阅读说明：本技术 一种基于软件声纳的多功能水声信号源 (A kind of multifunctional water acoustical signal source based on software sonar ) 是由 王彬 侯越圣 李勇斌 邱钊洋 邵高平 张连海 黄焱 马金全 姜楠 于 2019-07-31 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种多功能水声信号发生方法、发生装置和信号源装置。该方法包括：接收信号参数信息,所述信号参数信息包括用于生成水声通信信号的参数信息和/或用于生成舰船辐射噪声的参数信息；根据不同的信号参数信息生成不同类型的水声信号。该发生装置包括：水声通信信号生成模块、舰船辐射噪声生成模块、水声信道生成模块、环境噪声生成模块以及音频信号存储和回放模块。该信号源装置包括该发生装置和设置有覆盖发生信号频率范围的功率放大器和换能器的发射装置。本发明可以生成多种类型的水声信号,对硬件设备依赖性弱,便于信号波形更新升级,且可以提供水声信道仿真功能,满足不同教学科研需要。(The present invention provides a kind of multifunctional water acoustical signal method for generation, generating device and signal source device.This method comprises: receiving signal parameter information, the signal parameter information includes the parameter information for generating water sound communication signal and/or the parameter information for generating ship-radiated noise；Different types of underwater sound signal is generated according to different signal parameter information.The generating device includes: water sound communication signal generation module, ship-radiated noise generation module, underwater acoustic channel generation module, ambient noise generation module and audio signal storage and playback module.The signal source device includes the emitter of the generating device and the power amplifier for being provided with covering generation signal frequency range and energy converter.A plurality of types of underwater sound signals can be generated in the present invention, weak to hardware device dependence, update upgrading convenient for signal waveform, and can provide underwater acoustic channel copying, meet various teaching scientific research needs.)

一种基于软件声纳的多功能水声信号源

技术领域

本发明涉及水声通信技术领域，尤其涉及一种基于软件声纳的多功能水声信号发生方法、发生装置和多功能水声信号源装置。

背景技术

众所周知，水中声信号的传输损耗远小于无线电信号，水声通信是迄今为止水下远距离通信的主要传输手段。此外，水下目标的辐射噪声等水声信号对目标分析和处理具有重要价值。然而，直接从海上获取水声通信信号和目标辐射噪声信号成本很高，信号获取困难，不能满足科研院所教学、科学研究和装备研制过程中对水声信号的需求。目前的水声信号发生器分为两类：一是利用低频段的无线电信号发生器作为水声信号发生器的干端部分，连接功率放大器和换能器形成信号发生器的湿端部分，这种水声信号发生器信号种类非常有限；二是利用专用集成电路，比如DSP或者FPGA芯片设计满足特定需要的信号波形发生器，(例如王卓阳等.基于FPGA的任意信号发生器[J].中国科技论文在线,2010.)。这种方式具有一定灵活性，但是电路设计成本高，当需要新的波形时，升级更新受硬件资源限制。上述信号发生器的波形产生部分对硬件设备依赖性强，不便于信号波形更新升级。再者，现有的水声信号发生器没有水声信道仿真功能，无法模拟不同海域水声信道，限制了信号发生器的应用范围。因此，为了满足水声信号分析处理教学和科研的需要，迫切需要一种模块化和可重构的能够模拟不同水声信号波形和不同海洋环境声信道的便携式水声信号发生装置。

发明内容

针对现有的水声信号发生器的信号种类有限、对硬件设备依赖性强不便于信号波形更新升级、以及不具备水声信道仿真功能等问题，本发明提供一种多功能水声信号发生方法。

第一方面，本发明提供一种多功能水声信号发生方法，该方法包括：

接收信号参数信息，所述信号参数信息包括用于生成水声通信信号的参数信息和/或用于生成舰船辐射噪声的参数信息；

根据不同的信号参数信息生成不同类型的水声信号。

进一步地，该方法还包括：

接收用于生成水声信道的参数信息，根据所述用于生成水声信道的参数信息生成特定海域条件下水声信道；

接收音频信号并存储，以及回放音频信号。

进一步地，该方法还包括：

根据生成的水声通信信号、生成的舰船辐射噪声和回放的音频信号中的一种或多种和生成的水声信道，以及和/或预设环境噪声生成不同信道和噪声环境下水声信号。

进一步地，所述用于生成水声通信信号的参数信息包括：信号调制方式、信号调制方式对应的调制参数、信道编码方式和信道编码方式对应的编码参数，以及和/或m序列直接扩频与序列长度；

所述用于生成舰船辐射噪声的参数信息包括：当前航速、最大航速、吨位和螺旋桨叶片数。

进一步地，所述用于生成水声信道的参数信息包括：海洋环境温度、海洋环境盐度、海洋环境深度、水声信号发送深度、水声信号接收深度和水声信号传播距离。

进一步地，所述海洋环境温度、海洋环境盐度和海洋环境深度的获取方法为：通过设定可视化地图界面经纬坐标获取Argo海洋数据库中任意海域的海洋环境温度、海洋环境盐度和海洋环境深度。

第二方面，本发明实施例提供一种基于软件声纳的多功能水声信号发生装置，包括：

水声通信信号生成模块，用于接收水声通信信号的参数信息并生成水声通信信号；

舰船辐射噪声生成模块，用于接收舰船辐射噪声的参数信息并生成舰船辐射噪声；

水声信道生成模块，用于接收水声信道的参数信息并生成特定海域条件下水声信道；

环境噪声生成模块，用于生成预设环境噪声；

音频信号存储和回放模块，用于接收音频信号并存储，以及回放音频信号。

第三方面，本发明提供一种基于软件声纳的多功能水声信号源装置，分为干端和湿端两个部分，所述干端包括如权利要求7的多功能水声信号发生装置和用于D/A转换的声卡；所述湿端包括水声信号发射装置，所述水声信号发射装置包括功率放大器和换能器，所述功率放大器和换能器的工作频带需要覆盖发生信号的频率范围；

所述多功能水声信号发生装置生成的水声信号输出至所述声卡的输入端，所述声卡的输出端连接所述功率放大器的输入端，所述功率放大器的输出端接到所述换能器，通过所述换能器将所述水声信号发射出去。

第四方面，本发明实施例提供一种电子设备，包括：存储器和处理器，所述处理器和所述存储器通过总线完成相互间的通信；所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行上述方法，例如包括：接收信号参数信息，所述信号参数信息包括用于生成水声通信信号的参数信息和/或用于生成舰船辐射噪声的参数信息；根据不同的信号参数信息生成不同类型的水声信号。

第五方面，本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述方法，例如包括：接收信号参数信息，所述信号参数信息包括用于生成水声通信信号的参数信息和/或用于生成舰船辐射噪声的参数信息；根据不同的信号参数信息生成不同类型的水声信号。

本发明的有益效果：

本发明提供的一种多功能水声信号发生方法和装置，利用软件声纳思想设计模块化可重构的不同声源信号波形发生机制，通过接收不同的信号参数信息，根据接收到的信号参数信息生成不同类型的声源信号(例如水声通信信号、舰船辐射噪声)，并且支持音频信号的存储和回放(音频信号可作为又一种声源信号)，然后模拟产生不同海域条件下的水声信道，最终能够模拟产生不同声源通过不同水声信道的水声信号(即接收信号)。本发明提供的一种多功能水声信号源装置，通过设置覆盖发生信号的频率范围的功率放大器和换能器，能够将水声信号发生装置产生的水声信号有效的发射出去。综上，本发明提供的多功能水声信号发生方法和装置，以及多功能水声信号源装置可以生成多种类型的水声信号，对硬件设备依赖性弱，便于信号波形更新升级，且可以提供水声信道仿真功能，满足不同教学科研需要。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种多功能水声信号发生方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的一种多功能水声信号发生装置的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的生成水声通信信号的流程示意图；

图4为本发明实施例提供的生成舰船辐射噪声的流程示意图；

图5为本发明实施例提供的生成接收信号的流程示意图；

图6为本发明实施例提供的多功能水声信号源装置的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的电子设备的结构框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，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地描述，显然，所描述的实施例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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明利用软件声纳思想设计模块化可重构的不同声源信号波形发生机制。如图2所示，本发明实施例提供一种基于软件声纳的多功能水声信号发生装置，该装置包括水声通信信号生成模块101、舰船辐射噪声生成模块102、水声信道生成模块103、接收信号生成模块104、环境噪声生成模块105以及音频信号存储和回放模块106。即本发明实施例提供的多功能水声信号发生装置可以提供多种类型的发生信号：水声通信信号、舰船辐射噪声、音频信号、特定海域条件下水声信道以及不同信道和噪声环境下水声信号。

如图1所示，本发明实施例提供了一种基于软件声纳的多功能水声信号发生方法，包括以下步骤：

S101：接收信号参数信息，所述信号参数信息包括用于生成水声通信信号的参数信息和/或用于生成舰船辐射噪声的参数信息；

S102：根据接收到的信号参数信息的不同生成不同类型的水声信号。

具体地，水声通信信号生成模块101接收用于生成水声通信信号的参数信息，并根据接收到的参数信息生成对应的水声通信信号。舰船辐射噪声生成模块102接收用于生成舰船辐射噪声的参数信息，并根据接收到的参数信息生成对应的舰船辐射噪声。不同功能的信号生成模块根据各自接收到的信号参数信息生成对应类型的水声信号。而针对某一个信号生成模块，该信号生成模块根据其每次接收到的特定信号参数信息生成特定的水声信号。

由上述内容可知，本发明实施例提供的基于软件声纳的多功能水声信号发生方法利用软件声纳思想设计模块化可重构的不同声源信号波形发生机制，从而可以根据接收到的信号参数的不同生成不同类型的水声信号，以实现水声信号发生器信号种类多样化、可更新升级以及可以根据特定海域的海洋环境信息模拟特定海洋水声信道，使之能够模拟产生不同声源通过不同海洋水声信道的水声信号。

在上述实施例的基础上，本发明实施例提供的基于软件声纳的多功能水声信号发生方法，还包括：接收用于生成水声信道的参数信息，根据所述用于生成水声信道的参数信息生成特定海域条件下水声信道；接收音频信号并存储，以及回放音频信号。

具体地，水声信道生成模块103根据接收到的用于生成水声信道的参数信息生成特定海域条件下水声信道；音频信号存储和回放模块106接收导入的音频信号，并按照设定的路径和文件名存储该音频信号；或者根据设定的路径和文件名回放已预先存储的音频信号。

在上述实施例的基础上，所述用于生成水声通信信号的参数信息包括：信号调制方式、信号调制方式对应的调制参数、信道编码方式和信道编码方式对应的编码参数，以及和/或m序列直接扩频与序列长度。

如图3所示，水声通信信号生成模块101生成水声通信信号的流程依次为信源数据产生、信道编码、信息成帧和载波调制，或者在信息成帧后再进行直接序列扩频，然后进行载波调制。根据水声通信信号生成的流程可知，在生成该水声通信信号时需要用到至少两种参数信息：信道编码参数信息(即信道编码方式和信道编码方式对应的编码参数)和载波调制参数(即信号调制方式和信号调制方式对应的调制参数)。直接序列扩频参数(即m序列直接扩频与序列长度)可根据实际情况决定是否设置。

每种信号调制方式根据实际需要动态加载和重构，可以生成数字调制信号，比如MFSK、MPSK、OFDM、LFM，每种调制方式对应的调制参数如表1所示。

表1调制方式和参数

调制方式	调制参数
		MFSK	调制阶数、带宽、载波频率、频率间隔
MPSK	调制阶数、带宽、载波频率、滚降系数
		OFDM	子载波个数、带宽、载波频率、保护间隔
LFM	带宽、时宽、起始频率

每种信道编码方式根据实际需要动态加载和重构。部分信道编码方式和相应参数如表2所示，其他编码方式可根据需要进行补充。

表2信道编码方式和参数

信道编码方式	编码参数
		卷积码	码率、约束长度
LDPC码	码率、码组长度
		BCH码	码组长度、纠错能力

对于MPSK调制信号，可在完成信道编码设置后选择m序列直接扩频，起到扩展带宽、加强抗干扰性的能力。采用m序列法参数扩频码，需要设定参数为扩频码长度，根据实际需要动态加载和重构。

在上述各实施例的基础上，所述用于生成舰船辐射噪声的参数信息包括：当前航速、最大航速、吨位和螺旋桨叶片数。

如图4所示，舰船辐射噪声生成模块102在接收到当前航速、最大航速、吨位和螺旋桨叶片数等参数信息后，生成舰船辐射噪声的流程为：首先，生成螺旋桨连续谱噪声G_c(t)、螺旋桨离散谱噪声G_l(t)和调制包络a(t)；然后，根据所述螺旋桨连续谱噪声G_c(t)、螺旋桨离散谱噪声G_l(t)和调制包络a(t)按照式(2)生成舰船辐射噪声S(t)：

S(t)＝|1+a(t)|G_c(t)+G_l(t) (2)。

具体地，所述生成螺旋桨连续谱噪声G_c(t)的过程包括：

根据所述当前航速v和所述最大航速v_max，按照式(3)计算螺旋桨连续谱噪声的谱峰位置f₀：

根据所述当前航速v、所述谱峰位置f₀和所述吨位DT，按照式(4)计算螺旋桨连续谱噪声各频率点处的声源级SL_f：

其中，SL_f0＝SL_s+20-lg(f₀)，k₁和k₂分别为用于表示频率上升段和频率下降段连续谱噪声变化快慢的参数。通常情况下，k₁＝6，k₂＝8。

根据螺旋桨连续谱噪声各频率点处的声源级SL_f，按照设定的频率采样法(例如，《数字信号处理》(西安电子科技大学出版社，吴瑛等著)教材中介绍的频率采样法)进行采样，利用matlab编程，设计得到具有特定频率响应的FIR滤波器，将预先生成的零均值高斯白噪声通过所述FIR滤波器后得到螺旋桨连续谱噪声G_c(t)。

所述生成螺旋桨离散谱噪声G_l(t)的过程包括：

离散谱噪声G_l(t)可用多个单频信号叠加表示，即按照式(5)生成螺旋桨离散谱噪声G_l(t)：

其中，A_k、f_k、分别为第k个正弦信号的幅度、频率和随机相位，K为谐波数目，f_k＝kBs(v+c)/c，k为谐波次数，B为螺旋桨叶片数，s为螺旋桨转速，v为当前航速，c为水中声传播速度。其中，A_k与时间、航速、航深、海况、水温等都有关系，影响因素较为复杂，可用均匀随机分布仿真其幅度特性。一般线谱分量幅度超过连续谱10-25dB。随机相位可用[0,2π]内的均匀分布随机变量来模拟产生。

所述生成调制包络a(t)的过程包括：

将调制包络a(t)作为具有随机幅度、同样形状、相同重复周期的脉冲性随机过程来处理，即按照式(6)生成调制包络a(t)：

其中，m为调制深度参数，T＝1/s为螺旋桨旋转周期，s为螺旋桨转速，B为螺旋桨叶片数，ξ是表征不同脉冲幅度的互相独立的随机变量，各自服从一定的概率分布，一般把这种概率分布取为其中为幅度的平均值。σ为表示脉冲宽度的参数。对于螺旋桨旋转周期为T、叶片数为B的叶片频率调制，其脉冲重复周期为可令σ＝T/(BD)，D表征节拍之间间隔，取值越大，节拍越清晰。

在上述各实施例的基础上，所述用于生成水声信道的参数信息包括：海洋环境温度、海洋环境盐度、海洋环境深度、水声信号发送深度、水声信号接收深度和水声信号传播距离。

具体地，通过可视化的地图界面设置经纬坐标，获取Argo海洋数据库中任意海域的海洋环境温度、海洋环境盐度、海洋环境深度等信息；选择Bellhop射线模型或Kraken简正波模型进行声信道仿真，形成声速剖面图。依据该声速剖面图，结合任意海域的海洋环境温度、海洋环境盐度、海洋环境深度等信息，计算得到该条件下的海洋信道声传播损失、声线图和冲击响应。所述Argo海洋数据库可预先存储在本地并适时进行数据库更新。

如图5所示，在上述各实施例的基础上，本发明提供又一种多功能水声信号发生方法，包括以下步骤：根据生成的水声通信信号、生成的舰船辐射噪声和回放的音频信号中的一种或多种和生成的水声信道，以及和/或预设环境噪声生成不同信道和噪声环境下水声信号。

具体地，所谓不同信道和噪声环境下水声信号是指将声源信号经过水声信道，并加上预设环境噪声后而模拟得到的接收信号。例如，水声通信信号、舰船辐射噪声和回放的音频信号均可看做是声源信号，不同信道和噪声环境下水声信号r(t)可按照式(1)生成：

其中，为卷积运算，x(t)为水声通信信号、舰船辐射噪声和/或回放的音频信号，h(t)为水声信道，w(t)为预设环境噪声。

当声源信号为水声通信信号时，水声通信信号的生成和接收过程如下：

S201：生成水声通信信号x(t)；可参照上述实施例中介绍的水声通信信号生成流程，此处不再赘述；

S202：生成特定海域条件下的水声信道h(t)；可参照上述实施例中介绍的水声信道生成流程，此处不再赘述；

S203：根据场景的不同，生成特定的环境噪声w(t)，例如将环境噪声设置为：高斯白噪声或alpha稳定分布噪声。

S204：按照式(1)生成与该水声通信信号相对应的接收信号r(t)。

类似地，当声源信号为水声通信信号时，舰船辐射噪声的生成和接收过程如下：

S301：生成舰船辐射噪声x(t)；可参照上述实施例中介绍的舰船辐射噪声生成流程，此处不再赘述；

S302：生成特定海域条件下的水声信道h(t)；可参照上述实施例中介绍的水声信道生成流程，此处不再赘述；

S303：根据场景的不同，生成特定的环境噪声w(t)，例如将环境噪声设置为：高斯白噪声或alpha稳定分布噪声。

S304：按照式(1)生成与该舰船辐射噪声相对应的接收信号r(t)。

类似的，音频信号的回放和接收过程此处不再赘述。

如图6所示，本发明实施例还提供一种多功能水声信号源装置。该多功能水声信号源装置分为干端和湿端两个部分，干端包括能够实现上述各方法实施例中的多功能水声信号发生方法的计算机设备(即多功能水声信号发生装置)和作为D/A转换器的声卡，湿端即水声信号发射装置，包括功率放大器和换能器。计算机设备产生的信号输出至声卡的输入端，声卡的输出端接功率放大器的输入端，功率放大器的输出端通过水密缆接到发射端换能器。

待作为D/A转换器的声卡将系统生成的数字信号转换为模拟信号并输出后，将其连接至功率放大器的输入端进行放大，然后经水密缆传送给换能器，实际应用中可以根据发射信号频率范围、带宽要求等需求选择不同型号的换能器和功率放大器，但要求工作频带需要覆盖发生信号的频率范围，实现匹配。

参照图6所示，本发明的实施例中，水声信号源的接线方式为：计算机设备1中产生的信号输出至声卡的输入端，声卡1的输出端接功率放大器的输入端，功率放大器的输出端通过水密缆接到发射端换能器，发射端换能器放在水池的一端。水声信号接收装置的接线方式为：接收端换能器放在水池的另一端，与发射端换能器水平距离20m，然后通过水密缆连接到声卡2的输入端，再将声卡2的输出端连接到计算机设备2进行接收信号的读取和观测。

在该实施例中，选用的换能器为圆柱形换能器，中心频率16kHz，工作在13-19kHz频段范围内，发射电压响应>140dB，接收灵敏度>-194dB，起伏<3dB，最大声源级可达197dB，水平无方向性，垂直开角60°。功率放大器为高效率D类数字功放，工作电压15-36V，PWD模式输出，放大功率可调节，信噪比95dB，谐波失真<1％，最大输出功率80W。

该实施例具体实施过程：

1)如图6所示布置实验场地，根据收发两端距离调节声卡输出大小和功率放大器放大倍数；

2)计算机1根据接收到的信号参数信息，执行相应地计算机程序指令后生成相应的信号并存储到本地；

3)通过声卡1将生成的数字信号转换模拟信号；

4)模拟信号通过水声信号发射装置(即功率放大器、发射端换能器)发射出去；

5)通过水声信号接收装置(即接收端换能器)接收信号并传送至声卡2，将接收的模拟信号转换为数字信号，再由计算机2读取和观测以及保存到本地；

6)改变信号发射频率、信号类型、编码方式等参数信息重复步骤2)-5)；

7)将接收信号与发生信号进行对比，检验系统性能。

根据实验结果可知，在换能器工作频段内，所生成的信号均被正确发射。

如图7所示，本发明实施例还提供一种电子设备，该电子设备包括：存储器702和处理器701，所述处理器701和所述存储器702通过总线703完成相互间的通信；所述存储器702存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器701调用所述程序指令能够执行如下方法，例如包括：接收信号参数信息，所述信号参数信息包括用于生成水声通信信号的参数信息和/或用于生成舰船辐射噪声的参数信息；根据不同的信号参数信息生成不同类型的水声信号。

本领域技术人员可以理解，计算机设备可以包括更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如计算机装置还可以包括输入输出设备、网络连接设备、总线等。用户接口可以包括显示屏、输入单元比如键盘等。网络接口可选的可以包括标准的有线接口、无线接口(如蓝牙接口、WI-FI接口)等。例如，处理器可以是中央处理单元，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器、专用集成电路、现成可编程门阵列或者其他可编程逻辑器件等。处理器是计算机设备的控制中心，利用各种接口和线路连接整个计算机装置的各个部分。存储器可用于存储计算机程序和/或模块，处理器通过运行或执行存储在存储器内的计算机程序和/模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现计算机设备的各种功能。

本发明实施例还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：接收信号参数信息，所述信号参数信息包括用于生成水声通信信号的参数信息和/或用于生成舰船辐射噪声的参数信息；根据不同的信号参数信息生成不同类型的水声信号。

本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：接收信号参数信息，所述信号参数信息包括用于生成水声通信信号的参数信息和/或用于生成舰船辐射噪声的参数信息；根据不同的信号参数信息生成不同类型的水声信号。该存储介质包括但不限于：光盘、软盘、硬盘、可擦写存储器等。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。