一种基于阵形畸变及阵元随机抖动的声纳信号仿真方法.pdf

本发明公开了一种基于阵形畸变及阵元随机抖动的声纳信号仿真方法，该仿真方法包括以下步骤：第一步：测算等间隔排列的线阵无阵形畸变时各个阵元的坐标；第二步：获得阵形畸变后第i号阵元的当前坐标；第三步：无阵元随机抖动情况下，生成阵元信号；第四步：出现随机抖动时，第i号阵元实际生成的阵元信号。该仿真方法利用正弦随机扰动和高斯阵形扰动表现声纳信号仿真的阵形畸变，基于均匀分布的阵元信号随机抖动表现声纳信号仿真的随机抖动，使得声纳信号仿真方法更加精确。

权利要求书
1.  一种基于阵形畸变及阵元随机抖动的声纳信号仿真方法，其特征在于，该仿真方法包括以下步骤：
第一步：测算等间隔排列的线阵无阵形畸变时各个阵元的坐标：获取等间隔排列的线阵的阵元间距d，阵元个数n和声纳布放的深度z，从而测算等间隔排列的线阵无阵形畸变时各个阵元的坐标，记无阵形畸变时第1—n号阵元中的第i号阵元的坐标为(xi,yi,zi)；i为阵元标号，i取值为1—n；其中，阵元的标号从坐标系的原点开始，按照X轴方向，顺序标号，从1标至n号；
第二步：获得阵形畸变后第i号阵元的当前坐标：在等间隔排列的线阵出现阵形畸变时，当阵形畸变是正弦随机扰动时，设置正弦随机扰动的扰动参数，正弦随机扰动的扰动参数包括正弦随机扰动的随机频率f、正弦随机扰动的随机幅度A和标号为1的阵元的初始相位；当阵形畸变是高斯随机扰动时，设置高斯随机扰动的扰动参数，高斯随机扰动的扰动参数包括高斯随机扰动的均值μ和高斯随机扰动的方差σ2，从而获得阵形畸变后第1—n号阵元中的第i号阵元的当前坐标(xi',yi',zi')；
第三步：无阵元随机抖动情况下，生成阵元信号：基于第二步获得的阵形畸变后第1—n号阵元中的第i号阵元的当前坐标(xi',yi',zi')，生成无阵元随机抖动情况下水声目标辐射噪声信号从水声目标位置传播到各个阵元的阵元信号si(k)，k为整型变量；
第四步：出现随机抖动时，第i号阵元实际生成的阵元信号：第1—n号阵元中的第i号阵元出现随机抖动时，第i号阵元实际生成的阵元信号s'i(k)为：
s'i(k)＝si(k)(1-ai)+Mi            式(1)
其中，Mi表示第i号阵元随机抖动的均值偏移，ai表示第i号阵元随机抖动的幅度衰减。

2.  按照权利要求1所述的基于阵形畸变及阵元随机抖动的声纳信号仿真方法，其特征在于，所述的第一步中，坐标系是以阵形还没变形时，等间隔排列的线阵末端所在位置为圆心O，以船体拖着等间隔排列的线阵行驶的方向为X轴方向，等间隔排列的线阵扰动的方向为Y轴方向，垂直于海平面、且指向地心的方向为Z轴方向；依据式(2)得到无阵形畸变时第1—n号阵元中的第i号阵元的坐标(xi,yi,zi)：
xi=(i-1)dyi=0zi=z]]>                式(2)
其中，d表示等间隔排列的线阵的阵元间距，i表示阵元标号，z表示声纳布放的深度。

3.  按照权利要求1所述的基于阵形畸变及阵元随机抖动的声纳信号仿真方法，其特征在于，所述的第二步中，依据式(3)得到正弦随机扰动时第1—n号阵元中的第i号阵元的坐标(xi',yi',zi')：
              式(3)
依据式(4)得到高斯随机扰动时第1—n号阵元中的第i号阵元的坐标(xi',yi',zi')：
xi′=(i-1)df(yi′)=12πσ2e(-(yi′-μ)22σ2)zi′=z]]>               式(4)
其中，f(yi')表示第i号阵元的yi'坐标的概率密度函数，yi'满足高斯分布，e表示数学常数，为2.7182818。

4.  按照权利要求1所述的基于阵形畸变及阵元随机抖动的声纳信号仿真方法，其特征在于，所述的第四步中，第i号阵元随机抖动的幅度衰减ai服从均匀分布：
f(ai)=1B-A]]>            式5
其中，f(ai)表示幅度衰减ai的概率密度函数，A和B是均匀分布的两个参数，且A￡ai￡B，均匀分布的均值为均匀分布的方差为

5.  按照权利要求1所述的基于阵形畸变及阵元随机抖动的声纳信号仿真方法，其特征在于，所述的第三步中，生成阵元信号si(k)的过程为水声目标辐射噪声信号和从水声目标位置到达各个阵元的海洋信道相卷积。

说明书一种基于阵形畸变及阵元随机抖动的声纳信号仿真方法
技术领域
本发明属于信号处理领域，具体来说，涉及一种基于阵形畸变及阵元随机抖动的声纳信号仿真方法。
背景技术
常见的声纳基阵阵形包括：等间隔排列的线阵、连续线阵、基元间隔不相等的线阵、均匀分布的圆阵、圆弧阵和矩形面阵等。一般声纳信号仿真都基于下面的假设：布放在水下的声纳基阵不会受到拖船运动、海流冲击等因素的影响而发生阵形畸变。但是在实际操作过程中，声纳基阵受多方面因素的影响难免会出现阵形畸变，例如，布放在水下的等间隔排列的线阵受到拖船、海流等的影响会弯曲，阵形发生畸变。此外，声纳基阵在生产工艺和在安装过程中都不可避免的出现一些误差，放映在声纳信号上是阵元信号的随机抖动。
发明内容
技术问题：本发明所要解决的技术问题是：一种基于阵形畸变及阵元随机抖动的声纳信号仿真方法，该仿真方法利用正弦随机扰动和高斯阵形扰动表现声纳信号仿真的阵形畸变，基于均匀分布的阵元信号随机抖动表现声纳信号仿真的随机抖动，使得声纳信号仿真方法更加精确。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种基于阵形畸变及阵元随机抖动的声纳信号仿真方法，该仿真方法包括以下步骤：
第一步：测算等间隔排列的线阵无阵形畸变时各个阵元的坐标：获取等间隔排列的线阵的阵元间距d，阵元个数n和声纳布放的深度z，从而测算等间隔排列的线阵无阵形畸变时各个阵元的坐标，记无阵形畸变时第1—n号阵元中的第i号阵元的坐标为(xi,yi,zi)；i为阵元标号，i取值为1—n；其中，阵元的标号从坐标系的原点开始，按照X轴方向，顺序标号，从1标至n号；
第二步：获得阵形畸变后第i号阵元的当前坐标：在等间隔排列的线阵出现阵形畸变时，当阵形畸变是正弦随机扰动时，设置正弦随机扰动的扰动参数，正弦随机扰动的扰动参数包括正弦随机扰动的随机频率f、正弦随机扰动的随机幅度A和标号为1的阵元的初始相位当阵形畸变是高斯随机扰动时，设置高斯随机扰动的扰动参数，高斯随机扰动的扰动参数包括高斯随机扰动的均值μ和高斯随机扰动的方差σ2，从而获得阵形畸变后第1—n号阵元中的第i号阵元的当前坐标(xi',yi',zi')；
第三步：无阵元随机抖动情况下，生成阵元信号：基于第二步获得的阵形畸变后第1—n号阵元中的第i号阵元的当前坐标(xi',yi',zi')，生成无阵元随机抖动情况下水声目标辐射噪声信号从水声目标位置传播到各个阵元的阵元信号si(k)，k为整型变量；
第四步：出现随机抖动时，第i号阵元实际生成的阵元信号：第1—n号阵元中的第i号阵元出现随机抖动时，第i号阵元实际生成的阵元信号s'i(k)为：
s'i(k)＝si(k)(1-ai)+Mi             式(1)
其中，Mi表示第i号阵元随机抖动的均值偏移，ai表示第i号阵元随机抖动的幅度衰减。
进一步，所述的第一步中，坐标系是以阵形还没变形时，等间隔排列的线阵末端所在位置为圆心O，以船体拖着等间隔排列的线阵行驶的方向为X轴方向，等间隔排列的线阵扰动的方向为Y轴方向，垂直于海平面、且指向地心的方向为Z轴方向；依据式(2)得到无阵形畸变时第1—n号阵元中的第i号阵元的坐标(xi,yi,zi)：
xi=(i-1)dyi=0zi=z]]>                式(2)
其中，d表示等间隔排列的线阵的阵元间距，i表示阵元标号，z表示声纳布放的深度。
进一步，所述的第二步中，依据式(3)得到正弦随机扰动时第1—n号阵元中的第i号阵元的坐标(xi',yi',zi')：
                
依据式(4)得到高斯随机扰动时第1—n号阵元中的第i号阵元的坐标(xi',yi',zi')：
xi′=(i-1)df(yi′)=12πσ2e(-(yi′-μ)22σ2)zi′=z]]>              式(4)
其中，f(yi')表示第i号阵元的yi'坐标的概率密度函数，yi'满足高斯分布，e表示数学常数，为2.7182818。
进一步，所述的第四步中，第i号阵元随机抖动的幅度衰减ai服从均匀分布：
f(ai)=1B-A]]>         式5
其中，f(ai)表示幅度衰减ai的概率密度函数，A和B是均匀分布的两个参数，且A￡ai￡B，均匀分布的均值为均匀分布的方差为
进一步，所述的第三步中，生成阵元信号si(k)的过程为水声目标辐射噪声信号和从水声目标位置到达各个阵元的海洋信道相卷积。
有益效果：与现有技术相比，本发明的仿真方法更加精确。现有的声纳信号仿真不考虑阵形畸变和阵元随机抖动，忽视了在实际操作过程中，声纳基阵出现阵形畸变，阵元信号出现随机抖动的情况。本专利的仿真方法利用正弦随机扰动和高斯阵形扰动表现声纳信号仿真的阵形畸变，基于均匀分布的阵元信号随机抖动表现声纳信号仿真的随机抖动，使得声纳信号仿真方法更加精确。本发明的仿真方法实现对声纳信号仿真中阵形畸变和阵元抖动的仿真，丢弃声纳信号仿真中阵形不畸变和阵元不抖动的假设，使得声纳信号仿真更加真实和精确。另外，本发明的仿真方法利用正弦曲线和高斯分布表现阵形畸变和阵元抖动，具有工程实用性。
附图说明
图1为本发明的流程框图。
图2为实施例1中等间隔排列的线阵加入正弦随机扰动的基阵坐标。
图3为实施例1中等间隔排列的线阵加入高斯随机扰动的基阵坐标。
图4为实施例1中等间隔排列的线阵加入正弦随机扰动和阵元随机抖动的声纳阵列信号。
图5为实施例1中等间隔排列的线阵加入高斯随机扰动和阵元随机抖动的声纳阵列信号。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明的一种基于阵形畸变及阵元随机抖动的声纳信号仿真方法，包括以下步骤：
第一步：获取等间隔排列的线阵的阵元间距d，阵元个数n和声纳布放的深度z，从而测算等间隔排列的线阵无阵形畸变时各个阵元的坐标，记无阵形畸变时第1—n号阵元中的第i号阵元的坐标为(xi,yi,zi)；i为阵元标号，i取值为1—n；其中，阵元的标号从坐标系的原点开始，按照X轴方向，顺序标号，从1标至n号。
在第一步中，坐标系是以阵形还没变形时，等间隔排列的线阵末端所在位置为圆心O，以船体拖着等间隔排列的线阵行驶的方向为X轴方向，等间隔排列的线阵扰动的方向为Y轴方向，垂直于海平面、且指向地心的方向为Z轴方向。依据式(2)得到无阵形畸变时第1—n号阵元中的第i号阵元的坐标(xi,yi,zi)：
xi=(i-1)dyi=0zi=z]]>                式(2)
其中，d表示等间隔排列的线阵的阵元间距，i表示阵元标号，z表示声纳布放的深度。
第二步：在等间隔排列的线阵出现阵形畸变时，当阵形畸变是正弦随机扰动时，设置正弦随机扰动的扰动参数，正弦随机扰动的扰动参数包括正弦随机扰动的随机频率f、正弦随机扰动的随机幅度A和标号为1的阵元的初始相位；当阵形畸变是高斯随机扰动时，设置高斯随机扰动的扰动参数，高斯随机扰动的扰动参数包括高斯随机扰动的均值μ和高斯随机扰动的方差σ2，从而获得阵形畸变后第1—n号阵元中的第i号阵元的当前坐标(xi',yi',zi')。
在第二步中，依据式(3)得到正弦随机扰动时第1—n号阵元中的第i号阵元的坐标(xi',yi',zi')：
              式(3)
依据式(4)得到高斯随机扰动时第1—n号阵元中的第i号阵元的坐标(xi',yi',zi')：
xi′=(i-1)df(yi′)=12πσ2e(-(yi′-μ)22σ2)zi′=z]]>              式(4)
其中，f(yi')表示第i号阵元的yi'坐标的概率密度函数，yi'满足高斯分布，e表示数学常数，为2.7182818；
第三步：基于第二步获得的阵形畸变后第1—n号阵元中的第i号阵元的当前坐标(xi',yi',zi')，生成无阵元随机抖动情况下水声目标辐射噪声信号从水声目标位置传播到各个阵元的阵元信号si(k)，k为整型变量。
在第三步中，生成阵元信号si(k)的过程为水声目标辐射噪声信号和从水声目标位置到达各个阵元的海洋信道相卷积。
第四步：第1—n号阵元中的第i号阵元出现随机抖动时，第i号阵元实际生成的阵元信号s'i(k)为：
s'i(k)＝si(k)(1-ai)+Mi            式(1)
其中，Mi表示第i号阵元随机抖动的均值偏移，ai表示第i号阵元随机抖动的幅度衰减。
在第四步中，第i号阵元随机抖动的幅度衰减ai服从均匀分布：
f(ai)=1B-A]]>            式5
其中，f(ai)表示幅度衰减ai的概率密度函数，A和B是均匀分布的两个参数，且A￡ai￡B，均匀分布的均值为均匀分布的方差为
下面例举一实施例。
实施例
现有某等间隔排列的线阵，阵元间距0.25m，阵元个数36个，布放在距离海平面30m深的海水中。由于受到拖船、海流等的影响，阵形发生畸变；由于声纳基阵在生产工艺和在安装过程中出现了误差，第1号阵元出现随机抖动，第1号阵元的阵元信号出现0.2v的均值偏移，幅度衰减在0-0.2左右。水声目标辐射噪声信号假定为单频信号，采样率为fs＝6KHz，单频信号的频率为300Hz。
首先，测算等间隔排列的线阵无阵形畸变时第1～36号阵元的各个阵元的坐标，测算出无阵形畸变时各个阵元的坐标如图2和图3所示。
接着，当阵形畸变是正弦随机扰动时，设置正弦随机扰动的扰动参数，正弦随机扰动的扰动参数包括正弦随机扰动的随机频率f为0.05Hz、正弦随机扰动的随机幅度A为1v和标号为1的阵元的初始相位为0°。当阵形畸变是高斯随机扰动时，设置高斯随机扰动的扰动参数，高斯随机扰动的扰动参数包括高斯随机扰动的均值μ为0v和高斯随机扰动的方差σ2为0.02。利用阵形畸变的参数测算出阵形畸变后各个阵元的当前坐标，当阵形畸变是正弦随机扰动时阵元当前坐标如图2，当阵形畸变是高斯随机扰动时阵元当前坐标如图3。
然后，基于正弦随机扰动时第1～36号阵元中的第i号阵元的当前坐标，生成无阵元随机扰动时水声目标辐射噪声信号从水声目标位置传播到各个阵元的阵元信号，如图4所示。基于高斯随机扰动时第1～36号阵元中的第i号阵元的当前坐标，生成无阵元随机扰动时水声目标辐射噪声信号从水声目标位置传播到各个阵元的阵元信号，如图5所示。从图4和图5看出，正弦随机扰动和高斯随机扰动都较好的模拟出等间隔排列的线阵布放在水下的实际效果。
最后，设定第1～36号阵元中的第1号阵元随机抖动的均值偏移M1为0.2v，幅度衰减a1服从均匀分布：0￡a1￡0.2。生成阵形畸变是正弦随机扰动时第1号阵元出现随机扰动时水声目标辐射噪声信号从水声目标位置传播到1号阵元的阵元信号，如图4所示。生成阵形畸变是高斯随机扰动时第1号阵元出现随机抖动时水声目标辐射噪声信号从水声目标位置传播到1号阵元的阵元信号，如图5所示。从图4和图5看出，第1号阵元出现随机抖动时，第1号阵元的阵元信号出现0.2v的均值偏移和0.1的幅度衰减。该数值符合本实施例开始设定的第1号阵元出现随机抖动时，第1号阵元的阵元信号出现0.2v的均值偏移，幅度衰减在0-0.2左右。第1号阵元的仿真效果达到阵元抖动的实际效果。
以上对本发明实施例所提供的一种基于阵形畸变及阵元随机抖动的声纳信号仿真方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。