一种收发分置单基地主动声纳界面混响信号仿真方法与流程

1.本发明涉及水声工程技术领域，尤其涉及一种收发分置单基地主动声纳界面混响信号仿真方法。


背景技术：

2.海洋混响是主动声纳发射信号后由海底、海面，以及海洋水体不均匀性等共同产生的散射信号的总和，是一种不可避免的水声现象。无论在浅海还是深海，由海底和海面散射引起的界面混响是主动声纳的主要干扰信号，对主动目标回波信号检测有着重要影响。混响信号建模和仿真是水声领域的重要课题，它主要有两个方面的用途：一是用于主动声纳抗混响信号处理技术验证和完善；二是用于主动声纳系统推演和评估，评估声纳系统在混响环境下的探测效果。
3.收发分置的单基地声纳系统是新型主动声纳常用的形式，这种声纳系统的发射阵和接收阵由同一平台搭载，发射单元与接收阵列独立工作，两者相距一定距离(一般100-600米)。因此，它既不同于传统的单基地(发射单阵和接收阵在同一平台上、且共用，位置相同)，也不同于多基地声纳(发射与接收分别位于不同平台，两者距离的配置一般多比较远，几公里以上)。目前，主动声纳混响建模和仿真主要是针对单基地收发合置声纳或双基地(收-发分置距离远)两种情况，为了简化计算，通常将其按收发合置的单基地处理的，严重影响仿真的可靠性。现有混响信号仿真方法主要存在以下问题：
4.1、收发分置距离可达100-600米的单基地声纳，发射信号到达散射体(海底、海面和水体)的入射角与散射体到达接收点的散射角大不相同，利用常规单基地概念进行混响建模，仅考虑单程双倍几何传播损失，使散射信号强度、散射信号到达时间产生误差，特别在浅海环境下，影响更加严重；
5.2、浅海主动声纳混响主要由海底散射引起的，海底混响信号的多普勒特性仿真不可忽略，由于浅海环境下收发分置角较大，用收发合置进行混响信号的多普勒建模，会造成混响信号的多普勒仿真误差，会影响推演评估效果可靠性，甚至无法用此对具有抗混响信号处理能力的声纳进行推演评估。
6.3、双基地声纳混响信号建模方法，因为双基地收-发单元距离是几公里、十几公里，甚至更远，这种建模方法不能用于收发距离较近的分置式单基地。而且，现有的双基地混响信号建模方法，大多没有考虑发射垂直波束角的控制，在垂直方向上是全向发射，这样对混响强度、混响信号到达时间均有较大影响，影响混响信号仿真的可靠性和精度；
7.4、现有的混响模型都是针对传统的短脉冲声纳(脉冲长度τ一般是几十毫秒至几百毫秒)，进行建模的。对于短脉冲混响计算，散射环之间的距离间隔可以按照cτ/2计算，这样得到的混响信号的瞬时值符合高斯分布、包络符合瑞利分布的特性。然而，新型主动声纳的脉冲长度越来越长，脉冲长度一般在1-10多秒，甚至更长。这种情况下，如果按照现有的方法推算散射环的间隔，得到的混响信号会呈现明显的锯齿状，不能满足瞬时值符合高斯分布、包络符合瑞利分布的混响信号基本特性要求。
8.鉴于以上现实需求和存在问题，特提出本发明专利申请。


技术实现要素：

9.本发明主要解决现有技术的声纳混响信号仿真方法存在的上述四项技术问题，提出一种收发分置单基地主动声纳界面混响信号仿真方法，以达到提高混响到达时间、混响强度，增强混响模型的可靠性，保证混响强度的准确性，以及更好地满足混响模型计算精度和实时性等工程化实现的需要的目的。
10.本发明提供了一种收发分置单基地主动声纳界面混响信号仿真方法，包括：
11.建立收发分置单基地声纳界面散射椭球模型；
12.基于所述散射椭球模型确定海底/海面散射的最小散射椭球，并根据所述最小散射椭球得到后续的散射椭球；
13.将每个所述散射椭球按方位进行划分，形成距离由散射椭圆环确定、方向由方位区域确定的若干散射单元，并计算各所述散射单元的边界点和中心点坐标；
14.根据所述散射单元的边界点和中心点坐标，计算散射单元的发射入射角、散射角、接收散射角、混响时延，以及各散射单元到收-发点的距离和所在区域面积；
15.建立多普勒频移模型，计算所述散射单元处散射回波的归一化双基地多普勒频移、时域多普勒因子；
16.根据所述散射单元的发射入射角、散射角、接收散射角、混响时延、到收-发点的距离及所在区域面积，计算所述散射单元的散射损失；根据所述散射损失和所述多普勒频移、时域多普勒因子，计算所述散射单元的混响信号；
17.当计算得到的所述混响信号满足混响级低于海洋环境噪声级与基阵指向性di之差值时，所述散射单元的混响仿真程序结束。
18.进一步地，所述建立收发分置单基地声纳界面散射椭球模型，包括：
19.设x轴沿拖曳平台的运动方向为正，发射阵在前、接收阵在后，z轴朝水面方向为正、海底方向为负；t、r分别为发射阵和接收阵的位置，发射阵与接收阵深度分别为h
t
和hr，收-发站间的斜距离为2l，其连线与水平面的倾斜角为δ。
20.进一步地，所述基于所述散射椭球模型确定海底/海面散射的最小散射椭球，包括：
21.基于发射垂直波束为
±
ψ/2的限定条件下，对应收发分置单基地声纳，存在一海底/海面无声散射圆，所述无声散射圆是一个以t
′
为圆心，以ly为半径的圆，海底无声散射圆的半径表示为：
22.ly＝(h-h
t
)tan(90-ψ/2)＝(h-h
t
)ctan(ψ/2)
ꢀꢀꢀ
(1-1)
23.海面无声散射圆的半径表示为：
24.ly＝h
t
tan(90-ψ/2)＝h
t
ctan(ψ/2)
ꢀꢀꢀ
(1-2)
25.以ly为半径的无声散射圆与t'-r'连线内的交点作为散射点；
26.发射声到达海底散射点的最小斜距r
tmin
可表示为：
[0027][0028]
发射声到达海面散射点的最小斜距r
tmin
可表示为：
[0029][0030]
海底散射点到达接收点的斜距r
rmin
可表示为：
[0031][0032]
海面散射点到达接收点的斜距r
rmin
可表示为：
[0033][0034]
其中，2l'为发射点t与接收点r之间的水平距离，即t
′
、r
′
之间的距离；
[0035]
最先到达接收点的的海底/海面散射椭球为最小散射椭球，其半长轴表示为：
[0036][0037]
对应的两个半短轴为：
[0038][0039]
式(4)和式(5)中，a0、b0、c0定义了所述最小散射椭球。
[0040]
进一步地，所述根据所述最小散射椭球得到后续的散射椭球，包括：
[0041]
所述后续的散射椭球中第1个散射椭球外环的半长轴和半短轴分别为：
[0042][0043]
第i＝1,2,....个散射椭球外环的半长轴和半短轴分别为：
[0044][0045]
进一步地，所述将每个所述散射椭球按方位进行划分，形成距离由散射椭圆环确定、方向由方位区域确定的若干散射单元，并计算各所述散射单元的边界点和中心点坐标，包括：
[0046]
所述散射椭球按方位划分的方法是：若某一方位范围内的多普勒偏移量的变化在允许范围内，则该方位区域就确定为一独立散射单元格；
[0047]
计算各所述散射单元的边界点的方法如下：
[0048]
散射椭球在海底/海面的截面为xoy平面上的椭圆，椭圆方程为：
[0049][0050]
式中，对于海底混响计算时，通过第i＝1,2,....个散射椭球在海底z＝-(h-h0)的截面来计算；对于海面混响计算时，通过第i＝1,2,....个散射椭球在海底z＝h0的截面来计算；
[0051]
将每个散射椭圆划分成k个区域，则第i个散射椭圆外环上、第k个散射单元边界点b
ik
的极角为ρ
bk
，第k个散射单元的坐标为bx
ik
,by
ik
，通过式(9)-(10)来计算：
[0052]
bx
ik
＝by
ik
cot(ρ
bk
)或by
ik
＝bx
ik
tan(ρ
bk
)
ꢀꢀꢀ
(9)
[0053][0054]
计算各所述散射单元的中心点坐标的方法如下：
[0055]
设s
ik
为第i个散射椭圆环上、第k个散射单元的散射中心位置，其坐标用(sx
ik
,sy
ki
,z)表示，第i＝1,2,....个散射椭圆环中心环的半长轴和半短轴分别为：
[0056][0057]
设第k个散射单元中心的极角为ρk，则s
ik
的坐标为：
[0058]
或
[0059]
上式(12)的两个公式之一与椭圆方程联合，即可求解所述散射单元的中心点坐标(sx
ik
,sy
ik
)，表示为：
[0060][0061]
进一步地，所述根据所述散射单元的边界点和中心点坐标，计算散射单元的发射入射角、散射角、接收散射角、混响时延，以及各散射单元到收-发点的距离和所在区域面积，并计算所述散射单元处散射回波的归一化双基地多普勒频移，包括：
[0062]
(1)建立散射单元距离及其传播时延计算模型：
[0063]
坐标为(-lcosδ，0，lsinδ)的发射点t到散射单元s
ik
中心点的距离为：
[0064][0065]sik
到坐标为(lcosδ,0,-lsinδ)的接收点r的距离为：
[0066][0067]
由发射点t到海底散射单元s
ik
，再到接收点r的传播时间为：
[0068][0069]
由于垂直发射波束的限制，在发射点正下方海底存在声散射影区，该区域声波不能到达，这个区域不发生散射，在后面散射椭球扩展计算散射强度的过程中，不应计入，对应平坦海底，基本判据是：
[0070]rtik
》r
tmin
ꢀꢀꢀ
(17)
[0071]
(2)散射单元的入射角、散射角计算模型：
[0072]
t点入射到散射单元s
ik
的垂直入射角为：
[0073]
海底散射：
[0074]
海面散射：
[0075]
散射单元s
ik
到接收点r的垂直散射角为：
[0076]
海底散射：
[0077]
海面散射：
[0078]
(3)各个散射单元所在区域面积的计算模型：
[0079]
根据计算得到的第i个椭圆环、第k个散射单元的边界点坐标为(bx
ik
,by
ik
)，进一步计算第i个椭圆环、第k个扇区的面积：
[0080][0081]
则散射单元s
ik
的面积为：
[0082]abik
＝a
ik-a
(i-1)k
[0083][0084]
计算扇区面积时，在同一椭圆按照下标号递增进行，考虑区域的对称性，只需要计算1/4个扇区、面积相同区域直接采用即可。
[0085]
进一步地，所述建立多普勒频移模型，计算所述散射单元处散射回波的归一化双基地多普勒频移、时域多普勒因子，包括：
[0086]
根据同一拖曳平台运动情况下，发射站速度、接收站运动速度与平台运动速度v相同，则散射点s
ik
处散射回波的归一化双基地多普勒频率表示为：
[0087][0088]
时域多普勒因子表示为：
[0089][0090]
式中，α
ik
为t到达散射单元s
ik
的掠射角、β
ik
为散射单元s
ik
到r的掠射角；θ
tik
为t'到达散射单元s
ik
的舷角；θ
rik
为r'到达散射单元s
ik
的舷角。
[0091]
进一步地，所述根据所述散射单元的发射入射角、散射角、接收散射角、混响时延、到收-发点的距离及所在区域面积，计算所述散射单元的散射损失，包括：
[0092]
在深海，经海底/海面散射单元s
ik
的总散射损失为：
[0093]
tlr
ik
(t)＝ts
bik
(t)-20lgr
tik
(t)-20lg r
rik
(t)-10-3
α(f)(r
tik
(t) r
rik
(t))
ꢀꢀꢀ
(24-1)
[0094]
在浅海，扩展损失服从1.5次方规律，即介于平面波和球面波之间，经海底/海面散
射单元s
ik
的总散射损失为：
[0095]
tlr
ik
(t)＝ts
bik
(t)-15lgr
tik
(t)-15lg r
rik
(t)-10-3
α(f)(r
tik
(t) r
rik
(t))
ꢀꢀꢀ
(24-2)
[0096]
其中，ts
bik
为散射单元s
ik
的海底散射强度，表示为：
[0097]
ts
bik
＝s
bik
10lg a
bik
ꢀꢀꢀ
(25-1)
[0098]
对于海面散射，式(24)中散射单元s
ik
的ts
bik
由海面散射强度ts
sik
代替：
[0099]
ts
sik
＝s
sik
10lg a
sik
ꢀꢀꢀ
(25-2)
[0100]
式(27)中的a
bik
和a
sik
为第i个散射环第k个海底、海面散射单元的面积，s
bik
、s
sik
分别为海底散射强度、海面散射系数，由(26)式表示：
[0101]sbik
＝10lg(μsinα
ik
sinβ
ik
)
ꢀꢀꢀ
(26-1)
[0102][0103]
式中，β＝158(vf
1/3
)-0.58
，α
ik
是该散射单元入射波的掠射角，β
ik
是该散射单元散射波的掠射角，v表示海面风速，f表示中心频率；
[0104]
α(f)为海水的声吸收系数，对于中心频率利用thorp经验公式表示为：
[0105][0106]
散射单元s
ik
散射信号的散射损失为：
[0107][0108]
进一步地，所述根据所述散射损失和所述多普勒频移、时域多普勒因子，计算所述散射单元的混响信号，包括：
[0109]
假设发射信号为声源级为sl的信号s(t)，不考虑发射水平指向性，发射垂直指向性按照前面的限定，并考虑散射单元的多普勒影响，t点发射、通过海底/海面散射单元s
ik
到达接收点r的散射信号可表示为：
[0110][0111]
或：
[0112][0113]
式中，f
dik
为多普勒频移，δ
ik
为对应的多普勒因子(时域表示)，φ
ik
为服从均匀分布的随机相位，在0-2π间均匀分布，τ
ik
为信号发射到第sik散射单元、再返回接收点总声程的往返时延，按式(16)计算；
[0114]
第i个散射椭圆环的散射信号计算模型，表示为：
[0115][0116]
abi为第i个散射环产生的散射信号的随机幅度，服从正态分布；
[0117]
海底/海面散射的混响信号计算模型，表示为：
[0118]
海底混响信号：
[0119]
海面混响信号：
[0120]
nb(t)、ns(t)分别为t时刻海底散射信号、海面散射信号到达接收端的散射椭圆环的总数；
[0121]
将式(31-1)和(31-2)同时刻的信号相加，即得到海底和海面共同产生的总的混响信号：
[0122]
y(t)＝yb(t) ys(t)
ꢀꢀꢀ
(32)。
[0123]
进一步地，所述当计算得到的所述混响信号满足混响级低于海洋环境噪声级的条件时，所述散射单元的混响仿真程序结束，包括：
[0124]
考虑到主动声纳接收机的阵处理能力，增加阵列处理的指向性di增益，以使得界面混响与海洋混响衔接更加平滑，当满足式(33)的条件时，所述散射单元的混响仿真程序结束；
[0125][0126]
本发明提供的一种收发分置单基地主动声纳界面混响信号仿真方法，通可以综合得到海底、海面界面散射产生的混响信号，改变了当前将其作为收发合置单基地或多基地进行混响建模的现状，极大改进了这种收发分置单基地工作模式下，提高了混响到达时间、混响强度，以及界面混响信号多普勒仿真计算等的精度，增强了混响模型的可靠性；
[0127]
本发明基于散射椭球模型，提出了形成收发分置单基地声纳主动混响的最小椭球及其后续散射椭圆环的确定方法，提出了海底(海面)混响信号最早到达时间(混响时延)的确定方法。混响到达时间体现了在接收点到达的混响信号的位置，时延精度直接影响混响信号的时间和能量关系，对任何收发分置系统的混响信号建模都十分重要；
[0128]
本发明针对垂直发射波束受限制情况，在动态计算计算过程中，提出了一种散射单元是否位于垂直波束范围内的判据。如果在垂直波束范围内，则参与混响强度计算，否则不参与计算，从而更好地保证混响强度准确性；
[0129]
本发明提出了一种散射椭圆单元划分方法，从保证混响信号瞬时幅度满足高斯分布、包络符合瑞利分布的要求，给出了声传播引起的散射椭球扩展的长轴增量(对于散射椭圆环范围)确定原则，解决了长脉冲引起的界面散射环范围如何确定、无据可依的问题；
[0130]
本发明提出了每个散射环按方位间隔划分散射单元格的方法，可以更好地符合水平全向发射阵(即：发射阵没有水平波束)的特点，方位间隔可根据界面混响多普勒特性对方位分辨精度和混响信号计算实时性等方面的要求加以设定，更好地满足混响模型计算精度和实时性等工程化实现的需要。
附图说明
[0131]
图1是本发明的方法流程图。
[0132]
图1-1是实施例中，海深200米，考虑“无声散射圆”的界面混响图(从左至右依次为
模型计算的界面混响强度图、界面混响信号图、混响信号计算的混响强度图)；
[0133]
图1-2是实施例中，海深200米，没有考虑“无声散射圆”的界面混响图(从左至右依次为界面混响信号图、混响信号计算的混响强度图)；
[0134]
图1-3是实施例中，海深5000米，考虑“无声散射圆”的界面混响图(从左至右依次为模型计算的界面混响强度图、界面混响信号图、混响信号计算的混响强度图)；
[0135]
图1-4是实施例中，海深5000米，没有考虑“无声散射圆”的界面混响图(从左至右依次为界面混响信号图、混响信号计算的混响强度图)；
[0136]
图1-5是实施例中，200米海深海底散射单元边界点(实心点)、中心点(空心圈)分布图；
[0137]
图1-6是实施例中，200米海深海面散射单元边界点(实心点)、中心点(空心圈)分布图；
[0138]
图1-7是实施例中，归一化界面混响信号瞬时幅值直方图和高斯分布对比图；
[0139]
图1-8是实施例中，归一化界面混响信号包络直方图和瑞利分布对比图；
[0140]
图2-1是实施例中，收发分置海底散射垂直剖面几何示意图；
[0141]
图2-2是实施例中，收-发分置散射单元三维示意图；
[0142]
图2-3是实施例中，散射椭圆环与散射单元划分示意图；
[0143]
图2-4是实施例中，收发分置混响信号计算流程图。
具体实施方式
[0144]
为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。
[0145]
如图1所示，本发明实施例提供的收发分置单基地主动声纳界面混响信号仿真方法包括：
[0146]
101、建立收发分置单基地声纳界面散射椭球模型；
[0147]
具体而言，声纳系统的几何配置垂直剖面如图2-1所示。设x轴沿拖曳平台的运动方向为正，发射阵在前、接收阵在后，z轴朝水面方向为正、海底方向为负；t、r分别为发射阵和接收阵的位置，发射阵与接收阵深度分别为h
t
和hr，收-发站间的斜距离为2l，其连线与水平面的倾斜角为δ。
[0148]
借鉴单元散射进行混响建模思想，这样的散射点满足“发射-散射单元-接收”的声传播时间相同条件。根据几何学原理，在三维空间，收发分置声纳系统时间同步到达的散射点，是以收-发分置连线中点o为中心、以t和r为焦点的椭球，而该椭球在海底或海面上相交的椭圆，即为海底或海面散射椭圆。假如海洋声速不随声传播方向、距离变化，则从发射点t到散射椭圆上任意点再到接收点r的声传播时间均相同，简称为“时同椭球”。这是收发分置系统建立散射模型的基础。t
′
、r
′
表示发站、收站在海底投影平面上的垂足，o'为等时散射椭球在海底投影形成的椭圆的中心。ψ/2为由发射垂直波束(
±
ψ/2)决定的最大掠射角，由t沿该立体角发出的声线，在海底形成了一个以t
′
为圆心、以|ab|为直径的圆，该圆称为“无声散射圆”，也就是说声能不达到该圆弧内，或者说该圆内所有面积上没有散射发生。收
发分置单基地主动声纳三维散射如图2-2所示。
[0149]
102、基于散射椭球模型确定海底/海面散射的最小散射椭球，并根据最小散射椭球得到后续的散射椭球；
[0150]
具体而言，(1)确定海底、海面散射的最小散射椭球
[0151]
确定最小散射椭球是混响建模的重要基础，因为这涉及最先到达散射波的时间，也因此影响后续散射波叠加的信号能量。
[0152]
基于发射垂直波束为
±
ψ/2的限定条件下，对应收发分置单基地声纳，存在一海底/海面无声散射圆，所述无声散射圆是一个以t
′
为圆心，以ly为半径的圆，海底无声散射圆的半径表示为：
[0153]
ly＝(h-h
t
)tan(90-ψ/2)＝(h-h
t
)ctan(ψ/2)
ꢀꢀꢀ
(1-1)
[0154]
海面无声散射圆的半径表示为：
[0155]
ly＝h
t
tan(90-ψ/2)＝h
t
ctan(ψ/2)
ꢀꢀꢀ
(1-2)
[0156]
以ly为半径的无声散射圆与t'-r'连线内的交点作为散射点；
[0157]
发射声到达海底散射点的最小斜距r
tmin
可表示为：
[0158][0159]
发射声到达海面散射点的最小斜距r
tmin
可表示为：
[0160][0161]
海底散射点到达接收点的斜距r
rmin
可表示为：
[0162][0163]
海面散射点到达接收点的斜距r
rmin
可表示为：
[0164][0165]
其中，2l'为发射点t与接收点r之间的水平距离，即t
′
、r
′
之间的距离；
[0166]
无论收-发单元怎样配置，必定存在一个与海底(或海面)刚刚接触的椭球，最早接触海底(或海面)的只是一个点，也即存在一个最先到达接收点的散射点，该点确定的海底(或海面)散射椭球，实际上就是最小散射椭球。以此接触点为起点的椭球，继续扩展椭球长轴形成的椭球，与海底(或海面)截面就形成了海底(或海面)散射椭圆，以一定半长轴间距δa扩展的两个椭球在海底(或海面)的散射椭圆就形成了一个散射椭圆环。
[0167]
最小散射椭球及散射点的确定。最先到达接收点的的海底/海面散射椭球为最小散射椭球，表示为：
[0168][0169]
对应的两个半短轴为：
[0170][0171]
式(4)和式(5)中，a0、b0、c0定义了所述最小散射椭球。
[0172]
(2)确定散射椭球间隔和后续散射椭球
[0173]
常规收发合置单基地声纳通常发射的是小于百毫秒级的短脉冲信号，混响建模按照半径间隔cτ/2的散射圆计算。但对于几秒～10多秒长脉冲信号，按此计算的散射圆半径间隔是几公里～十多公里，每个散射环后续相继到达的散射信号时延是几秒～10多秒，由此产生的混响信号会呈明显的锯齿状，混响信号幅度和包络的统计特性不满足混响信号的特征。
[0174]
本发明通过对浅海、深海混响的仿真研究，对收发分置后续散射椭球环间隔(散射椭球半长轴a间隔)，按照δa＝0.1c～0.2c米扩展(c为声速)，由此计算得到的混响信号满足声纳混响信号的基本特性要求。
[0175]
根据最小散射椭球得到后续的散射椭球，包括：后续的散射椭球中第1个散射椭球外环的半长轴和半短轴分别为：
[0176][0177]
第i＝1,2,....个散射椭球外环的半长轴和半短轴分别为：
[0178][0179]
103、将每个散射椭球按方位进行划分，形成距离由散射椭圆环确定、方向由方位区域确定的若干散射单元，并计算各散射单元的边界点和中心点坐标；
[0180]
具体而言，(1)散射椭球按方位划分的方法是：若某一方位范围内的多普勒偏移量的变化在允许范围内，则该方位区域就确定为一独立散射单元格。因为混响的多普勒右散射体的相对位置(方位、距离)决定的。理论上，方位区域范围越小，计算越精确，单计算量越大，影响计算的实时性。假如，发射阵具有水平波束扫描能力，则方位区域大小由水平扫描波束宽度确定；否则，方位区域大小由多普勒特性对方位变化的敏感性确定，即：若某一方位范围内的多普勒偏移量的变化在允许范围内，则该方位区域就确定为一独立散射单元格。
[0181]
(2)计算各散射单元的边界点的方法如下：
[0182]
散射椭球在海底/海面的截面为xoy平面上的椭圆，椭圆方程为：
[0183][0184]
式中，对于海底混响计算时，通过第i＝1,2,....个散射椭球在海底z＝-(h-h0)的截面来计算；对于海面混响计算时，通过第i＝1,2,....个散射椭球在海底z＝h0的截面来计算；
[0185]
将每个散射椭圆划分成k个区域，则第i个散射椭圆外环上、第k个散射单元边界点b
ik
的极角为ρ
bk
，第k个散射单元的坐标为bx
ik
,by
ik
，通过式(9)-(10)来计算：
[0186]
bx
ik
＝by
ik
cot(ρ
bk
)或by
ik
＝bx
ik
tan(ρ
bk
)
ꢀꢀꢀ
(9)
[0187][0188]
(3)计算各散射单元的中心点坐标的方法如下：
[0189]
设s
ik
为第i个散射椭圆环上、第k个散射单元的散射中心位置，其坐标用(sx
ik
,sy
ki
,z)表示，第i＝1,2,....个散射椭圆环中心环的半长轴和半短轴分别为：
[0190][0191]
设第k个散射单元中心的极角为ρk，则s
ik
的坐标为：
[0192]
或
[0193]
上式(12)的两个公式之一与椭圆方程联合，即可求解所述散射单元的中心点坐标(sx
ik
,sy
ik
)，表示为：
[0194][0195]
104、根据散射单元的边界点和中心点坐标，计算散射单元的发射入射角、散射角、接收散射角、混响时延，以及各散射单元到收-发点的距离和所在区域面积；
[0196]
具体而言，(1)建立散射单元距离及其传播时延计算模型：
[0197]
坐标为(-lcosδ，0，lsinδ)的发射点t到散射单元s
ik
中心点的距离为：
[0198][0199]sik
到坐标为(lcosδ,0,-lsinδ)的接收点r的距离为：
[0200][0201]
由发射点t到海底散射单元s
ik
，再到接收点r的传播时间为：
[0202][0203]
由于垂直发射波束的限制，在发射点正下方海底存在声散射影区，该区域声波不能到达，这个区域不发生散射，在后面散射椭球扩展计算散射强度的过程中，不应计入，对应平坦海底，基本判据是：
[0204]rtik
》r
tmin
ꢀꢀꢀ
(17)
[0205]
(2)散射单元的入射角、散射角计算模型：
[0206]
t点入射到散射单元s
ik
的垂直入射角为：
[0207]
海底散射：
[0208]
海面散射：
[0209]
散射单元s
ik
到接收点r的垂直散射角为：
[0210]
海底散射：
[0211]
海面散射：
[0212]
(3)各个散射单元所在区域面积的计算模型：
[0213]
如图2-3所示，根据计算得到的第i个椭圆环、第k个散射单元的边界点坐标为(bx
ik
,by
ik
)，进一步计算第i个椭圆环、第k个扇区的面积：
[0214][0215]
则散射单元s
ik
的面积为：
[0216]abik
＝a
ik-a
(i-1)k
[0217][0218]
计算扇区面积时，在同一椭圆按照下标号递增进行，考虑区域的对称性，只需要计算1/4个扇区、面积相同区域直接采用即可。
[0219]
105、建立多普勒频移模型，计算散射单元处散射回波的归一化双基地多普勒频移、时域多普勒因子；
[0220]
具体而言，根据同一拖曳平台运动情况下，发射站速度、接收站运动速度与平台运动速度v相同，则散射点s
ik
处散射回波的归一化双基地多普勒频率表示为：
[0221][0222]
时域多普勒因子表示为：
[0223][0224]
式中，α
ik
为t到达散射单元s
ik
的掠射角、β
ik
为散射单元s
ik
到r的掠射角；θ
tik
为t'到达散射单元s
ik
的舷角；θ
rik
为r'到达散射单元s
ik
的舷角。显然，不同的方位具有不同的多普勒频移。
[0225]
106、根据散射单元的发射入射角、散射角、接收散射角、混响时延、到收-发点的距离及所在区域面积，计算散射单元的散射损失；根据散射损失和多普勒频移、时域多普勒因子，计算散射单元的混响信号；
[0226]
具体而言，在深海，经海底/海面散射单元s
ik
的总散射损失为：
[0227]
tlr
ik
(t)＝ts
bik
(t)-20lgr
tik
(t)-20lg r
rik
(t)-10-3
α(f)(r
tik
(t) r
rik
(t))
ꢀꢀꢀ
(24-1)
[0228]
在浅海，扩展损失服从1.5次方规律，即介于平面波和球面波之间，经海底/海面散射单元s
ik
的总散射损失为：
[0229]
tlr
ik
(t)＝ts
bik
(t)-15lgr
tik
(t)-15lg r
rik
(t)-10-3
α(f)(r
tik
(t) r
rik
(t))
ꢀꢀꢀ
(24-2)
[0230]
其中，ts
bik
为散射单元s
ik
的海底散射强度，表示为：
[0231]
ts
bik
＝s
bik
10lg a
bik
ꢀꢀꢀ
(25-1)
[0232]
对于海面散射，式(24)中散射单元s
ik
的ts
bik
由海面散射强度ts
sik
代替：
[0233]
ts
sik
＝s
sik
10lg a
sik
ꢀꢀꢀ
(25-2)
[0234]
式(27)中的a
bik
和a
sik
为第i个散射环第k个海底、海面散射单元的面积，s
bik
、s
sik
分别为海底散射强度、海面散射系数，由(26)式表示：
[0235]sbik
＝10lg(μsina
ik
sinβ
ik
)
ꢀꢀꢀ
(26-1)
[0236][0237]
式中，β＝158(vf
1/3
)-0.58
，α
ik
是该散射单元入射波的掠射角，β
ik
是该散射单元散射波的掠射角v表示海面风速(单位是节)，f表示中心频率(单位hz)。
[0238]
α(f)为海水的声吸收系数，对于中心频率利用thorp经验公式表示为：
[0239][0240]
散射单元s
ik
散射信号的散射损失为：
[0241][0242]
假设发射信号为声源级为sl的信号s(t)，不考虑发射水平指向性，发射垂直指向性按照前面的限定，并考虑散射单元的多普勒影响，t点发射、通过海底/海面散射单元s
ik
到达接收点r的散射信号可表示为：
[0243][0244]
或：
[0245][0246]
式中，f
dik
为多普勒频移，δ
ik
为对应的多普勒因子(时域表示)，φ
ik
为服从均匀分布的随机相位，在0-2π间均匀分布，τ
ik
为信号发射到第sik散射单元、再返回接收点总声程的往返时延，按式(16)计算；
[0247]
第i个散射椭圆环的散射信号计算模型，表示为：
[0248][0249]
abi为第i个散射环产生的散射信号的随机幅度，服从正态分布；
[0250]
海底/海面散射的混响信号计算模型，表示为：
[0251]
海底混响信号：
[0252]
海面混响信号：
[0253]
nb(t)、ns(t)分别为t时刻海底散射信号、海面散射信号到达接收端的散射椭圆环的总数；
[0254]
将式(31-1)和(31-2)同时刻的信号相加，即得到海底和海面共同产生的总的混响信号：
[0255]
y(t)＝yb(t) ys(t)
ꢀꢀꢀ
(32)。
[0256]
107、当计算得到的所述混响信号满足混响级低于海洋环境噪声级与基阵指向性di之差值时，所述散射单元的混响仿真程序结束。
[0257]
具体而言，n(t)的确定：随着掠射角越来越小、散射元越来越远，散射强度越来越弱，仿真中并不需要计算垂直开角内所有掠射角度，因此需要判断何时终止计算。
[0258]
基本准则：是混响级低于海洋环境噪声级(同主动声纳工作频段)，即当由混响掩蔽级为主变为噪声掩蔽级为主时，混响仿真程序结束。考虑到主动声纳接收机的阵处理能力，增加阵列处理的指向性di增益，以使得界面混响与海洋混响衔接更加平滑，当满足式(33)的条件时，所述散射单元的混响仿真程序结束；
[0259][0260]
总体流程如图2-4。
[0261]
按照图2-4进行混响信号仿真计算。具有实现过程如下：
[0262]
1、设置混响计算的背景参数
[0263]
(1)主动发射信号为频率范围为900hz-1500hz的hfm信号、脉冲长度3秒。
[0264]
(2)发射声源级sl＝210db，根据声源级计算发射信号声压幅度；
[0265]
(3)根据采样频率fs＝25000h在，产生信号波形s(t)。
[0266]
(4)发射垂直开角(
±
ψ/2)：全向，
±
ψ/2＝
±
90
°
；受限：
±
ψ/2＝
±
30
°
。
[0267]
(5)海区深度h：(1)浅海200米水深；(2)深海5000米水深。
[0268]
(6)二级海况，海面风速v＝13.3kn。
[0269]
(7)发射阵深度h
t
＝70米，接收阵深度hr＝50米，h0＝(70 50)/2＝60米。
[0270]
(8)发射-接收点之间的斜距2l＝400米。
[0271]
(9)扩展椭球半长轴的增量δa＝150米。
[0272]
(10)声速c＝1500米/秒。
[0273]
(11)每个散射单元数量为k＝12。
[0274]
(12)海底散射反向散射强度10logμ＝-27。
[0275]
2、确定海底z＝-(h-h0)散射最小散射椭球及其后续散射椭球
[0276]
(1)按照公式(1)-(5)确定最小散射椭球参数；
[0277]
(2)按照公式(6)-(8)确定后续第i＝1,2,....个海底散射的椭球参数。
[0278]
3、对所有海底散射椭球环，进行以下循环计算：
[0279]
3.1计算海底散射椭圆单元边界点坐标
[0280]
将海底散射椭圆环，分成k＝12个方位区域，每个区域的方位角大小δρ＝360/k＝30
°
，则第i个散射椭圆外环上、第k个散射单元边界点b
ik
的极角为ρ
bk
＝0
°
，3
°
0，60
°
，
…
，330
°
，联立(9)～(10)式，计算得到散射单元格的边界坐标(bx
ik
,by
ik
)。
[0281]
3.2计算海底第i个散射椭圆环各散射单元的中心点坐标
[0282]
按照公式(11)，计算第i＝1,2,....个散射椭球的中心环的半长轴和半短轴；
[0283]
联立(12)-(13)式，计算第i个散射椭圆环上、第k个散射单元(方位区域)的散射中
心位置s
ik
的坐标(sx
ik
,sy
ki
)，计算式中的ρk＝ρ
bk
15
°
。
[0284]
3.3计算散射单元距离及其传播时延等参数
[0285]
(1)散射单元距离及其传播时延计算
[0286]
根据公式(14)，计算坐标为(-lcosδ，0，lsinδ)的发射点t到散射单元sik中心点的距离r
tik
。
[0287]
根据公式(15)，计算sik到坐标为(lcosδ,0,-lsinδ)的接收点r的距离r
rik
。
[0288]
根据公式(16)，计算由发射点t到海底散射单元sik，再到接收点r的传播时间τ
ik
。
[0289]
3.4计算散射单元的入射角、散射角
[0290]
按照公式(18)、(19)计算，t点入射到散射单元s
ik
的垂直入射角α
ik
和散射单元s
ik
到接收点r的垂直散射角β
ik
。
[0291]
3.5计算散射单元的散射强度
[0292]
(1)计算散射单元s
ik
所在区域的面积
[0293]
根据步骤3.1计算得到的散射单元格边界坐标(bx
ik
,by
ik
)，用公式(20)-(21)计算各个散射单元的面积。
[0294]
(2)计算第i个散射环第k个散射单元sik的海底散射强度
[0295]
根据步骤3.4计算α
ik
和β
ik
，按照公式(26)计算散射单元sik的散射系数s
bik
。
[0296]
(3)根据散射单元面积a
bik
和界面散射强度s
bik
，按公式(25)计算散射单元的散射强度ts
bik
。
[0297]
3.6计算散射单元sik的多普勒频移
[0298]
根据公式(22)计算散射点s
ik
处散射回波的归一化双基地多普勒频率f
dik
。
[0299]
3.7散射单元的散射损失计算
[0300]
(1)根据中心频率f，按照公式(27)计算，海水的声吸收系数α(f)。
[0301]
(2)根据步骤3.4得到的散射单元距离r
tik
和r
rik
，以及步骤3.5得到的ts
bik
，按照公式(24)计算散射单元sik以分贝为单位的散射损失tlr
ik
。
[0302]
假如r
tik
满足(17)式，则该散射单元、纳入混响计算，否则不计算。
[0303]
(3)再由公式(28)换算为散射损失的声压幅度系数sb
ik
。
[0304]
3.8单个散射单元的混响信号计算
[0305]
(1)按照(29)式计算单个散射单元的混响信号
[0306]
(2)按照(30)式计算第i个散射环的混响信号
[0307]
(3)按照(31)式计算t时刻的海底混响信号
[0308]
3.9判断混响计算是否满足结束条件
[0309]
根据(32)判断是否满足结束条件。
[0310]
如果满足结束条件，混响计算结束；否则重复3.1～3.9，继续计算混响信号。
[0311]
4设置z＝h0，按照第2～3步骤(3.1～3.9)计算海面混响信号。
[0312]
计算海面混响信号时相应的公式，用海面散射相关公式替换。
[0313]
5按照相同时间采样点，叠加海面和海底混响信号，形成总的海洋界面混响信号。
[0314]
6计算结果图：
[0315]
图1-1和图1-2分别是在海深200米，考虑“无声散射圆”和没有考虑“无声散射圆”的界面混响结果。因为是浅海，海底混响为主导，两种情况下的混响到达时间、混响强度差
别不大，比较接近。
[0316]
图1-3和图1-4分别是在海深5000米，考虑“无声散射圆”和没有考虑“无声散射圆”的界面混响结果。这是深海，先到达的是海面混响、后到达的是海底混响。这两种情况下，海面混响到达时间、混响强度基本相同；海底混响的到达时间和混响强度，差别明显。考虑“无声散射圆”的情况，更加符合仿真计算的实际。
[0317]
图1-5和图1-6分别是海深200米时的海底、海面散射椭圆环、散射中心位置点、散射区域边界点的坐标位置图。
[0318]
图1-7和图1-8分别是归一化界面混响信号瞬时幅值直方图和高斯分布对比图、归一化界面混响信号包络直方图和瑞利分布对比图。从两幅图可以看出，由本专利计算得到的界面混响信号瞬时幅值符合高斯分布、混响信号包络符合瑞利分布，满足混响信号的统计特性。
[0319]
有益效果：
[0320]
1、本发明建立了收发分置单基地声纳海底、海面散射的最小散射椭球确定方法和后续散射椭球的确定方法。最小散射椭球确定方法解决了收发分置单基地声纳最先达到、后续到达界面散射信号的确定方法问题；后续散射椭球的确定方法可以有限解决长脉冲主动信号混响信号的计算问题，使得产生的混响信号特征更加符合混响的统计特性。两者综合的优点是提高混响信号到达时间精度、多种混响信号叠加的强度精度，以及混响信号的真实性。该发明同样适用于多基地声纳界面混响建模仿真。
[0321]
2、本发明提出了一种基于界面散射椭圆环的散射单元划分方法，该方法针对水平全向发射主动声纳，将整个水平面分成k个方位区域，这样在每个界面散射椭圆环上就形成了k个散射单元。区域数量k可根据接收阵的波束宽度、界面混响信号的多普勒频移分辨率，以及混响计算的时间代价等综合因素确定。
[0322]
3、本发明建立了散射单元边界点、散射单元中心点坐标的计算模型，为计算散射单元面积、散射单元多普勒频移等奠定基础。
[0323]
4、本发明建立散射单元发射入射角、接收散射角、到收-发点的距离、混响时延等计算模型，为各个散射单元的散射损失计算和混响信号计算奠定基础。
[0324]
5、本发明建立海底、海面混响信号的计算模型。(1)提出了一种基于散射单元中心的收发分置的多普勒频移计算模型，给出了频域和时域表达式，可分别用于窄带信号和宽度信号；(2)给出了收发分置海面散射强度计算公式，可为各种收发分置的单基地或多基地声纳海面混响建模提供支撑。
[0325]
6、本发明更新了界面混响计算结束条件。本发明考虑到主动声纳接收机的阵处理能力，增加了阵列处理的指向性di因素，使得界面混响与海洋混响衔接更加平滑。
[0326]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。