专利名称：一种声阵列模拟系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及声学探测技术，特别是涉及一种声阵列模拟系统。
背景技术：
声学探测技术通过识别和探测声源目标，实现对声源目标的定位、分类、 跟踪和攻击，可广泛应用于军事、工业等领域。目前，声学探测技术被直接 应用于战场、工业现场等现场环境。
现场环境中，信源包括飞机引擎、运载火箭、汽车发动机、水下炸点等 等，信源发出的信源声信号与环境信号混杂，形成复杂环境信号。数据获取 子系统在控制子系统的控制下，同步接收复杂环境信号，并对接收的复杂环 境信号进行调理和采集处理。信号处理子系统从经过数据获取子系统采集处 理后的复杂环境信号中提取信源声信号，获取信源声信号到达数据接收子系 统的接收部分的传输时差信号。自定位子系统根据传输时差信号对数据获取 子系统的接收部分进行定位。根据信号处理子系统提取的信源声信号和自定 位子系统的定位结果，实现信源定位、阵列信号处理与重建或者声束合成等 探测。这里，信源定位、阵列信号处理与重建、声束合成等这些探测功能的 实现相互之间是分立的。
图1为现有技术中一种具有信源定位功能的声阵列系统的结构组成示 意图。如图l所示，飞机引擎发出的声源信号与周围的环境噪声信号共同组 成复杂环境信号，数据获取子系统对该复杂环境信号进行调理和采集后，由 信号处理子系统、自定位子系统进行相应处理后，由信源定位�？槭迪侄苑� 机的定位。
实际应用中，数据获取子系统中的采集模块可采用型号为NI PXI-4462的高精度数据采集卡实现，也可采用型号为TLV2252AQD的低噪声精密运 算放大器、型号为AD7655的模拟数字转换器和型号为TMS320C6711的DSP 芯片实现。信号处理子系统可以采用基于LABVIEW8.0的软件方式实现， 也可以采用型号为TMS320C6711的DSP芯片实现。自定位子系统可以采用 基于LABVIEW8.0的软件方式实现，或者采用型号为TMS320C6711的DSP 芯片硬件实现。
实际应用中，如果要对现场环境的声学探测技术进行研究，那么，必须 营造现场环境，布置实际信源设备，比如，调用飞机并要求其执行某项研究 任务，这样就导致了研究成本的增加，制约了对声学探测技术的研究。同时， 在现场环境中，声学探测系统的功能比较单一，仅能实现某一方面的功能， 比如，声纳探测系统通过声阵列完成水下目标的探测。
发明内容
有鉴于此，本实用新型的主要目的在于提供一种成本低、功能多样化的 声阵列模拟系统。
为了达到上述目的，本实用新型提出的技术方案为
一种声阵列模拟系统，所述系统包括模拟、调理、发射复杂环境信号的 信号模拟子系统l，对信号模拟子系统1发射的复杂信号进行调理、采集处理 的数据获取子系统2，从来自数据获取子系统2的信号中提取声源信号、获取 声源信号到达数据获取子系统2的接收部分的传输时差信号的信号处理子系统 4,根据传输时差信号对数据获取子系统2的接收部分进行定位的自定位子系统 5，以及根据信号处理子系统4提取的声源信号和自定位子系统5的定位结果实 现信源定位、阵列信号处理与重建、声束合成的功能单元子系统6,控制信号 模拟子系统l、数据获取子系统2、功能单元子系统6的控制子系统3;信号模 拟子系统l、数据获取子系统2、信号处理子系统4、自定位子系统5、功能单 元子系统6和控制子系统3通过导线连接集成一体。
综上所述，本实用新型提出的一种声阵列模拟系统，不必再花费大量的成本模拟现场环境，布置信源设备，而是由信号模拟子系统直接模拟各种复 杂环境信号，比如，模拟执行某项研究任务的飞机发出的信源信号，因此大
大降低了研究成本；由于本实用新型所述声阵列模拟系统能同时完成信源定 位、阵列信号处理与重建、声束合成等探测功能，所以，所述系统还具有功 能多样化的特征。
图1为现有技术中一种具有信源定位功能的声阵列系统的结构组成示意图。
图2为本实用新型声阵列模拟系统组成结构示意图。
图3为本实用新型包含显示子系统的声阵列模拟系统的组成结构示意图。
图4为本实用新型信号模拟子系统的组成结构示意图。 图5为本实用新型信号模拟�？榈淖槌山峁故疽馔肌� 图6为本实用新型第一信号调理�？榈淖槌山峁故疽馔�。 图7为本实用新型数据获取子系统的组成结构示意图。 图8为本实用新型功能单元子系统的组成结构示意图。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及 具体实施例对本实用新型作进一步地详细描述。
图1为本实用新型声阵列模拟系统的组成结构示意图。如图l所示，所 述声阵列模拟系统包括生成、调理、发射复杂环境信号的信号模拟子系统1，
对从信号模拟子系统1接收的复杂环境信号进行调理、采集处理的数据获取子 系统2，从来自数据获取子系统2的信号中提取声源信号、获取声源信号到达 数据获取子系统2的接收部分的传输时差信号的信号处理子系统4，根据传输 时差信号对数据获取子系统2的接收部分进行定位的自定位子系统5,以及根据信号处理子系统4提取的声源信号和自定位子系统5的定位结果实现信源定 位、阵列信号处理与重建、声束合成的功能单元子系统6，控制信号模拟子系 统l、数据获取子系统2、功能单元子系统6的控制子系统3;其中，信号模拟 子系统l、数据获取子系统2、信号处理子系统4、自定位子系统5、功能单元 子系统6和控制子系统3通过导线连接集成一体。
实际应用中，复杂环境信号是来自现场环境且包含多种信号的混合信号， 比如，飞机发出的信号、坦克发出的信号、爆炸沖击波信号等等，这些信号包 含有声源信号和环境噪声信号等。
实际应用中，信号处理子系统4通过谱分析等方法将复杂环境信号主要分 为声源信号和噪声信号，提取声源信号后，将每个声源信号均分为两路各声 源信号的其中一路被发送至功能单元子系统6;各声源信号的另一路两两进行 相关运算等处理后，获取各声源信号到达各接收换能器之间的传输时差信号， 并将传输时差信号发送至自定位单元子系统5。信号处理子系统4的信号处理 方法为现有技术，此处不再赘述。
实际应用中，自定位子系统5根据声源信号传播速度和时间确定对数据 获取子系统2的接收部分进行定位。自定位子系统5的定位方法为现有技术， 此处不再赘述。
实际应用中，信号模拟子系统模拟生成复杂环境信号，对所生成的复杂 环境信号进行调理处理后，在控制子系统的控制下，将处理后的复杂环境信 号以无线方式发送至数据获取子系统；数据获取子系统在控制子系统的控制 下对接收到的复杂环境信号进行同步数据采集等处理后，将采集处理过的复 杂环境信号发送至信号处理子系统；信号处理子系统对复杂环境信号进行频 谱分析和相关运算处理，将提取的声源信号发送至功能单元子系统，将提取 的声源信号到达各接收换能器间的传输时差信号发送至自定位单元子系统； 功能单元子系统根据自定位单元的定位结果和信号处理子系统提取的声源 信号，在控制子系统的控制下，实现信源定位、阵列信号处理与重建、声束 合成等。图2为本实用新型包含显示子系统的声阵列模拟系统的组成结构示意 图。如图2所示，所述声阵列模拟系统还包括在控制子系统3的控制下，显示 信号模拟子系统1、信号处理子系统4、功能单元子系统6各信号的显示子系统 7。
这里，显示子系统7显示的各信号包括模拟子系统1的输入信号、输出信 号、模拟信号和调理信号，信号处理子系统4的输入信号和输出信号，功能单 元子系统6的输入信号、输入信号的频谱信号、输入信号的干涉信号。
实际应用中，控制子系统3控制显示子系统7显示哪些子系统的信号，显 示这些子系统的哪些信号。
图3为本实用新型信号模拟子系统的组成结构示意图。如图3所示，信号 模拟子系统l包括生成复杂环境信号并对所生成的复杂环境信号进行编码、 调制的信源模拟�？閘l，对经过调制的复杂环境信号进行数/模转换、滤波、调 幅的第一信号调理模块12,以及发送第一信号调理模块12处理后的复杂环境 信号的发射换能�？�13。实际应用中，发射换能�？�13是由多个发射传感器 组成的发射传感器阵列。
实际应用中，信源模拟�？樯筛髦指丛踊肪承藕牛热纾湔ɑ⒊龅� 信号、爆炸冲击波信号等等。第一信号调理�？樵诳刂谱酉低车目刂葡拢范� 对信源模拟�？樯傻�、哪些通道的复杂环境信号进行处理。由于信源模拟模 块生成的各种复杂环境信号均为数字信号，因此，第一信号调理�？槭紫冉� 字信号转换为模拟信号；然后，对转换为模拟信号的复杂环境信号进行滤波、 调幅等处理。发射换能�？槭盏剿腥范ㄍǖ赖�、经第一信号调理�？榇砗� 的复杂环境信号时，向控制子系统发送请求发送信号；在控制子系统的控制下， 发射换能�？橐晕尴叻绞浇魍ǖ赖母丛踊肪承藕磐狈⑸涑鋈�。
图4为本实用新型信号模拟�？榈淖槌山峁故疽馔肌Ｈ缤�4所示，信号模 拟�？閘l包括生成复杂环境信号的第一至第L信源模拟器U11 111L，对第 一至第L信源模拟器1111 111L输出的复杂环境信号分别进行编码的第一至第 L信源编码器1121 112L，对第一至第L信源编码器1121 112L输出的信源编码信号分别进4于信道编码的第一至第L信道编码器U31 113L,对第一至第L 信道编码器1131 113L输出的信道编码信号分别进行调制的第一至第L调制模 块U41 114L。
实际应用中，每个通道的信源模拟器模拟生成各种复杂环境信号，由每个 通道各自的信源编码器、信道编码器和调制器依次对各通道的复杂环境信号进 行信源编码、信道编码、调制，并将调制后的复杂环境信号发送至第一信号调 理�？榻写�。
图5为本实用新型第一信号调理模块的组成结构示意图。如图5所示，第 一信号调理模块12包括用于对来自信源模拟�？�11的复杂环境信号进行数/ 模转换的D/A转换器121，以及对经过D/A转换器121处理的复杂环境信号进 行滤波、调幅的第一至第L信号调理器1221~122L。
实际应用中，D/A转换器将信源模拟�？榉⑺偷母丛踊肪承藕庞墒至孔� 换为模拟量，第一至第L信号调理器分别对转换为;^莫拟量的各复杂环境信号进 行滤波、调幅后，发送至发射换能�？�。
图6为本实用新型数据获取子系统的组成结构示意图。如图6所示，数据 获取子系统2包括接收发射换能�？�13发送的复杂环境信号的接收换能�？� 21，对接收换能�？�21接收到的复杂环境信号进行滤波、调幅的第二信号调理 �？�22，对经过第二信号调理�？�22处理后的数据进行同步采集的数据采集 �？�23，以及对采集数据进行解调、解码的解调解码�？�24。
实际应用中，接收换能�？�21是由多个接收传感器组成的接收传感器阵 列。解调解码�？�24包括第一至第N解调器、第一至第N信道解码器、第一 至第N信源解码器，第一至第N解调器对接收的复杂环境信号进行解调后，分 别将解调后的复杂环境信号发送至第一至第N信道解码器进行信道解码，并由 第一至第N信源解码器分别对经过第一至第N信道解码器解码的复杂环境信号 进行信源解码。
实际应用中，接收换能器�？樵诳刂谱酉低车目刂葡拢晕尴叻绞酵浇� 收发射换能�？榉⑸涞母丛踊肪承藕牛⒂傻诙藕诺骼砟？槎越邮盏母丛踊肪承藕沤新瞬ā⒌鞣恚皇莶杉？槎缘诙藕诺骼砟？榇砗蟮母丛� 环境信号进行同步采集后，解调解码�？橐来味酝讲杉萁薪獾鳌⑿诺� 解码、信源解码，并将解码后的复杂环境信号发送至后续的信号处理子系统。
实际应用中，上述发射传感器阵列中的前四个发射传感器与接收传感器阵 列中的前四个接收传感器对应组成四个基站，即，发射传感器阵列中的第一个 发射传感器与接收传感器阵列中的第一个接收传感器组成第一个基站，依次类 推，对应组成第二个至第四个基站。自定位子系统根据声源信号和声源信号到 达各接收基站的传输时间，首先确定上述四个基站的位置；再根据该四个基站 的位置，确定接收传感器阵列中其它接收传感器的位置。这里，自定位子系统 的定位方法为现有技术，此处不再赘述。
图7为本实用新型功能单元子系统的组成结构示意图。如图7所示，功能 单元子系统6包括确定信源位置的信源定位单元61、实现任一时间和空间信 号重建的信号处理与重建单元62、形成干涉声场的声束合成单元63;其中，信 源定位单元(61)、信号处理与重建单元(62)和声束合成单元(63)均在控制 子系统(3)的控制下，接收信号处理子系统(4)发送的声源信号和自定位子 系统(5)发送的定位结果。
实际应用中，信源定位单元61利用空间分布的传感器阵列，被动接收声源 信号，根据位置确定的基站和传感器阵列确定信源位置。信源定位实现方式可 以采用现代信号处理、模式识别、神经元网络等技术。这部分内容为现有技术， 此处不再赘述。
实际应用中，信号处理与重建单元62利用不完全信息重建理论、计算机层 析技术，分析声源信号的时空特性、幅相特性等，实现任一时间和空间的信号 重建。这部分内容为现有技术，此处不再赘述。
声束合成单元63应用干涉原理，在空间上形成强弱相间的千涉声场。这部 分内容也为现有技术，此处不再赘述。
实际应用中，功能单元子系统6还可以包括除信源定位单元61、信号处理 与重建单元62、声束合成单元63之外的其它声探测功能单元，可根据实际需要，确定功能单元子系统6中的各功能单元。
综上所述，本实用新型所述声阵列模拟系统可完成有源探测或无源探测的 模拟实验和仿真，尤其适用地面和水下等复杂环境下的声探测技术的仿真，具 有成本低、技术难度小、功能多样化等特点、便于声探测研究。另外，所述声 阵列综合模拟实验系统具有集成化和�？榛氐悖哂薪锨康睦┱剐裕奖闶� 验系统的构建。
实施例
本实施例所述声阵列模拟系统在实验室中营造复杂海洋环境，通过水中智 能浮漂阵基站自主定位方式，实现海洋中某一目标的定位。
本实施例所述声阵列模拟系统包括第 一至第六信源模拟器、第 一至第六信
源编码器、第一至第六信道编码器、第一至第六调制器、D/A转换器、第一至 第六信号调理器、由第一至第六发射传感器组成的发射传感器阵列、由第一至
第九接收传感器组成的接收传感器阵列、第二信号调理模块、数据釆集�？�、
第一至第九解调器、第一至第九信道解码器、第一至第九信源解码器、信号处
理子系统、自定位子系统、功能单元子系统、控制子系统和显示子系统。第一
发射传感器与第 一接收传感器组成第一基站，第二发射传感器与第二接收传感
器组成第二基站，第三发射传感器与第三接收传感器组成第三基站，第四发射
传感器与第四接收传感器组成第四基站。功能单元子系统在控制子系统的控制
下，接通信源定位单元，同时断开和信号处理与重建单元、声束合成单元的连
接。显示单元显示D/A转换器转换后的复杂环境信号、数据获取子系统中的各
复杂环境信号以及信源定位单元中的各种信号。
本实施例中，首先将第一至第六信源模拟器和第一至第六发射传感器放置
于水池中，其次，营造海浪、潮沙等环境，形成复杂海洋环境。第一至第四信
源模拟器模拟出第一至第四水声信号，并分别由第一至第四发射传感器以无线
方式发射出去；第五和第六信源模拟器模拟水中爆炸信号以及海浪与潮汐带来
的噪声信号形成的复杂环境信号。
第一水声信号依次经过第一信源编码器、第一信道编码器、第一调制器处
ii理后，由D/A转换器转换将调制后的第一水声信号由数字量转换为^f莫拟量，并 由第一信号调理器进行滤波、调幅处理，经过调幅处理的第一水声信号被发送 至发射传感器阵列中的第 一发射传感器。
同理，第二至第四水声信号经过与第一水声信号相同的处理后，分别被发 送至发射传感器阵列中的第二至第四传感器。
第五和第六信源模拟器模拟第一至第二复杂环境信号，第一复杂环境信号
依次经过第五信源编码器、第五信道编码器、第五调制器处理后，由D/A转换
器转换将调制后的第一复杂环境信号由数字量转换为^:莫拟量后，由第五信号调
理器进行滤波、调幅处理，经过调幅处理的第一复杂环境信号被发送至发射传 感器阵列中的第五发射传感器。
同理，第二复杂环境信号经过与第一复杂环境信号相同的处理后，分别被 发送至发射传感器阵列中的第六传感器。
发射传感器阵列在其6个传感器均收到各自对应的信号后，向控制子系统 上报发送请求，并在控制子系统的控制下，6个发射传感器同时将各自对应的 信号以无线方式发送出去。
接收传感器阵列中，每个接收传感器以无线方式接收第一至第六发射传感 器发射的水声信号和复杂环境信号。这里，9个接收传感器是在控制子系统的 控制下，完成对水声信号和复杂环境信号的接收，以保证9个接收传感器同步 接收复杂环境信号。
第二信号调理�？槎�9个接收传感器接收的水声信号和复杂环境信号进行 滤波、调幅处理，数据采集模块对第二信号调理�？榇砗蟮乃藕藕透丛� 环境信号进行同步数据采集，之后，由9个解调解码器对采集数据进行解调解 码处理，得到九路采集信号。解调解码处理的过程与编码调制的过程正好相反。
经过解码处理后的九路采集信号被发送至信号处理子系统。信号处理子系 统对九路采集信号进行谱分析，根据谱信号的不同频率分布，将九路采集信号 分解为水声信号、爆炸信号和噪声信号，提取其中的爆炸信号发送至信源定位 单元。另外，信号处理系统对接收传感器接收到的水声信号两两进行相关处理，得到36路声信号间的传输时差，将传输时差信号发送至自定位子系统，实现对 4个基站和5个接收传感器的定位。
信源定位单元根据信号处理子系统提取的爆炸信号和自定位子系统对4个 基站和5个接收传感器的定位结果，确定水中炸点的位置，即确定了水下目标 的位置。信源定位单元对信源定位的方法为现有技术，此处不再赘述。
综上所述，以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实 用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、 等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
权利要求1、一种声阵列模拟系统，其特征在于，所述系统包括模拟、调理、发射复杂环境信号的信号模拟子系统(1)，对从信号模拟子系统(1)接收的复杂环境信号进行调理、采集处理的数据获取子系统(2)，从来自数据获取子系统(2)的信号中提取声源信号、获取声源信号到达数据获取子系统(2)的接收部分的传输时差信号的信号处理子系统(4)，根据传输时差信号对数据获取子系统(2)的接收部分进行定位的自定位子系统(5)，以及根据信号处理子系统(4)提取的声源信号和自定位子系统(5)的定位结果实现信源定位、阵列信号处理与重建、声束合成的功能单元子系统(6)，控制信号模拟子系统(1)、数据获取子系统(2)、功能单元子系统(6)的控制子系统(3)；信号模拟子系统(1)、数据获取子系统(2)、信号处理子系统(4)、自定位子系统(5)、功能单元子系统(6)和控制子系统(3)通过导线连接集成一体。
2、 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括在所述控制 子系统(3)的控制下，显示所述信号模拟子系统(1)、信号处理子系统(4)、 功能单元子系统(6)各信号的显示子系统(7)。
3、 根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述各信号包括模拟子系统 (1)的输入信号、输出信号、模拟信号和调理信号，信号处理子系统(4)的输入信号和输出信号，功能单元子系统(6)的输入信号、输入信号的频谱信号、 输入信号的干涉信号。
4、 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述信号模拟子系统(l) 包括生成复杂环境信号并对所生成的复杂环境信号进行编码、调制的信源模 拟�？�(ll),对经过调制的复杂环境信号进行数/模转换、滤波、调幅的第一 信号调理模块(12)，以及发送第一信号调理�？�(12)处理后的复杂环境信号 的发射换能�？�(13)。
5、 根据权利要求3所述的系统，其特征在于，信号模拟�？�(11)包括 生成复杂环境信号的第一至第L信源模拟器(1111-111L),对第一至第L信源模拟器(1111 111L)输出的复杂环境信号分别进行编码的第一至第L信源编码 器(1121-112L)，对第一至第L信源编码器(1121-112L)输出的信源编码信 号分别进行信道编码的第一至第L信道编码器(U31 113L),对第一至第L信 道编码器(1B1 113L)输出的信道编码信号分别进行调制的第一至第L调制 �？�(U41 114L)。
6、 根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述第一信号调理�？�(12 ) 包括用于对来自所述信源模拟模块(11)的复杂环境信号进行数/模转换的 D/A转换器(121 )，以及对经过D/A转换器(121 )处理的复杂环境信号进行 滤波、调幅的第一至第L信号调理器(1221~122L)。
7、 根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述发射换能�？�(13 )是 由多个发射传感器组成的发射传感器阵列。
8、 根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述数据获取子系统(2) 包括接收所述发射换能�？�(13 )发送的复杂环境信号的接收换能�？�(21 )， 对接收换能�？�(21)接收到的复杂环境信号进行滤波、调幅的第二信号调理 �？�(22),对经过第二信号调理�？�(22)处理后的数据进行同步采集的数据 采集�？�(23)，以及对采集数据进行解调、解码的解调解码�？�(24)。
9、 根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述接收换能�？�(21 )是 由多个接收传感器组成的接收传感器阵列。
10、 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述功能单元子系统(6) 包括确定信源位置的信源定位单元(61)、实现任一时间和空间的阵列信号重 建的信号处理与重建单元(62)、形成干涉声场的声束合成单元(63);其中， 信源定位单元(61)、信号处理与重建单元(62)和声束合成单元(63)均在控 制子系统(3)的控制下，接收信号处理子系统(4)发送的声源信号和自定位 子系统(5)发送的定位结果。
专利摘要本实用新型涉及声阵列模拟系统，包括模拟、调理、发射复杂环境信号的信号模拟子系统，对信号模拟子系统发射的复杂信号进行调理、采集处理的数据获取子系统，控制复杂环境信号的传输通道、传输时序、功能单元子系统功能启停的控制子系统，从来自数据获取子系统的信号中提取声源信号、获取声源信号到达数据获取子系统接收部分的传输时差信号的信号处理子系统，根据传输时差信号对数据获取子系统的接收部分进行定位的自定位子系统，以及根据信号处理子系统提取的声源信号和自定位子系统的定位结果实现信源定位、阵列信号处理与重建、声束合成的功能单元子系统。本实用新型成本低、功能多样化，可广泛应用于探测技术中。
文档编号G01S7/52GK201417306SQ200920006798
公开日2010年3月3日 申请日期2009年3月24日 优先权日2009年3月24日
发明者张丕状, 潘晋孝, 王文川, 王黎明, 苏新彦, 郭亚丽, 焱 韩 申请人:中北大学
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