一种主动声纳应答方法及应答器技术

本发明专利技术提供了一种主动声纳应答方法及应答器，首先通过搜索声纳发射直达波,测得直达脉冲信号频谱,据此精确确定FIR带通滤波器中心频率和带宽,再通过微分精确测得脉冲包络前后沿宽度,由应答器内部信号生成不受多径和混响扩展影响的模拟目标回波信号。本发明专利技术的有益效果为：本发明专利技术解决了浅海海上试验舰壳声纳大功率发射常规应答输出信号无法满足声纳性能检测精度标校问题；利用应答器内部FPGA可编程信号生成的灵活性，频率、脉宽、带宽可任意设置，大幅提高海上试验测试效率。大幅提高海上试验测试效率。大幅提高海上试验测试效率。

【技术实现步骤摘要】
一种主动声纳应答方法及应答器


[0001]本专利技术涉及属于舰壳声纳总体与电路设计领域，主要是一种主动声纳应答方法及应答器。

技术介绍

[0002]由于受试验目标和试验环境的限制，大型舰壳声纳在开展鉴定试验时一般需要通过应答器作模拟目标回波实现声纳测向、测距、测速精度和测量范围等静态性能检测。常规应答器一般通过水听器接收主动声纳直达波，并经过放大、滤波后再将此接收信号由发射换能器发送，实现应答。但在接收直达波时也存在海底与海面的散射(混响)、多径衰落、背景噪声，通常应答发送信号也包含了此类混响与噪声，导致声纳静态检测时信混比较低、稳定性较差，影响声纳静态性能的标校。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于克服现有技术存在的不足，在保持正常(被动)应答功能的同时,根据浅海信道和传播条件，而提供一种主动声纳应答方法及应答器，用于模拟海上环境目标反射回波，用于检查主动声纳的测距、测向、测速性能，通过检测直达波短时谱特征及其脉宽，利用FPGA生成可编程应答信号，环境适应性好，便携灵活。
[0004]本专利技术的目的是通过如下技术方案来完成的。一种主动声纳应答方法，首先通过搜索声纳发射直达波,测得直达脉冲信号频谱,据此精确确定FIR带通滤波器中心频率和带宽,再通过微分精确测得脉冲包络前后沿宽度,由应答器内部信号生成不受多径和混响扩展影响的模拟目标回波信号。
[0005]本专利技术的有益效果为：本专利技术解决了浅海海上试验舰壳声纳大功率发射常规应答输出信号无法满足声纳性能检测精度标校问题；利用应答器内部FPGA可编程信号生成的灵活性，频率、脉宽、带宽可任意设置，大幅提高海上试验测试效率。
附图说明
[0006]附图1本专利技术的应答器应答原理框图；
[0007]附图2应答器实现过程信息流程及参数示意图；
[0008]附图3脉冲信号短时FFT效果示间图；
[0009]附图4用微分(梯度)法进行类方波脉冲信号前、后沿时刻检测示意图；
[0010]附图5基于FPGA的混合应答信号生成框图；
[0011]附图6应答器实现人机界面示意图；
[0012]附图7南海海域，某型声纳利用混合应答方式进行海上鉴定试验测速精度及测速范围考核的声纳显示画面截图；
[0013]附图8应答器组成框图；
[0014]附图9应答器操作控制流程示意图。
具体实施方式
[0015]下面将结合附图和实施例对本专利技术做详细的介绍：
[0016]本专利技术应答器主要由接收换能器、发射换能器、接收采集处理单元、控制单元、信号调理、线性功放等组成，其应答原理及功能模块组成如附图1所示。
[0017]本专利技术应答器通过硬件设计、软件开发实现被动应答、混合应答。被动应答在信号模拟端实现，混合应答通过模拟信号调理、A/D变换后，由控制单元完成短时谱分析、FIR滤波器设计、包络微分，测得发射信号时频特征后，控制FPGA，生成各种应答脉冲信号。组成框图如附图8所示。
[0018]控制单元采用Getac公司B300加固便携机，内置i5
‑
2520M博锐处理器2.5GHz，8GBDDR3内存，具有良好的加固、防尘、防振性能。通过网络接口完成实现功能如下：
[0019](a)完成应答器工作方式选择；
[0020](b)在被动应答工作方式下，接收换能器接收直达波声信号，控制单元控制完成带宽选择、幅度控制，再控制线性功放输出功率控制，由发射换能器完成发射。
[0021](c)在混合应答工作方式下，检测发射信号时频特征、FIR滤波，将频率、脉宽信息送FPGA，控制FPGA实现复杂信号应答；
[0022](d)完成应答器接收通道、发射通道的输入输出信号显示；工作状态显示；
[0023](e)具有测试校准功能。
[0024]操作控制软件流程如附图9所示。
[0025]本专利技术提出的混合应答法，通过搜索声纳发射直达波，通过短时谱分析，测得直达波频谱，据此选择信号调理及后级可编程带通滤波参数，改善信噪比；再对滤波后直达波包络经微分，测得脉冲前/后沿及脉宽；控制应答器内部信号源生成不受多径和混响扩展影响的模拟目标回波信号；信号生成灵活，频率、脉宽、带宽可任意设置，可满足浅海海上试验舰壳声纳大功率工作性能测试与精度标校需求，并大幅提高海上试验效率。
[0026]本专利技术应答器分被动应答和混合应答，实现过程信息流程见图2，主要包括信号接收调理、脉冲信号短时FFT、脉冲信号包络检测信息流程及关键参数设置。
[0027](1)被动应答
[0028]即根据控制单元的命令，通过接收换能器接收直达声波及混响，将接收信号通过放大、带通滤波、幅度调节、门限设置，再激励线性功放驱动发射换能器发出应答信号，实现主动目标回波信号实时模拟。
[0029](2)混合应答
[0030]在浅水、复杂地形或远程试验应答，信噪(混)比较低，通过接收换能器接收信号形式未知的发射直达波，先对该直达波进行短时谱分析、脉冲前沿与宽度检测，选择合理的FIR滤波器带宽，提高信噪比，再将脉冲包络经数字微分测得脉冲前、后沿宽度，得到脉冲宽度，用上升沿(正梯度)触发内部信号源生成与直达波信号脉宽相同，频率、幅度、门限可调的脉冲应答信号，实现目标强度与多普勒模拟。
[0031]a)信号提取
[0032]为了测得发射直达波频谱，兼顾实际应答信号脉宽不小于50ms，则设短时FFT的脉冲信号长度取为τ＝31.25ms,重跌50％，累积时间T不小于10s，短时FFT的计算：
[0033]以f
s
为采样频率，对x(t)进行采样，得到样本序列：
[0034]x(0),x(1),
…
,x(N
‑
1),
[0035]其中N为样本长度，则其DFT为：
[0036][0037]当f
s
＝32768Hz,N＝τ
×
f
s
＝1024时，频率分辨率：此分辨率对滤波器设置精度已足够，经FFT得到的增益
[0038]增加累积次数，利用噪声的不相关性，可使FFT的增益进一步提高，为此把x(k)分为M段，同时覆盖了对主动信号脉宽长度T的频谱分析，T＝M
×
τ＝10s,则M＝320。
[0039]设第m段信号为:
[0040]x((m
‑
1)N+k) k＝0,1,
…
,N
‑1[0041]每一段长度为N,对第m段信号进行DFT,得到谱
[0042][0043]把|X
m
(l)|2进行累加，得到：
[0044][0045]上式可以使增益进一步提高，如附图3所示，累积320次前(左)/后(右)的短时FFT，LFM信号频率(5～5.5)kHz，脉宽200ms，采样率32.768kHz。
[0046]通过以上确定发射信号中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种主动声纳应答方法，其特征在于：首先通过搜索声纳发射直达波,测得直达脉冲信号频谱,据此精确确定FIR带通滤波器中心频率和带宽,再通过微分精确测得脉冲包络前后沿宽度,由应答器内部信号生成不受多径和混响扩展影响的模拟目标回波信号。2.根据权利要求1所述的主动声纳应答方法，其特征在于：该方法包括被动应答和混合应答，具体步骤如下：(1)、被动应答根据控制单元的命令，通过接收换能器接收直达声波及混响，将接收信号通过放大、带通滤波、幅度调节、门限设置，再激励线性功放驱动发射换能器发出应答信号，实现主动目标回波信号实时模拟；(2)、混合应答通过接收换能器接收信号形式未知的发射直达波，先对该直达波进行短时谱分析、脉冲前沿与宽度检测，选择合理的FIR滤波器带宽，提高信噪比，再将脉冲包络经数字微分测得脉冲前、后沿宽度，得到脉冲宽度，用上升沿触发内部信号源生成与直达波信号脉宽相同，频率、幅度、门限可调的脉冲应答信号，实现目标强度与多普勒模拟。3.根据权利要求2所述的主动声纳应答方法，其特征在于：所述的混合应答具体步骤如下：a)信号提取为了测得发射直达波频谱，兼顾实际应答信号脉宽不小于50ms，则设短时FFT的脉冲信号长度取为τ＝31.25ms,重跌50％，累积时间T不小于10s，短时FFT的计算：以f
s
为采样频率，对x(t)进行采样，得到样本序列：x(0),x(1),
…
,x(N
‑
1),其中N为样本长度，则其DFT为：当f
s
＝32768Hz,N＝τ
×
f
s
＝1024时，频率分辨率：经FFT得到的增益增加累积次数，利用噪声的不相关性，使FFT的增益进一步提高，把x(k)分为M段，同时覆盖了对主动信号脉宽长度T的频谱分析，T＝M
×
τ＝10s,则M＝320；设第m段信号为:x((m
‑
1)N+k)k＝0,1,
…
,N
‑
1每一段长度为N,对第m段信号进行DFT,得到谱把|X
m
(l)|2进行累加，得到：
通过以上确定发射信号中心频率与带宽，确定FIR滤波器...

【专利技术属性】
技术研发人员：倪东波，许钢灿，王慧文，张天亮，
申请(专利权)人：中国船舶重工集团公司第七一五研究所，
类型：发明
国别省市：