基于matlab使用主动声纳系统进行水下目标检测

一、前言

此示例演示如何模拟具有两个目标的主动单基地声纳方案。声纳系统由各向同性投影仪阵列和单个水听器元件组成。投影仪阵列呈球形。反向散射信号由水听器接收。接收到的信号包括直接和多路径贡献。

二、水下环境

在浅水环境中，声源和目标之间存在多个传播路径。在本例中，假设在深度为 100 米、恒定声速为 1520 m/s 的通道中假设有五条路径。使用0.5 dB的底部损耗以突出多条路径的影响。

定义水下环境的属性，包括通道深度、传播路径数、传播速度和底部损耗。

接下来，为每个目标创建一个多路径通道。多路径通道沿多路径传播波形。这个两步过程类似于设计滤波器并使用所得系数来过滤信号。

三、声纳目标

该方案有两个目标。第一个目标更远，但目标强度较大，第二个目标较近但目标强度较小。这两个目标相对于声纳系统都是各向同性和静止的。

目标位置以及通道属性决定了信号传播的水下路径。绘制声纳系统和每个目标之间的路径。请注意，z 坐标确定深度，零对应于通道的顶面，x-y 平面中的距离绘制为源和目标之间的范围。

四、发射器和接收器

4.1 传输波形

接下来，指定要传输到目标的矩形波形。最大目标范围和所需的范围分辨率定义了波形的属性。

使用传输的波形采样率更新多路径通道的采样率。

4.2 发射机

发射器由背挡板各向同性投影仪元件的半球阵列组成。发射器位于地表以下 60 米处。创建阵列并查看阵列几何图形。

在仰角为零度时查看阵列的模式。方向性显示对应于数组元素方位角位置的方位角峰值。

4.3 接收器

接收器由水听器和放大器组成。水听器是单个各向同性元件，频率范围为 0 至 30 kHz，其中包含多路径通道的工作频率。将水听器电压灵敏度指定为 -140 dB。

接收信号中存在热噪声。假设接收器的增益为20 dB，噪声系数为10 dB。

4.4 散热器和集电器

在主动声纳系统中，声波传播到目标，被目标散射，并由水听器接收。由于阵列几何形状，辐射器产生传播波的空间依赖性。同样，收集器组合水听器元件从远场目标接收的反向散射信号。

五、声纳系统仿真

接下来，以十个重复间隔传输矩形波形，并模拟每次传输在水听器上接收到的信号。

相距较远的目标显示为不同的返回。放大第一个回波。

绘制接收信号的非相干积分幅度，以定位两个目标的回波。

相距较远的目标显示为不同的返回。放大第一个回波。

目标回波是来自多个传播路径的脉冲叠加，导致每个目标有多个峰值。由此产生的峰可能会被误解为额外的靶标。

六、主动声纳与侍者

在上一节中，声速作为通道深度的函数是恒定的。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配置文件生成声学路径。您可以使用 Bellhop 生成的路径信息通过多路径通道传播信号。使用“Munk”声速曲线模拟各向同性投影仪和各向同性水听器在无目标环境中之间的传输。路径信息包含在 Bellhop 到达文件 （MunkB_eigenray_Arr.arr） 中。

6.1 侍者配置

在此示例中，通道深度为 5000 米。源位于 1000 米的深度，接收器位于 800 米的深度。它们相距 100 公里。导入并绘制由 Bellhop 计算的路径。

对于此方案，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。声道中的声速最低，深度约为 1250 米，并向声道顶部和底部增加，最高可达 1550 米/秒。

创建一个新的频道和接收器，以用于来自 Bellhop 的数据。

为新问题配置指定脉冲。

6.2 侍者模拟

接下来，模拟从发射器到接收器的十个脉冲的传输。

绘制发射脉冲的非相干积分图。

发射的脉冲在响应中显示为峰值。请注意，没有界面反射的两条直接路径首先到达并具有最高的振幅。在比较直接路径接收脉冲时，到达的第二个脉冲具有两者中较高的幅度，表明传播距离较短。较短路径的延迟时间较长可以通过它通过通道最慢的部分传播来解释。与直接路径相比，其余脉冲的幅度减小，这是由于通道底部的多次反射，每个反射都会导致损耗。

七、总结

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在这个例子中，声脉冲在浅水和深水环境中传输和接收。使用矩形波形，主动声纳系统在浅水中检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，脉冲在深水中的投影仪和水听器之间传输，使用Bellhop产生的路径以“Munk”声速曲线传输脉冲。注意到空间变化声速的影响。

八、参考文献

Urick, Robert. Principles of Underwater Sound. Los Altos, California: Peninsula Publishing, 1983.

九、程序

使用Matlab R2022b版本，点击打开。（版本过低，运行该程序可能会报错）

打开下面的“XXX.m”文件，点击运行，就可以看到上述效果。

程序下载：https://download.csdn.net/download/weixin_45770896/87666388