱饵输出信号，并在我方声纳诱饵的输入信号中滤除声纳诱饵输出信号，得到理想的输入信号；将理想的输入信号与预定目标的不同方位散射声场冲激响应进行卷积，得到理想的声纳诱饵输出信号；
[0106]
通过第一部分和第二部分，持续输出理想的声纳诱饵输出信号，得到多态势主动式声纳诱饵。
[0107]
下面结合附图，对本发明上述实施例提供的多态势主动式声纳诱饵发生方法及系统的技术方案进一步详细描述如下。
[0108]
一、目标散射声场冲激响应
[0109]
采用基于物理声学方法的时域板块元方法计算预定目标的不同方位散射声场冲激响应，具体方法如下：
[0110]
用一组平面板块元近似目标曲面，求出亮区内每个板块元的散射声场冲激响应，对亮区内所有板块元的散射声场冲激响应求和得到目标散射声场冲激响应的近似值，从而得到目标的回声特性。第m个板块元如图4所示，其远场散射声场为：
[0111][0112]
其中，-为软声场边界； 为硬声场边界；a为；为软声场边界； 为硬声场边界；a为；为入射波矢量，为出射波矢量，为单位法向量，k为声波波数；均是板块元逆时针方向的边矢量；均是板块元逆时针方向的边矢量；为场点；si为单位冲激响应，t为时间。
[0113]
二、主动式声纳诱饵转发信号实时输出
[0114]
这一部分主要功能是对采集到的输入信号实时滤波并输出。此外，在实时滤波的
同时可开启系统自反馈抑制，以抵消自身输出对输入信号的影响，其中系统连接如图5所示。
[0115]
在该部分中，发生系统可以选择如下硬件，并实现相应的发生方法中的步骤。
[0116]
1、系统硬件
[0117]
系统选择了ni compactrio嵌入式测控平台，ni crio平台为工业与嵌入式控制应用提供所需的高性能与高可靠性以及自定制的灵活性。ni compactrio提供了一个开放的嵌入式架构，包括内置的嵌入式实时控制器、可编程fpga以及可热插拔的i/o模块。ni compactrio的rio(fpga)核心内置数据传输机制，负责把数据传到嵌入式处理器以进行实时分析、数据处理、数据记录或与联网主机通信。利用labview fpga基本的i/o功能，信号采集和输出可直接在硬件层面进行，实时控制器稳定性高。
[0118]
系统的硬件配置为crio 9033 ni 9215 ni 9269，且ni 9215安插在机箱slot1，ni 9269安装在机箱slot2。如更改控制器或板卡，需要重新编译fpga程序。采用9v-30v的直流电源，用网线或usb连接pc-crio机箱。具体介绍如下：
[0119]
(a)控制器(crio-9033)
[0120]
crio-9033是一款适用于高级控制和监控应用的嵌入式控制器。控制器搭载fpga和运行ni linux real time操作系统的实时处理器，嵌入式用户界面功能和mini displayport可允许添加本地人机界面(hmi)以简化应用程序开发。这款坚固的无风扇控制器提供了sdhc插槽和各种连接端口，包括两个千兆以太网、两个usb主机、一个usb设备和两个串行端口。
[0121]
·
1.33ghz双核cpu
[0122]
·
2gb dram
[0123]
·
8gb存储容量
[0124]
·
kintex-7 160t fpga
[0125]
实时滤波器和系统自反馈抑制算法运行在fpga内：
[0126]
·
大容量的可编程逻辑阵列，40mhz基准时钟，可满足复杂的高速并行处理要求(fpga处理器具备天生并行的处理能力，因而适用于mimo多通道控制算法，并不会降低应用的整体性能和确定性)。
[0127]
·
以25ns时间分辨率执行定时、触发和自定义控制循环，实现高确定、高可靠性的硬件决策
[0128]
·
fpga直接与i/o模块互连。可进行高速的数据采集、计算和控制操作，本系统i/o速度可达100khz
[0129]
(b)采集模块(ni-9215)
[0130]
ni 9215作为4通道c系列电压信号采集模块，技术指标如表1。
[0131]
表1电压采集卡9215主要技术指标
[0132]
差分输入通道数4通道同步输入采样率100ks/s/ch模拟输入分辨率16bits最大电压范围
±
10v隔离通道-接地隔离
[0133]
(c)输出模块(ni-9269)
[0134]
ni 9269用于compactrio的同步更新模拟输出模块，技术指标如表2：
[0135]
表2电压输出卡9269主要技术指标
[0136]
差分输出通道数4每通道同步采样率100ks/s/ch模拟输入分辨率16bits最大电压范围
±
10v隔离通道间隔离
[0137]
ni compactrio是专为严酷环境和狭小区域条件下的应用而设计的。在很多类似的嵌入式应用中，尺寸、重量和i/o通道的密度，都是关键性设计需求。借助于fpga设备的顶尖的性能和小巧规格，ni compactrio不仅拥有顶级工业认证和评级的轻巧坚固式封装，并能在严酷工业环境下提供超凡的控制和采集功能。ni compactrio具有-40℃至70℃的宽广工作温度范围，50g冲击评级，以及各类安全、电磁兼容性(emc)和环境指标的国际认证和评级。
[0138]
二、技术方案的工作原理
[0139]
本发明上述实例中的技术方案主要由系统自反馈传递关系辨识和fpga实时转发两部分组成。在实时转发前要显先获取系统发射-接收的自反馈传递关系，即我方声诱饵系统自身的传递响应关系。
[0140]
(a)自反馈传递关系辨识
[0141]
自反馈传递关系辨识的目的是利用系统自身产生的激励信号和响应信号建立系统自身输出-输入的数学模型。图8给出了使用自适应滤波器的系统识别过程。其中，x(n)是激励信号，d(n)是我们要辨识系统的响应信号。y(n)是自适应滤波器的输出信号。e(n)是表示d(n)和y(n)之间的差的误差信号。
[0142]
在每次迭代期间，自适应滤波器调整滤波器系数以最小化e(n)的功率。最终，e(n)的幂变小，并且自适应滤波器的系数变得接近系统自反馈的系数h(n)。
[0143]
自适应滤波器是指根据环境参数的改变，使用自适应算法来改变滤波器的参数和结构的滤波器。而自适应滤波器的系数是由自适应算法更新的时变系数。即其系数根据信号的迭代自动连续地适应于给定信号，以获得期望响应。自适应滤波器的最重要的特征就在于它能够在未知环境中有效工作，并能够跟踪输入信号的时变特征。典型自适应滤波器的结构如图6所示。
[0144]
·
x(n)是输入信号；
[0145]
·
y(n)是输出信号；
[0146]
·
d(n)是期望输出信号；
[0147]
·
e(n)是误差信号为期望输出信号d(n)与滤波器输出信号y(n)的差值。
[0148]
在本发明上述实施例中，采用了一种自适应滤波器，如图7所示。在图7中，自适应算法迭代地调整线性滤波器的系数，以最小化e(n)。对于不同的应用，可以通过不同的方式选择输入和输出信号x(n)，d(n)，y(n)和e(n)。
[0149]
传统数字滤波器和自适应滤波器之间的区别：
[0150]
·
传统的数字滤波器只有一个输入信号x(n)和一个输出信号y(n)。自适应滤波器
需要附加的输入信号d(n)，并返回附加的输出信号e(n)。
[0151]
·
传统数字滤波器的滤波器系数不会随时间变化,自适应滤波器的系数随时间变化。因此，自适应滤波器具有传统数字滤波器不具备的自学习能力。
[0152]
·
与传统的数字滤波器相比，自适应滤波器具有以下优点：
[0153]
·
自适应滤波器可以完成一些传统数字滤波器无法完成的信号处理任务。例如，您可以使用自适应滤波器来消除传统数字滤波器无法消除的噪声，如功率谱随时间变化的噪声。
[0154]
·
自适应滤波器可以完成一些传统的数字滤波器无法完成的实时或在线建模任务。例如，您可以使用自适应过滤器以在线模式识别未知系统。通常，在执行实时或在线信号处理应用程序时，自适应滤波器会很有用。
[0155]
每个自适应滤波器都由两部分组成：线性滤波器和自适应算法。您可以使用具有不同滤波器类型的线性滤波器，例如有限脉冲响应(fir)和无限脉冲响应(iir)滤波器，fir自适应滤波器示意图如图8所示。其中，x(n)是时间点n时线性滤波器的输入信号，y(n)是对应的输出信号，d(n)是自适应滤波器的另一个输入信号，e(n)是表示d(n)与y(n)之差的误差信号，z-1
是单位延迟，wi(n)为滤波器系数，i是一个整数值范围为[0，n
–
1]的整数。
[0156]
可以根据情况将不同的自适应滤波器算法应用于fir自适应滤波器，自适应算法以最小化评价函数j(n)为目标对滤波器系数进行调整：
[0157]
j(n)＝e[e2(n)]
[0158]
其中，e[e2(n)]是e2(n)的期望，e2(n)为误差信号在时间点n的平方。
[0159]
根据自适应滤波器算法如何计算评价函数j(n)，一般将这些算法分为以下两组：
[0160]
i.最小均方(lms)算法
[0161]
lms算法j(n)的计算公式：j(n)＝e[e2(n)].
[0162]
该方程表明，lms算法使用时间点n时e2(n)的瞬时值作为e[e2(n)]的估计。
[0163]
ii.递归最小二乘(rls)算法
[0164]
rls算法j(n)的计算公式：
[0165]
n为滤波器长度，γ为遗忘(衰减)因子。该算法不仅计算e2(n)的瞬时值，同时，也会累加e2(n-1),e2(n-2),
…
,e2(n-n 1)。遗忘银子取值范围为(0,1]。当遗忘因子小于1时，此因子指定该算法将较大的权重放在当前值上，并将较小的权重放在过去值上。rls算法估计的结果e[e2(n)]比lms算法的结果更准确。
[0166]
与rls算法相比，lms算法需要更少的计算资源和内存。但是，输入信号的相关矩阵的特征值扩展可能会影响所得自适应滤波器的收敛速度。rls算法的收敛速度比lms算法的收敛速度快。但是，rls算法比lms算法需要更多的计算资源。
[0167]
综上，本系统采用了lms自适应滤波器做自反馈传递关系辨识。
[0168]
(b)fpga实时转发
[0169]
fpga采用了逻辑单元阵列lca(logic cell array)这样一个概念，内部包括可配置逻辑模块clb(configurable logic block)、输入输出模块iob(input output block)和内部连线(interconnect)三个部分，如图9所示。现场可编程门阵列(fpga)是可编程器件，与传统逻辑电路和门阵列(如pal，gal及cpld器件)相比，fpga具有不同的结构。fpga利用小
型查找表(16
×
1ram)来实现组合逻辑，每个查找表连接到一个d触发器的输入端，触发器再来驱动其他逻辑电路或驱动i/o，由此构成了既可实现组合逻辑功能又可实现时序逻辑功能的基本逻辑单元模块，这些模块间利用金属连线互相连接或连接到i/o模块。fpga的逻辑是通过向内部静态存储单元加载编程数据来实现的，存储在存储器单元中的值决定了逻辑单元的逻辑功能以及各模块之间或模块与i/o间的联接方式，并最终决定了fpga所能实现的功能，fpga允许无限次的编程。
[0170]
本系统主要实时转发程序运行在fpga上，主要实现自反馈传递路径滤波、自反馈回声信号消除以及fir实时滤波三个功能，如图10所示。
[0171]
如图10所示，将我方接收的敌方自导鱼雷主动发射信号作为输入信号，而该主动发射信号通过系统自反馈传递路径h(n)后，会与我方声纳诱饵发出的敌方自导鱼雷目标探测信号混叠在一起。此时，需要fir自适应滤波器尽量模拟出回声信号，并将其从混叠信号中消除，得到理想的输入信号，即无干扰的敌方自导鱼雷主动发射信号。
[0172]
下面结合附图及一具体应用实例对本发明上述实施例的技术方案进一步详细说明如下。
[0173]
在该具体应用实例中，实验操作流程主要由系统自反馈传递关系辨识和fpga实时滤波转发两部分组成。
[0174]
实施举例：
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1、在实时转发前要先通过自反馈传递关系获得理想的我方诱饵输入信号。
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我方声纳诱饵的响应信号d(n)中混叠了我方声纳诱饵回声信号y(n)，通过自反馈传递关系(即我方声诱饵系统自身的传递响应关系)来处理这个问题，最大限度的恢复了我方声纳诱饵输入信号x(n)，如图11～图13所示。
[0177]
2、自反馈关系辨识完成后，即可开始实时滤波实验。
[0178]
将恢复的我方声纳诱饵输入信号x(n)与预定目标的不同方位散射声场冲激响应进行卷积，即可得到我方声纳诱饵的输出信号y(n)，其中，预定目标如图14所示；我方声纳诱饵的输出信号如图15～图17所示。
[0179]
本发明上述实施例提供的多态势主动式声纳诱饵发生方法及系统，通过实时生成对方探测信号的回波信号为对方提供一个假目标，起到掩护我方舰艇为逃离争取时间的作用，从而实现用最小代价规避较大损失；基于水下目标多态势散射特性，可以模拟不同方位声波入射情况下目标散射声波，提高诱骗效果；以计算更为精确的物理声学方法代替传统的经验公式或者亮点模型计算不同方位散射声场冲激响应，根据多通道相控阵技术确定声波入射方向，利用fpga技术实时生成转发信号，引入回声抵消技术提高发射/接收隔离度。
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本发明上述实施例中未尽事宜均为本领域公知技术。
[0181]
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。