主动声纳系统的水下目标探测
这个例子展示了如何模拟一个有两个目标的主动单稳态声纳场景。声纳系统由一个各向同性投影阵列和一个水听器元件组成。投影仪阵列是球形的。水听器接收后向散射信号。接收到的信号包括直接信号和多路径信号。
水下环境
浅水环境中声源与目标之间存在多条传播路径。在这个例子中，假设在一个100米深的通道中有五条路径，声速恒定为1520米/秒。为了突出多条路径的效果，使用0.5 dB的底部损耗。
定义水下环境的属性，包括信道深度、传播路径数、传播速度、海底损失等。
numPaths = 5;propSpeed = 1520;channelDepth = 100;等线{1}=相控。IsoSpeedUnderwaterPaths (.．.“ChannelDepth”channelDepth,.．.“NumPathsSource”，“属性”，.．.“NumPaths”numPaths,.．.“PropagationSpeed”propSpeed,.．.“BottomLoss”, 0.5,.．.“TwoWayPropagation”,真正的);等线{2}=相控。IsoSpeedUnderwaterPaths (.．.“ChannelDepth”channelDepth,.．.“NumPathsSource”，“属性”，.．.“NumPaths”numPaths,.．.“PropagationSpeed”propSpeed,.．.“BottomLoss”, 0.5,.．.“TwoWayPropagation”,真正的);
接下来，为每个目标创建一个多路径通道。多路径通道沿多个路径传播波形。这两步过程类似于设计一个滤波器，并使用产生的系数对信号进行滤波。
Fc = 20e3;%工作频率(Hz)信道{1}=相控。MultipathChannel (.．.“OperatingFrequency”、fc);信道{2}=相控。MultipathChannel (.．.“OperatingFrequency”、fc);
声纳目标
这个场景有两个目标。第一个目标距离较远但目标强度较大，第二个目标距离较近但目标强度较小。两个目标都是各向同性的，相对于声纳系统是静止的。
Tgt{1} =阶段性。BackscatterSonarTarget (.．.“TSPattern”, 5 * (181361));Tgt{2} =阶段性。BackscatterSonarTarget (.．.“TSPattern”, -15 * (181361));Tgtplat{1} =相控。平台(.．.“InitialPosition”, 500;1000;-70年),“速度”, (0;0;0]);Tgtplat{2} =相控。平台(.．.“InitialPosition”, 500;0;-40年),“速度”, (0;0;0]);
目标位置和信道特性决定了信号传播的水下路径。画出声纳系统和每个目标之间的路径。请注意，z坐标决定深度，0对应通道的顶面，x-y平面上的距离被绘制为源和目标之间的距离。
helperPlotPaths([0, 0, -60]、[500 500;1000 0;-70 -40),.．.channelDepth numPaths)
发射机和接收机
传播波形
接下来，指定一个矩形波形传输到目标。最大目标距离和期望的距离分辨率定义了波形的属性。
maxRange = 5000;最大明确范围rangeRes = 10;所需距离分辨率%prf = propSpeed/(2*maxRange);%脉冲重复频率pulse_width = 2*rangeRes/propSpeed;%脉冲宽度Pulse_bw = 1/pulse_width;脉冲带宽%Fs = 2*pulse_bw;抽样率Wav =阶段性。RectangularWaveform (.．.“脉冲宽度”pulse_width,.．.脉冲重复频率的脉冲重复频率,.．.“SampleRate”fs);
用传输波形采样率更新多径信道的采样率。
{1}。SampleRate = fs;{2}。SampleRate = fs;
发射机
该发射机由半球面阵列的后挡板各向同性投影仪元件组成。发射机位于地表以下60米处。创建数组并查看数组几何图形。
Plat =阶段性。平台(.．.“InitialPosition”, (0;0;-60年),.．.“速度”, (0;0;0]);Proj =分阶段的。IsotropicProjector (.．.“FrequencyRange”30 e3, [0],“VoltageResponse”, 80,“BackBaffled”,真正的);[ElementPosition,ElementNormal] = helperSphericalProjector(8,fc,propSpeed);projArray =相控的。ConformalArray (.．.“ElementPosition”ElementPosition,.．.“ElementNormal”ElementNormal,“元素”、项目);viewArray (projArray“ShowNormals”,真正的);
在仰角为0度处查看阵列的模式。指向性在方位角上显示出与阵列元素的方位角位置相对应的峰值。
模式(fc, projArray 180:180 0“CoordinateSystem”，“极地”，.．.“PropagationSpeed”, propSpeed);
接收机
接收器由一个水听器和一个放大器组成。水听器是一个单一的各向同性元件，频率范围从0到30 kHz，其中包含了多径通道的工作频率。指定水听器电压灵敏度为-140 dB。
水力=阶段性。IsotropicHydrophone (.．.“FrequencyRange”30 e3, [0],“VoltageSensitivity”, -140);
接收信号中存在热噪声。假设接收机的增益为20 dB，噪声为10 dB。
Rx =相控。接收机Preamp(.．.“获得”, 20岁,.．.“NoiseFigure”10.．.“SampleRate”fs,.．.“SeedSource”，“属性”，.．.“种子”, 2007);
散热器和集热器
在主动声纳系统中，声波传播到目标，被目标散射，并被水听器接收。由于阵列的几何形状，辐射器产生传播波的空间依赖性。同样，收集器结合水听器元件从远场目标接收到的后向散射信号。
散热器=阶段性。散热器(“传感器”projArray,“OperatingFrequency”，.．.足球俱乐部,“PropagationSpeed”, propSpeed);收集器=阶段性。收集器(“传感器”、水电、“OperatingFrequency”足球俱乐部,.．.“PropagationSpeed”, propSpeed);
声纳系统仿真
接下来，在10个重复间隔内传输矩形波形，并模拟水听器每次传输时接收到的信号。
X = wav();%产生脉冲Xmits = 10;rx_pulse = 0 (size(x,1)，xmits);T = (0:size(x,1)-1)/fs;为J = 1:xmits更新目标和声纳位置[sonar_pos,sonar_vel] = plat(1/prf);为I = 1:2%循环目标[tgt_pos,tgt_vel] = tgtplat{i}(1/prf);使用图像的方法计算传输路径。路径%根据CoherenceTime属性更新。[paths,dop, loss,tgtAng, srang] = isopath{i}(.．.sonar_pos tgt_pos,.．.sonar_vel tgt_vel 1 /脉冲重复频率);计算辐射信号。引导阵列朝向目标。tsig =散热器(x, sr沧);通过通道传播辐射信号。Tsig =通道{i}(Tsig，路径，dop,aloss);%的目标tsig = tgt{i}(tsig,tgtAng);%收集器rsig = collector(tsig,srcAng);rx_milliseconds (:，j) = rx_milliseconds (:，j) +.．.rx (rsig);结束结束
绘制接收信号的非相干积分幅度，以定位两个目标的返回。
图rx_pulse = pulsint(rx_pulse，“非相干”）;情节(t、abs (rx_pulses))网格在包含(“时间(s)”) ylabel (“振幅(V)”)标题(“综合接收脉冲”）
相隔较远的目标，表现为不同的回报。放大第一次返回。
xlim ([0.55 - 0.85])
目标返回是来自多个传播路径的脉冲的叠加，导致每个目标有多个峰值。由此产生的峰值可能被误解为额外的目标。
主动声纳与行李员
在前一节中，声速是通道深度的常数函数。相比之下，像Bellhop这样的光线追踪程序可以为空间变化的声速剖面生成声音路径。您可以使用Bellhop生成的路径信息通过多径信道传播信号。模拟各向同性投影仪和各向同性水听器在无目标环境中的传输与“芒克”声速剖面。路径信息包含在Bellhop到达文件(MunkB_eigenray_Arr.arr)中。
旅馆服务员配置
在这个例子中，这个通道的深度是5000米。震源位于水下1000米，接收机位于水下800米。它们之间的距离为100公里。导入并绘制Bellhop计算的路径。
[paths,dop,aloss,rcvAng,srcAng] = helperbellhoparrival (fc,6,false);helperPlotPaths (“MunkB_eigenray”）
对于这个场景，有两条没有界面反射的直接路径，以及八条在顶部和底部表面都有反射的路径。声速在大约1250米深的地方最低，并向通道的顶部和底部增加，最高可达1550米/秒。
创建一个用于Bellhop数据的新通道和接收器。
释放(收集器)channelBellhop =相控。MultipathChannel (.．.“SampleRate”fs,.．.“OperatingFrequency”、fc);Rx =相控。接收机Preamp(.．.“获得”10.．.“NoiseFigure”10.．.“SampleRate”fs,.．.“SeedSource”，“属性”，.．.“种子”, 2007);
为新问题配置指定一个脉冲。
maxRange = 150000;最大明确范围prf = propSpeed/(maxRange);%脉冲重复频率脉冲宽度= 0.02;Wav =阶段性。RectangularWaveform (.．.“脉冲宽度”pulse_width,.．.脉冲重复频率的脉冲重复频率,.．.“SampleRate”fs);
旅馆服务员模拟
接下来，模拟10个脉冲从发射机到接收机的传输。
X = repmat(wav()，1,size(路径，2));Xmits = 10;rx_pulse = 0 (size(x,1)，xmits);T = (0:size(x,1)-1)/fs;为J = 1:xmits%投影仪tsig = x.*proj(fc,srcAng)';通过通道传播辐射信号。tsig = channelBellhop(tsig,paths,dop,aloss);%收集器rsig = collector(tsig,rcvAng);rx_milliseconds (:，j) = rx_milliseconds (:，j) +.．.rx (rsig);结束
绘制透射脉冲的非相干积分。
图rx_pulse = pulsint(rx_pulse，“非相干”）;情节(t、abs (rx_pulses))网格在Xlim ([66 70])“时间(s)”) ylabel (“振幅(V)”)标题(“综合接收脉冲”）
发射脉冲在响应中表现为峰值。请注意，两条没有界面反射的直接路径首先到达，并且具有最高的振幅。在比较直接路径接收的脉冲时，到达的第二个脉冲具有两个脉冲中较高的振幅，表明传播距离较短。较短路径的较长延迟时间可以解释为它通过信道中最慢的部分进行传播。剩余的脉冲与直接路径相比，由于在通道底部有多个反射，每个反射都造成了损失，因此振幅减小。
总结
在这个例子中，声脉冲在浅水和深水环境中传输和接收。利用矩形波形，主动声纳系统在浅水中探测到两个分离良好的目标。在接收到的信号中，多条路径的存在很明显。接下来，利用Bellhop生成的路径，在深水中的投影仪和水听器之间以“Munk”声速剖面传输脉冲。注意到声速空间变化的影响。
参考
Urick,罗伯特。水声原理．加州洛斯阿尔托斯:半岛出版社，1983年。
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