一种基于m序列编码的水下PCM信号接收仿真系统的制作方法

一种基于m序列编码的水下pcm信号接收仿真系统
技术领域
1.本发明涉及水下信号仿真技术领域，尤其涉及一种基于m序列编码的水下pcm信号接收仿真系统。


背景技术：

2.在水下目标探测中，由于目标相对运动而产生的多普勒效应会直接影响探测回波波形及其探测效果，因此利用具有多普勒不变特性的双曲调频信号和对多普勒敏感的单频脉冲信号作为组合探测信号是一种可行方案，通过采用线性接收阵捕获双曲调频回波信号到达的方位、时刻，并利用傅里叶系数内插法和互模糊函数法对单品信号进行高精度的频偏因子估计，可实现水下运动目标方位-距离-径向速度的多参数联合探测。
3.此外，线性调频信号也常作为载波信号进行目标探测，其原因在于水声信道传播中，信道多途效应的存在，导致不同时刻发射的信号波形出现扩展，在接收端易存在冲突碰撞的现象，而线性调频信号相比单频载波信号具有较宽的带宽，能对抗频率选择性衰落，并对多普勒频移具有较好的抵抗性。
4.pcm信号具有保真度高、解码速度快等特点，但目前在水下目标探测方面的应用较少，相关的理论、公开文献等也鲜有提及。
5.无论是双曲调频信号、单频脉冲信号还是线性调频信号，在复杂海洋环境中传输时容易丢失部分目标信息；pcm信号的编码一般采用a律13折线编码规律进行，捕获信号易被解码破译，安全系数低；多普勒频移效应是影响信号传播的一大因素，在水中信号传输中其影响更加明显，而常规pcm信号传输未能考虑多普勒频移效应带来的影响，导致接收声信号的仿真有失真实性。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种基于m序列编码的水下pcm信号接收仿真系统，以解决上述背景技术中遇到的问题。
7.为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
8.一种基于m序列编码的水下pcm信号接收仿真系统，包括参数输入模块、声场计算模块、信号输入模块、pcm信号处理单元和信号仿真，所述参数输入模块将声场计算信息发送至声场计算模块，所述信号输入模块将接收的水下声信号发送至pcm信号处理单元，所述pcm信号处理单元对水下声信号依次经过抽样、量化、编码后与声场计算模块的声场信息发送给信号仿真，所述信号仿真接收声场信息和pcm信号并通过pcm解码获得水下信息。
9.与现有技术相比，本发明的有益效果是：基于给定的环境参数、输入参数，构建海洋物理环境，并结合bellhop获取相对应的声线信息，包括信号幅值、时延、本征声线个数等。pcm信号产生过程中的编码部分，基于m序列产生相对应的二进制数字，摒弃原本的a律13折线编码规律，对于同一信号源而言，移动寄存器的初始状态不同，编码后的pcm信号也不同，而在已知移动寄存器初始状态前提下，便可实现对源信号的逆向重构。
10.结合bellhop计算模型所得声线计算信息，如时延、幅值等，可实现对特定海洋声学环境下pcm信号的接收仿真，其中将包含信号能量损失、多途传播效应等带来的影响，同时考虑多亮点回波特性和多普勒频移信息，增加接收声信号仿真的真实性。
附图说明
11.参照附图来说明本发明的公开内容。应当了解，附图仅仅用于说明目的，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。在附图中，相同的附图标记用于指代相同的部件。其中：
12.图1为本发明在实施例1中的目标探测流程图；
13.图2为本发明在实施例2中的目标探测流程图；
14.图3为本发明中pcm信号处理单元中pcm信号生成示意图；
15.图4为本发明中n级线性移位寄存器的示意图；
16.图5为本发明在实施例4中的目标探测流程图。
具体实施方式
17.为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示本发明有关的构成。
18.根据本发明的技术方案，在不变更本发明实质精神下，本领域的一般技术人员可以提出可相互替换的多种结构方式以及实现方式。因此，以下具体实施方式以及附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限定或限制。
19.下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
20.实施例1，如图1所示，一种基于m序列编码的水下pcm信号接收仿真系统，包括参数输入模块、声场计算模块、信号输入模块、pcm信号处理单元和信号仿真。参数输入模块包括环境参数、声呐参数、计算参数，环境参数用于构建海洋物理环境信息，声呐参数描述发射阵列、接收阵列的相关特性，计算参数用于描述环境参数、声呐参数中相关数据的处理方法。
21.具体的，环境参数用于构建海洋物理环境信息，主要包括：海水海面的介质类型(真空环境、刚性物质或声学半空间)；海面海底边界特性，用于描述海面海底的形状；海水深度，以及各水层对应的海水密度、声能量衰减系数；声传播水平距离，用于界定声线传播范围；声速剖面数据，用于描绘水下声速随深度变化的规律。
22.声纳参数描述发射阵列、接收阵列的相关特性，主要包括：发射阵列阵形及阵元个数、阵元深度；接收阵列阵形及阵元个数、阵元深度；发射阵列与接收阵列之间的水平距离；声线临界出射角度，用于表示发射声纳的指向性。
23.计算参数描述环境参数、声纳参数中相关数据的处理方法，主要包括：声速剖面数据的插值方式(三次样条插值、c型线性插值、n2线性插值)；声能量衰减系数单位(db/m、nepers/m)；本船和目标的态势信息及相应的相对速度大小。
24.参数输入模块将声场计算信息发送至声场计算模块，声场计算模块为射线模型、简正波模型、抛物线方程模型、波束积分模型、海洋环境噪声场模型中的任意一种。进一步
的，声场计算模块为射线模型中的bellhop计算模型，通过bellhop计算模型输出声线计算信息给信号仿真。
25.bellhop计算模型主要基于高斯波束跟踪理论，是一种可用于预测海洋环境声压场的声束跟踪模型，并可直观的反应出声线在给定海洋环境下的传播轨迹，可在以下网站下载该模型的matlab版本和python版本：http://oalib.hlsresearch.com/acousticstoolbox/
26.声场计算模型还可以采用平面波声场算法，可以简化了计算步骤，并可获取声场中任意一点的声压变化规律，关于平面波声场的构造，可参考网址链接中关于点声源声场的仿真生成。网址：https://m.doc88.com/p-7953351799462.html。
27.作为一种优选的方案，声场计算模块的声场计算采用平面波声场计算方法，输入参数以及pcm信号的生成与原始方案一致，计算参数中不包含本船和目标的态势信息。
28.信号输入模块将接收的水下声信号发送至pcm信号处理单元，pcm信号处理单元对水下声信号依次经过抽样、量化、编码后与声场计算模块的声场信息发送给信号仿真，信号仿真接收声场信息和pcm信号并通过pcm解码获得水下信息。
29.作为一种优选的方案，信号仿真接收声场信息和pcm信号并通过pcm解码对接收的信号进行解码，将解码后的信号发送至匹配滤波，从而获得水下信息。
30.pcm信号未经过任何编码和压缩处理，与模拟信号比，它不易受传送系统的杂波及失真的影响，其产生原理如图3所示。
31.pcm信号处理单元具体的处理流程：
32.抽样：抽样是指对模拟信号进行周期性扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号，该模拟信号经过抽样后应当包含原信号中所有信息，即可无失真的恢复原模拟信号，因此其抽样速率应大于两倍的信号频率。
33.量化：量化是指用一组规定的电平，把瞬时抽样值用最接近的电平值表示。一个模拟信号经过抽样量化后，得到的脉冲幅值调制信号仅为有限个数值。
34.编码：编码则是按照一定的规律，把量化后的值用二进制数字表示，此处结合m序列中移动寄存器的变化实现，相较于原本的a律13折线编码规律，在提高信号编码、解码速率的同时，信号安全性得到一定提高。
35.图4所示为由n级移位寄存器构成的码序列发生器，寄存器的状态决定于时钟控制下输入的信号(“0”或“1”)，例如第i级移位寄存器状态取决于前一时钟脉冲后的第i-1级移位寄存器的状态。
36.图4中c0,c1,...,cn称为反馈系数，其表示反馈线的两种可能连接方式，ci＝1表示连线接通，第n-i级输出加入反馈中；ci＝0表示连线断开，第n-i级输出未参加反馈，且有c0＝cn＝1恒成立，表示循环序列。因此，一般形式的线性反馈逻辑表达式为：
[0037][0038]
将等式左边的an＝c0an代入上式，整理可得：
[0039]
[0040]
因此，定义
[0041][0042]
其中x的幂次表示元素的相应位置，上式即为线性反馈移动寄存器的特征多项式，若f(x)满足以下条件，则f(x)为n次本原多项式。
[0043]
f(x)不可约，即无法再分解多项式；
[0044]
f(x)可整除x
p
1，其中p＝2
n-1；
[0045]
f(x)不能整除xq 1，其中q＜p。
[0046]
n级线性反馈移位寄存器产生m序列的充要条件为，移动寄存器的特征多项式f(x)为本原多项式，因此，m序列的产生与本原多项式的求解密切相关。下述为n次本原多项式的求解方法：
[0047]
将x
p
1,p＝2
n-1因式分解至最简模式；
[0048]
在所得的因式集合中，筛选大于或等于n次的因式；
[0049]
若所得因式不能整除任意xq 1,q＜p，则该因式为本原多项式，且不唯一。
[0050]
表1列出了部分m序列的八进制反馈系数。以7级m序列反馈系数ci＝(211)8为例，其二进制表达形式为ci＝(010001001)2，由此可得各级反馈系数分别为：c0＝1，c1＝0，c2＝0，c3＝0，c4＝1，c5＝0，c6＝0，c7＝1，由此便可构造相应的m序列发生器。
[0051]
其他级数的m序列构造原理与上述方法相同。
[0052]
级数n周期p反馈系数ci(八进制)37134152353145，67，75663103，147，1557127203，211，217，235，277，313，325，345，3678255435，453，537，543，545，551，703，74795111021，1055，1131，1157，1167，11751010232011，2033，2157，2443，2745，34711120474005，4445，5023，5263，6211，736312409510123，11417，12515，13505，14127，1505313819120033，23261，24633，30741，32535，37505141638342103，51761，55753，60153，71147，674011532765100003，110013，120265，133663，142305
[0053]
表1 部分m序列的反馈系数表
[0054]
信号仿真接收声场信息和pcm信号并通过pcm解码获得水下信息，具体的，接收信号仿真过程如下：
[0055]
第一步：以单个声纳作为发射源为例，假设量化后的原信号表示为s
quan
，所得m序列为s
mcode
，即为pcm信号，有s
pcm
＝s
mcode
，考虑多途效应，此时接收信号可表示为：
[0056][0057]
其中，ai、τi分别表示不同途径中声信号的幅值大小和传播时间，共计n个传播途径。
[0058]
第二步：考虑到载波双程传播，加入多普勒频移信息，此时接收信号可表示为：
[0059][0060]
其中，fc表示载波频率，表示声传播过程中的时间差，具体表现为多普勒频移变化。
[0061]
第三步：令s＝fft(s
rece2
)，考虑多亮点回波特性，接收信号可表示为：
[0062][0063]
其中，fr表示线性调频信号的频率值，表示到达舰艏、舰尾的信号相对于到达船中信号的时延大小。
[0064]
在获取仿真的接收信号后，基于m序列的生成规律，便可实现对原信号的逆向重组，进而分析信号的变化，并结合匹配滤波处理，实现对目标的测距、测向。通过匹配处理还原载波信号，并从载波信号中提取pcm信号，结合m序列的生成规律，便可实现对pcm信号的逆向重组，从而获得目标水下信息。
[0065]
实施例2，上述方案中，一种基于m序列编码的水下pcm信号接收仿真系统还包括多亮点回波模型，多亮点回波特性模型用于接收参数输入模块的目标尺度、声线入射角参数，并将处理的声场信息发送至信号仿真，比如将目标强度、相对时延发送给信号仿真。
[0066]
在多亮点回波模型中，目标回波由多个亮点回波叠加而成，则总的传递函数如下所示：
[0067][0068]
其中，m表示亮点回波序号，如为第m个亮点回波的幅频响应，表示位置信息，包括入射角、俯仰角，ω表示发射信号角频率；τm为时延，取决于各亮点相对于参考亮点的声程，φm时亮点回波形成时的相位突变。
[0069]
当几何物体为球体时，其目标强度为：
[0070]
ts＝10logr2/4(1 r/r)2[0071]
当几何物体为柱体时，其目标强度为：
[0072]
ts＝10log[(rl2/2λ(1 r/r))(sinβ/β)2cos2θ]
[0073]
其中，r为散射体的主曲率半径，r为声源至散射点之间的距离；θ为入射波方向与柱体轴线之间的夹角，β＝kl sinθ，λ为入射波波长，l为柱体长度。所以，也可以根据不同形状的目标强度求得其幅频响应。
[0074]
通常情况下，将目标等效为三亮点模型，亮点位置分别为舰艏、舰中、舰尾。以信号
s0(t)表示目标回波信号，其傅里叶变换结果为s(f)，考虑多亮点回波特性，接收信号可表示为：
[0075][0076]
其中，fr表示线性调频信号的频率值，表示到达舰艏、舰尾的信号相对于到达船中信号的时延大小。
[0077]
另外，一种基于m序列编码的水下pcm信号接收仿真系统还包括多普勒频移信息，多普勒频移信息用于接收参数输入模块的信号频移、相对速度参数，并将处理的声场信息发送至信号仿真，比如将频移信息发送给信号仿真。
[0078]
多普勒频移可表示为：
[0079][0080]
假设目标相对运动速度为v(θ)，是一个具有方向的量。发射信号为s(t)，脉冲宽度为t。若在t时刻，目标与声纳相距为l，脉冲前沿经目标反往返时间为t1，当脉冲后沿经目标反射往返时间为t2。则接收到的信号脉冲宽度变为：
[0081][0082]
所以，由于声纳与目标间的相对运动，脉宽为t的发射信号经过目标反射后，在接收点会变为脉宽为αt的信号。
[0083]
当有传播时延τ时，接收信号可以表示为：
[0084][0085]
其中，δ＝2v(θ)/c；表示信号的复包络。
[0086]
实施例3，与实施例1和2不同的是：pcm信号处理单元对水下声信号处理后，将编码信号发送给载波，经过载波处理再将pcm信号发送给信号仿真。
[0087]
受多途效应等因素的影响，水下声信号容易在用户终端产生信号碰撞接入现象，由此导致信号丢失或接入阻塞。考虑到抗冲突、抗碰撞等方面的性能表现，将线性调频信号作为载波信号进行仿真试验，来克服本技术问题。线性调频信号的数学表达式为：
[0088][0089]
其中，t是时间变量，t为脉冲持续时间，k＝b/t为信号频率变化率，或称为调频斜率，其单位为hz/s，表示信号调频宽度b与信号持续时间t之间的比值。
[0090]
实施例4，请参阅图5，在实施例1至实施例3的基础上，参数输入模块还包括信号参数，含有信号参数的参数输入模块可作为信号输入模块，将原始信号发送至pcm信号处理单元。信号参数主要为中心频率、带宽、信号时间长度等信息。
[0091]
本发明基于给定的环境参数、输入参数，构建海洋物理环境，并结合bellhop获取
相对应的声线信息，包括信号幅值、时延、本征声线个数等。pcm信号产生过程中的编码部分，基于m序列产生相对应的二进制数字，摒弃原本的a律13折线编码规律，对于同一信号源而言，移动寄存器的初始状态不同，编码后的pcm信号也不同，而在已知移动寄存器初始状态前提下，便可实现对源信号的逆向重构。
[0092]
结合bellhop计算模型所得声线计算信息，如时延、幅值等，可实现对特定海洋声学环境下pcm信号的接收仿真，其中将包含信号能量损失、多途传播效应等带来的影响，同时考虑多亮点回波特性和多普勒频移信息，增加接收声信号仿真的真实性。
[0093]
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式，并不用于限定本发明保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应含在本发明的保护范围之内。