本發(fā)明涉及一種仿海豚主動(dòng)脈沖信號(hào)建模方法。

背景技術(shù)：

海豚(Bottlenose Dolphin)是齒鯨亞目海豚科的一種，它是海洋中分布最廣、人類(lèi)研究和認(rèn)識(shí)最多的海豚之一。海豚的聲吶系統(tǒng)經(jīng)過(guò)千百萬(wàn)年的自然選擇和進(jìn)化，具有非常優(yōu)異的目標(biāo)和環(huán)境感知能力和抗干擾能力。通過(guò)聲吶系統(tǒng)發(fā)出的click信號(hào)(咔噠聲)，它們能夠完成種群個(gè)體的識(shí)別、定位、導(dǎo)航、避障、獵食和躲避天敵等各種復(fù)雜任務(wù)。

當(dāng)前聲納系統(tǒng)在進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)時(shí)，主要采用單頻和調(diào)頻等脈沖信號(hào)，采用固定的探測(cè)模式，難以適應(yīng)水下環(huán)境和目標(biāo)的不斷改變。隨著國(guó)內(nèi)外對(duì)海豚等海洋哺乳動(dòng)物的發(fā)生機(jī)理、以及利用聲納進(jìn)行探測(cè)的行為研究和理解的不斷深入，使模仿海豚進(jìn)行水下目標(biāo)探測(cè)成為可能。海豚能夠通過(guò)其獨(dú)特的發(fā)聲機(jī)構(gòu)和聰明的大腦，根據(jù)目標(biāo)任務(wù)和環(huán)境的變化，改變發(fā)射波形，實(shí)現(xiàn)最佳的目標(biāo)探測(cè)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種用于仿海豚自適應(yīng)探測(cè)系統(tǒng)的仿海豚主動(dòng)脈沖信號(hào)建模方法。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：

通過(guò)將常規(guī)的單頻、線(xiàn)性調(diào)頻、雙曲調(diào)頻等脈沖信號(hào)作為種子信號(hào)，通過(guò)時(shí)延和加權(quán)疊加，再通過(guò)高斯窗，通過(guò)參數(shù)控制創(chuàng)建具有不同頻譜分布的仿海豚主動(dòng)脈沖信號(hào)，為實(shí)現(xiàn)目標(biāo)和環(huán)境自適應(yīng)的仿生探測(cè)系統(tǒng)提供發(fā)射信號(hào)。具體的方案如下：

(1)選擇脈沖種子信號(hào)：可根據(jù)任務(wù)目標(biāo)，從單頻、線(xiàn)性調(diào)頻、雙曲線(xiàn)性調(diào)頻和瑞利脈沖中選擇一種或多種脈沖作為分量種子信號(hào)；

(2)確定仿聲信號(hào)的分量數(shù)和頻譜分布：分量數(shù)可取任意數(shù)目，為簡(jiǎn)化起見(jiàn)可取2-3個(gè)；頻譜的能量分布主要考慮目標(biāo)探測(cè)時(shí)關(guān)注的是低頻部分還是高頻部分，從而給出合適的加權(quán)；

(3)將各分量時(shí)延和加權(quán)后線(xiàn)性疊加；

(4)將疊加結(jié)果通過(guò)高斯包絡(luò)。

具體的公式如下：

其中，w_i是相對(duì)的幅度，p_i是合成信號(hào)的子脈沖分量，τ_i是脈沖之間的時(shí)間延遲,T是脈沖周期，N是合成信號(hào)中子脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù)。

用本發(fā)明的模型創(chuàng)建的主動(dòng)脈沖信號(hào)具有寬帶、短脈寬的特點(diǎn)，多個(gè)子脈沖分量之間具有特定的時(shí)延，通過(guò)子分量類(lèi)型、頻帶、加權(quán)和時(shí)延的設(shè)置，可以創(chuàng)建具有特定頻譜分布的脈沖信號(hào)；創(chuàng)建的主動(dòng)脈沖信號(hào)可以單獨(dú)發(fā)射，可以組合成一串發(fā)射。

本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明輸出的合成信號(hào)的頻譜分布，可通過(guò)調(diào)整權(quán)系數(shù)和時(shí)延獲得，采用一定的自適應(yīng)機(jī)制，可以獲得最佳的探測(cè)波形，可有效改善傳統(tǒng)的固定探測(cè)模式下的探測(cè)性能受限環(huán)境和目標(biāo)改變的缺陷。需要指出的是，對(duì)click信號(hào)的仿真，不是完全照搬海豚的信號(hào)，而是借用其思想，其波形、頻率分布和相關(guān)參數(shù)可以根據(jù)需要調(diào)整。創(chuàng)建的主動(dòng)脈沖信號(hào)可以單獨(dú)發(fā)射，可以組合成一串發(fā)射。

附圖說(shuō)明

圖1為仿海豚click信號(hào)建模示意圖。

圖2為仿海豚click信號(hào)仿真時(shí)域波形。

圖3為仿真信號(hào)的頻譜。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述。

本發(fā)明提供一種仿海豚主動(dòng)脈沖信號(hào)建模方法，將常規(guī)脈沖信號(hào)作為種子信號(hào)，通過(guò)加權(quán)和延時(shí)將多個(gè)種子分量疊加在一起，仿照海豚click信號(hào)的頻譜能量分布，創(chuàng)建具有寬帶、短脈寬的多分量仿海豚click信號(hào)，為建立仿海豚自適應(yīng)探測(cè)的聲納系統(tǒng)提供發(fā)射信號(hào)。該模型的關(guān)鍵點(diǎn)包括：(1)仿海豚的主動(dòng)脈沖信號(hào)是由多個(gè)常規(guī)脈沖信號(hào)(CW,LFM,HFM等)按照一定的加權(quán)和時(shí)延疊加而成的。(2)根據(jù)不同的探測(cè)目標(biāo)和環(huán)境選擇頻帶分布；(3)由于脈沖種子的不同，創(chuàng)建的仿海豚click信號(hào)也具有種子信號(hào)的相關(guān)特性。由于該模型產(chǎn)生的脈沖信號(hào)可以由任意組合的參數(shù)控制，即可單獨(dú)發(fā)射，也可組合發(fā)射，可為仿生探測(cè)系統(tǒng)提供幾乎無(wú)限的探測(cè)信號(hào)，以適應(yīng)探測(cè)目標(biāo)和環(huán)境。

如圖1所示的模型示意圖，以三個(gè)子分量的click脈沖信號(hào)為例進(jìn)行說(shuō)明，具體步驟如下：

1.分別以L(fǎng)FM、HFM和CF脈沖信號(hào)作為種子信號(hào)，創(chuàng)建click信號(hào)，各分量之間的時(shí)延為τ_i＝20us,i＝1…2，τ₀＝0；

2.設(shè)定分量個(gè)數(shù)N＝3，各分量的頻譜分布脈沖周期參數(shù)如表1所示：

3.權(quán)系數(shù)w_i＝1,i＝0…2,對(duì)各分量按照如下公式進(jìn)行疊加運(yùn)算：

當(dāng)分量信號(hào)為L(zhǎng)FM時(shí)，子脈沖分量信號(hào)p_i可表示為：

當(dāng)分量信號(hào)為CF時(shí)，子脈沖分量信號(hào)p_i可表示為：

當(dāng)分量為HFM時(shí)，子脈沖分量信號(hào)p_i可表示為：

其中f_L和f_H分別為個(gè)子分量信號(hào)的下限頻率和上限頻率，B為分量的帶寬。

4.將3中線(xiàn)性疊加的結(jié)果與高斯信號(hào)相乘，即：

其中高斯函數(shù)的參數(shù)u＝1。

圖2給出了表1所示對(duì)應(yīng)參數(shù)click信號(hào)時(shí)域仿真結(jié)果，圖3給出了圖2對(duì)應(yīng)信號(hào)的頻譜，頻譜分布的不同，表示探測(cè)需要關(guān)注不同的頻帶。

Click信號(hào)的子脈沖分量可以采用相同的脈沖類(lèi)型，也可采用不同脈沖類(lèi)型，分量數(shù)可根據(jù)需要設(shè)置，頻率分布也可根據(jù)實(shí)際發(fā)射換能器的具體指標(biāo)和探測(cè)距離進(jìn)行合理選擇。另外，Click信號(hào)合成除了采用上述數(shù)字疊加的方法外，也可使用具有不同頻率指標(biāo)的換能器基陣，每個(gè)換能器發(fā)射一個(gè)分量，在水下聲場(chǎng)環(huán)境中疊加，當(dāng)然這又涉及基陣相關(guān)參數(shù)的設(shè)計(jì)。

表1各分量參數(shù)