基于回波数据模拟器的多普勒计程仪算法性能验证装置
阅读说明：本技术 基于回波数据模拟器的多普勒计程仪算法性能验证装置 (Doppler log algorithm performance verification device based on echo data simulator ) 是由 王茂法 王震 薛欢欢 于 2021-06-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于回波数据模拟器的多普勒计程仪算法性能验证装置,现有技术中多普勒计程仪设备在正式投入使用之前,需要进行长时间的性能测试。实航测速所耗费的时间以及资源巨大,增加了DVL系统的研发成本以及延长了开发周期,本发明在陆地环境下来验证DVL性能。在对声呐回波数据的散射回波模型研究的基础上,在PC端编程设计一个回波数据模拟器,输入DVL参数生成回波数据并发送给多普勒计程仪的算法运行平台进行算法性能验证,并在显示与控制平台显示验证结果。(The invention discloses a Doppler log algorithm performance verification device based on an echo data simulator. The method has the advantages that the consumed time and resources for real aerial speed measurement are huge, the research and development cost of the DVL system is increased, the development period is prolonged, and the DVL performance is verified in a land environment. On the basis of research on a scattering echo model of sonar echo data, an echo data simulator is programmed and designed at a PC (personal computer) end, DVL (digital video logging) parameters are input to generate echo data, the echo data are sent to an algorithm operation platform of a Doppler log to carry out algorithm performance verification, and a verification result is displayed on a display and control platform.)
技术领域
本发明涉及一种算法性能验证装置，具体涉及一种基于回波数据模拟器的多普勒计程仪算法性能验证装置。
技术背景
多普勒计程仪是一种高精度的测速和计算航程的声呐设备，目前在军用及民用导航领域都有广泛的应用。多普勒计程仪的工作模式有两种。第一种海底高度较小时，换能器接收海底回波信号后首先检测海底高度，然后通过测速算法计算换能器相对于海底的速度，这种工作方式称为对底跟踪；第二种是海底高度较大时，换能器无法采集过于微弱的海底回波，甚至声波都无法照射到海底，测量载体相对于某一水层的多普勒频移来计算相对于水层的速度，这种工作方式称为对流跟踪。
DVL设备在正式投入使用之前，都需要进行长时间的性能测试。其中将多普勒计程仪置于实际工作环境中的实航测速，测试结果最正确和真实。然而实航测速所耗费的时间以及资源巨大，增加了DVL系统的研发成本以及延长了开发周期，所以往往在最后的测试阶段才会进行海上试验。由于陆地上缺乏真实的水下环境，DVL无法采集真实的水下回波信号，无法满足系统调试以及性能测试的需求。因此，要对计程仪进行算法性能测试，必须为其提供海底回波信号以及对流层回波信号。
发明内容
本发明的目的是针对在多普勒计程仪实航测速耗时长久、成本高昂的问题，设计了一种基于回波数据模拟器的多普勒计程仪算法性能验证装置。
本发明基于回波数据模拟器的多普勒计程仪算法性能验证装置，包括回波数据模拟器、算法运行平台、显示与控制平台；通过显示与控制平台将发射信号参数通过RS232串口输入算法运行平台，算法运行平台根据发射信号参数配置算法模块，该技术属于现有技术；回波数据模拟器根据输入的DVL参数生成回波数据，DVL参数包括安装角、声呐波束角、信号脉宽、信号周期、信号频率、相对速度和对底深度，并将回波数据通过串口或者网口发送给算法运行平台；算法运行平台对回波数据进行对底跟踪或对流跟踪算法处理，将处理结果通过串口RS232发送给显示与控制平台；显示与控制平台接收算法运行平台的数据并将其送显。
所述的回波数据模拟器根据输入的DVL参数生成回波数据，实现步骤如下：
发射信号为：
其中T为发射信号脉冲宽度，f0为信号频率，是信号的相位，为矩形函数，其表达式为：
首先，将扇环区域按照波束照射时间划分N个区域，认定每个区域内的每个散射单元距离换能器的距离相等，第i个区域对应的水平面夹角为βi，时间差τ0：
式中，α为发射波束与垂线的夹角，θ为波束宽度，c为声速，z是对底高度。
第i个散射单元的时间尺度压缩因子：
式中，v为相对海水速度。
第i个散射单元的回波延时：
式中，Δτ表示每个划分区域间的时间差Δτ＝τ0/N。
得到回波信号的公式为：
式中，为第i个散射单元的回波随机相位，Ai为第i个散射单元的回波随机幅值，
其次，在N等分划分的条件下，对N个划分区域继续进行散射体划分，设每一个扇环单元内单位面积的散射体数量为ρ，则第i个扇环区域内的散射体数量为N·Ni＝Si·ρ，其中Si是第i个扇环区域的面积。
假设第i个散射区域内全部散射体与换能器之间的距离相等。第i个扇环单元内对海底回波信号的贡献为：
式中，为第i个散射单元内第j个散射体的回波随机相位；Aij为第i个散射单元内第j个散射体的回波随机幅值，kij第i个散射单元内第j个散射体的时间尺度压缩因子；τij表示i个散射单元内第j个散射体的回波延时；
结合公式(6)和(7)，得到回波模型的回波信号表达式：
式中：nij(t)为噪声信号。
根据K分布模型，第i个散射单元内单散射体散射幅度Aij服从指数分布，相位服从0～2π均匀分布。
所述的算法运行平台通过串口或者网口与回波模拟器连接，接收回波数据并进行信号处理；通过一个RS232串口与显示与控制平台连接，进行数据交互。
所述的显示与控制平台包含一个RS232串口，负责完成显示与控制平台与算法运行平台之间的通信工作，控制算法运行平台的算法模块以及显示算法验证结果。
所述的算法运行平台为PC机。
本发明的有益效果是：
在对声呐回波数据的散射回波模型研究以及改进的基础上，设计并实现了一种回波数据模拟器，并与算法运行平台和显示与控制平台共同组成了多普勒计程仪算法性能验证装置。此装置能够在不破坏DVL结构和工作模式下，在陆地环境下对对多普勒计程仪进行算法性能验证。输入不同的DVL参数可以产生不同的含多普勒信息的回波数据来验证多普勒计程仪的适用情况，操作简单、测试方便，代替了繁杂的水池测速和航行实验，降低了实验成本，缩短了多普勒计程仪的开发周期，也可用于多普勒计程仪的开发和日常维护。经过多次实验验证，该多普勒算法性能验证装置各部分工作状态良好，输出回波模拟信号稳定、可靠，验证结果显示符合应用需求。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的系统结构框图。
图2是本发明中海底回波扇环形散射模型。
图3是本发明中扇环散射区域的散射点分布情况图。
图4是本发明的软件工作流程。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，基于回波数据模拟器的多普勒计程仪算法性能验证装置，由回波数据模拟器、算法运行平台、显控与控制平台等部分组成。工作人员通过显控与控制平台将发射信号参数通过RS232传入算法运行平台，算法运行平台根据参数配置算法模块；回波数据模拟器根据输入的DVL参数包括安装角、声呐波束角、信号脉宽、信号周期、信号频率、相对速度和对底深度生成回波数据，并将回波数据通过串口或者网口发送给算法运行平台；算法运行平台对回波数据进行对底跟踪或对流跟踪算法处理，将处理结果通过串口RS232发送给显示与控制平台；显示与控制平台接收算法运行平台的数据并将其送显。
其中，回波数据模拟器的实现步骤如下：
发射信号为：
其中T为发射信号脉冲宽度，f0为信号频率，是信号的相位，为矩形函数，其表达式为：
首先，将图2中的扇环区域按照波束照射时间划分N个区域，认定每个区域内的每个散射单元距离换能器的距离相等，第i个区域对应的水平面夹角为βi，时间差τ0：
式中，α为发射波束与垂线的夹角，θ为波束宽度，c为声速，z是对底高度。
第i个散射单元的时间尺度压缩因子：
式中，v为相对海水速度。
第i个散射单元的回波延时：
式中，Δτ表示每个划分区域间的时间差Δτ＝τ0/N。
得到回波信号的公式为：
式中，为第i个散射单元的回波随机相位，Ai为第i个散射单元的回波随机幅值，
其次，如图3，在N等分划分的条件下，对N个划分区域继续进行散射体划分，设每一个扇环单元内单位面积的散射体数量为ρ，则第i个扇环区域内的散射体数量为N·Ni＝Si·ρ，其中Si是第i个扇环区域的面积。
假设第i个散射区域内全部散射体与换能器之间的距离相等。第i个扇环单元内对海底回波信号的贡献为：
式中，为第i个散射单元内第j个散射体的回波随机相位；Aij为第i个散射单元内第j个散射体的回波随机幅值，kij第i个散射单元内第j个散射体的时间尺度压缩因子；τij表示i个散射单元内第j个散射体的回波延时；
结合公式(6)和(7)，得到回波模型的回波信号表达式：
式中：nij(t)为噪声信号。
根据K分布模型，第i个散射单元内单散射体散射幅度Aij服从指数分布，相位服从0～2π均匀分布。
如图4所示，系统软件主要包括系统初始化、回波数据配置、算法模块配置、信号处理以及输出送显等测试步骤。装置上电后，开始系统初始化，系统进入工作状态；显示与控制平台的上位机通过RS232串口发送DVL参数给算法运行平台，算法运行平台根据输入参数配置算法模块，并进入等待接收回波信号状态；回波数据模拟器中输入DVL参数，更新DVL参数，回波数据生成器仿真生成回波模拟数据，并通过串口或网口实时发送给算法运行平台；算法运行平台接收到回波数据并进行信号处理，将处理结果通过RS232串口发送给显示与控制平台显示。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。
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