【技术实现步骤摘要】
本申请属于海洋声学海底地形探测、声呐回波信号仿真领域以及声呐制造领域，具体涉及一种深水mbes海底回波信号仿真方法及系统。
技术介绍
1、多波束测深声呐工作时形成一个沿龙骨方向波束开角较窄、垂直龙骨方向波束开角较宽的发射波束条带，并通过信号处理算法形成若干个沿龙骨方向较宽、垂直龙骨方向较窄的接收波束条带。通过计算发射条带与各个接收条带重合区域(即波束脚印)的回波到达时间，结合声速与波束脚印方向可以计算各个区域中心的深度值。一次发射获得的多个测深结果形成一个垂直于航迹方向的测深条带，沿航迹方向连续发射条带则可实现全覆盖的海底探测。
2、多波束测深声呐海底回波信号仿真在多波束测深系统制造以及信号处理算法研究验证有着重要的作用。全面的信号仿真方法可以加快算法的研究与验证，缩短声呐研发周期。2012年，yoann ladroit等人提出了扩展散射体模型。2015年，张威等人在扩展散射体模型的基础上提出了幅值加权模型，提升了计算时间。但上述模型均未考虑声速场、平台实时运动等因素对回波信号仿真的影响。
技术实现思路
1、本申请的目的在于克服现有平台运动条件下的深水mbes(multibeam echosounder多波束测深声呐)海底回波信号仿真方法中模型过于简单且未考虑声速场、平台实时运动的缺陷。
2、为了实现上述目的，本申请提出了一种深水mbes海底回波信号仿真方法，包括：
3、步骤1：基于平台运动模型获得每ping的局部海底地形网格；
4、
5、步骤3：首先根据第n ping发射时刻传感器数据计算发射基阵空间位置，其次通过声线跟踪计算局部海底地形网格点到发射基阵各个基元的传播时间，再基于三维波束稳定技术计算发射基阵各个阵元的时延，最后通过波束形成得到第n ping各个发射波束脚印内的网格点坐标和幅值；所述各个发射波束脚印内的网格点即散射点；
6、步骤4：基于幅值加权模型，将发射基阵等效为一个发射点源，基于平台运动模型，并考虑平台运动引起的多普勒效应、海底混响三维散射模型、散射点幅值以及传播损失，计算发射信号经散射点反射到达接收基阵各基元的原始信号，并将所有网格点计算结果相加得到该ping所有接收基元的原始信号；
7、步骤5：根据步骤3和步骤4计算得到所有ping的基元原始信号。
8、作为上述方法的一种改进，所述平台运动模型为：
9、平台运动按ping离散化，1ping为1个运动模块；
10、设定一定时间长度内平台位置和姿态不发生变化，将运动模块内平台运动按时间长度离散化，1个时间长度为1个运动单元；
11、载体坐标系中心与基阵中心共点。
12、作为上述方法的一种改进，所述步骤1包括：
13、步骤1-1：在载体坐标系下对发射波束可能照射到的范围网格化；
14、将局部海底均匀网格化，根据发射基阵中心平面坐标[0,0]、垂直航迹方向单侧海底覆盖宽度bw、沿着航迹方向单侧海底覆盖宽度以及网格步长计算载体坐标系下局部海底地形网格点平面坐标；
15、步骤1-2：计算每ping发射时刻的平台位置；
16、仿真生成海底地形数据或导入历史海底地形数据，设置测线起止位置、平台运动速度和发射间隔，计算各发射时刻平台平面位置[x1,y1],[x2,y2],...,[xn,yn],...,[xn,yn]；
17、步骤1-3：基于坐标转换和插值拟合技术，根据海底地形数据，计算第n ping载体坐标系下局部海底地形网格点平面坐标对应的垂直坐标
18、
19、f(xj,yj)＝zj,j＝1,2,...,k
20、
21、其中，α为航向值，向右旋转为正；为载体坐标系下局部海底地形第i个网格点坐标；xj,yj,zj为历史地形数据x,y,z的第j个海底点坐标；lw为垂直航迹方向网格点数量；ll为沿着航迹方向的网格点数量；k为海底点数量；为变换到历史地形数据坐标系下的x、y坐标。
22、作为上述方法的一种改进，所述步骤2包括：
23、传感器数据包括姿态数据、升沉数据、表面声速数据和gnss数据；
24、传感器数据由固定值或简单三角函数模拟，或直接采用实测数据；
25、声速剖面由经验公式模拟或采用实际测量的声速剖面。
26、作为上述方法的一种改进，所述步骤3包括：
27、步骤3-1：计算载体坐标系下发射波束方向矢量
28、
29、
30、其中，φ为发射波束方向矢量在xz平面投影与负z轴的夹角；θtr为发射波束方向矢量在yz平面投影与负z轴的夹角；
31、步骤3-2：基于三维波束稳定技术计算发射基阵各基元时延；
32、设定基阵中心坐标ao＝[0,0,0]t，在载体坐标系下计算发射波束方向矢量与基阵轴向的夹角
33、
34、
35、
36、
37、
38、
39、
40、
41、其中，为在载体坐标系下基阵x、y、z轴向的方向矢量；为艏摇角，向右旋转为正；p为纵摇角，船头抬起为正；r为横摇角，左舷抬起为正；γ为坐标旋转矩阵；
42、计算发射基阵各基元的时延：
43、
44、
45、其中，τm为发射基阵第m个基元的时延；cs表示表面声速；为第m个基元在载体坐标系下的x、y、z坐标；p和qtr分别为发射基阵沿着龙骨方向和垂直龙骨方向上的基元个数；t为向量转置；
46、步骤3-3：通过插值得到发射时刻的姿态数据和升沉数据，然后计算发射时刻发射基阵各基元坐标：
47、
48、
49、
50、
51、
52、其中，为时刻姿态值；为时刻发射基阵第m基元原始坐标；为时刻发射基阵第m基元经过姿态变换、吃水改正、升沉补偿的坐标；draft为吃水深度；为时刻的升沉值；
53、通过声线跟踪计算网格点到发射基阵各个基元的传播时间tim,i＝1,2,...,lw×ll,m＝1,2,...,p×qtr：
54、
55、其中，tim为第i个网格点到第m个阵元的传播时间；x为单层的水平距离；t为单层的传播时间；α1为本层开始的掠射角；α(z)为本层结束的掠射角；z1为本层开始对应的深度；z为本层结束对应的深度；g层内梯度；c为声速；
56、采用分层迭代计算传播时间，固定首层的掠射角，采用上式计算每层的传播时间，通过累加到网格点层的传播时间tkm；比较累加水平距离与实际水平距离的差值是否小于设定阈值，若小于，则计算结束，若大于则改变首层掠射角重复上述计算；
57、步骤3-4本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种深水MBES海底回波信号仿真方法，包括：
2.根据权利要求1所述的深水MBES海底回波信号仿真方法，其特征在于，所述平台运动模型为：
3.根据权利要求1所述的平台运动条件下的深水MBES海底回波信号仿真方法，其特征在于，所述步骤1包括：
4.根据权利要求3所述的深水MBES海底回波信号仿真方法，其特征在于，所述步骤2包括：
5.根据权利要求4所述的深水MBES海底回波信号仿真方法，其特征在于，所述步骤3包括：
6.根据权利要求5所述的深水MBES海底回波信号仿真方法，其特征在于，所述步骤4包括：
7.一种深水MBES海底回波信号仿真系统，基于权利要求1-6任一所述方法实现，其特征在于，所述系统包括：
【技术特征摘要】
1.一种深水mbes海底回波信号仿真方法，包括：
2.根据权利要求1所述的深水mbes海底回波信号仿真方法，其特征在于，所述平台运动模型为：
3.根据权利要求1所述的平台运动条件下的深水mbes海底回波信号仿真方法，其特征在于，所述步骤1包括：
4.根据权利要求3所述的深水mbes海底回波信号仿真方法，其特...
【专利技术属性】
技术研发人员：徐辉，王舒文，刘晓东，范仲雪，董聚兵，
申请(专利权)人：中国科学院声学研究所，
类型：发明
国别省市：
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