本發(fā)明涉及船舶工程及仿真，具體來(lái)說(shuō)，涉及一種多底質(zhì)船載回聲測(cè)深儀仿真系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、stcw國(guó)際公約2010馬尼拉修正案對(duì)海船船員使用航海仿真系統(tǒng)進(jìn)行訓(xùn)練做出了明確的要求。船載回聲測(cè)深儀作為船舶駕駛臺(tái)必備的重要助航設(shè)備，是船舶在水下的“眼睛”，設(shè)備的正確使用可有效避免船舶擱淺、觸礁等事故的發(fā)生，以及在沿岸航行時(shí)協(xié)助測(cè)定船位，確保航行安全。

2、目前，船載回聲測(cè)深儀的仿真系統(tǒng)都停留在簡(jiǎn)單模擬回波圖像上，如陳大軍、任鴻翔在《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用》2014，23(07)：210-213.發(fā)表的“船用回聲測(cè)深儀仿真設(shè)備”和侯春寶,李浩,王立強(qiáng)等在《電腦編程技巧與維護(hù)》2015，(07)：81+93.發(fā)表的“基于labview的虛擬回聲測(cè)深儀研究”都設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了回聲測(cè)深儀的模擬器，雖然這些系統(tǒng)都能完成回聲測(cè)深儀的回波成像功能，但是忽略了海底底質(zhì)對(duì)回波圖像的影響，無(wú)法區(qū)分和呈現(xiàn)出不同海底底質(zhì)的回波圖像，導(dǎo)致仿真效果與真實(shí)場(chǎng)景下的回波圖像差異較大，還原度較低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、鑒于現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種多底質(zhì)船載回聲測(cè)深儀仿真系統(tǒng)。本發(fā)明基于對(duì)jackson散射模型仿真的結(jié)果，得到不同底質(zhì)回波強(qiáng)度與聲波掠射角之間的關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不同海底底質(zhì)的區(qū)別成像。

2、本發(fā)明采用的技術(shù)手段如下：

3、一種多底質(zhì)船載回聲測(cè)深儀仿真系統(tǒng)，包括：仿真主機(jī)和操作控制面板，所述仿真主機(jī)搭載有處理器，所述處理器用于運(yùn)行仿真系統(tǒng)軟件，所述仿真系統(tǒng)軟件響應(yīng)于操作控制面板發(fā)送的控制信號(hào)進(jìn)行回波成像仿真；

4、所述仿真系統(tǒng)軟件被設(shè)置為具有軟件顯示界面設(shè)計(jì)模塊、不同底質(zhì)回波成像模塊、雜波噪聲圖像生成模塊以及量程/增益/掠射角調(diào)節(jié)模塊；

5、所述軟件顯示界面設(shè)計(jì)模塊用于模擬真實(shí)回聲測(cè)深儀的顯示效果；

6、所述不同底質(zhì)回波成像模塊基于對(duì)jackson散射模型仿真的結(jié)果獲取不同底質(zhì)回波強(qiáng)度與聲波掠射角之間的關(guān)系，并根據(jù)獲取的目標(biāo)海底底質(zhì)數(shù)據(jù)，繪制出相應(yīng)海底底質(zhì)在不同掠射角下的回波圖像；

7、所述雜波噪聲圖像生成模塊用于根據(jù)海洋環(huán)境噪聲模型和海洋混響噪聲模型，模擬出回波圖像噪聲，隨后通過(guò)隨機(jī)函數(shù)，隨機(jī)在一個(gè)顯示區(qū)域生成數(shù)個(gè)噪聲斑點(diǎn)，從而模擬出海底雜波圖像；

8、所述量程/增益/掠射角調(diào)節(jié)模塊用于改變回聲測(cè)深儀的量程和增益以及調(diào)節(jié)換能器發(fā)射聲波的掠射角，以得到最優(yōu)狀態(tài)的海底回波圖像。

9、進(jìn)一步地，所述操作控制面板包括量程調(diào)節(jié)區(qū)域、增益調(diào)節(jié)區(qū)域、顯示模式切換區(qū)域、聲波掠射角設(shè)置區(qū)域以及不同底質(zhì)切換區(qū)域；

10、操作人員通過(guò)操控設(shè)備面板上的操作區(qū)域產(chǎn)生輸入信號(hào)，所述輸入信號(hào)被控制面板的電路捕捉，并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后經(jīng)信號(hào)放大、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換步驟處理后，通過(guò)總線傳遞給仿真主機(jī)，通過(guò)搭載于仿真主機(jī)的仿真系統(tǒng)軟件接收來(lái)自控制面板的信號(hào)，根據(jù)預(yù)設(shè)的程序和邏輯判斷，確定執(zhí)行的操作，并通過(guò)顯示設(shè)備顯示出來(lái)。

11、進(jìn)一步地，所述jackson散射模型為：

12、sb(θ)＝10lg[σre(θ)+σve(θ)]

13、其中，σre(θ)表示引起界面散射的單位立體角單位面積的無(wú)量綱散射截面，σve(θ)表示引起體積散射的單位立體角單位面積的無(wú)量綱散射截面，sb(θ)表示海底反向散射強(qiáng)度，θ表示掠射角。

14、進(jìn)一步地，所述不同底質(zhì)回波成像模塊的成像過(guò)程包括：

15、獲取操作控制面板輸出的操作信號(hào)，判斷當(dāng)前海底底質(zhì)類型，讀取對(duì)應(yīng)水深數(shù)據(jù)文件并進(jìn)行非線性插值處理，生成繪制回波的原始數(shù)據(jù)；

16、利用回波圖像生成算法，繪制出相應(yīng)海底底質(zhì)在不同掠射角下的回波圖像，包括：將回波圖像分為上、中、下三條由淺入深的線段，每條線段長(zhǎng)度為一個(gè)固定區(qū)間的隨機(jī)值，下面線段的起點(diǎn)承接其上面線段的終點(diǎn)，由于回波圖像線段均是縱向排列，且從屏幕右端繪制，假設(shè)屏幕橫向距離位x，傳入的回波繪制數(shù)據(jù)為y，每部分線段固定區(qū)間的生成的隨機(jī)值分別為r1、r2、r3，則上面線段的起點(diǎn)和終點(diǎn)分別為(x，y)、(x，y+r1)，中間線段的起點(diǎn)和終點(diǎn)分別為(x，y+r1)、(x，y+r1+r2)，下面線段的起點(diǎn)和終點(diǎn)分別為(x，y+r1+r2)、(x，y+r1+r2+r3)，然后利用bresenham畫線算法繪制回波圖像。

17、進(jìn)一步地，所述海洋環(huán)境噪聲模型被設(shè)置為：

18、

19、其中z為屏幕像素的灰度值，φ(z)為z的概率密度函數(shù)，其均值和方差為：

20、

21、其中<>表示集合的平均；

22、所述海洋混響噪聲模型被設(shè)置為：

23、g(x,y)＝f(x,y)+m(x,y)

24、其中，g(x,y)表示被污染圖像在(x,y)位置的像素幅值；f(x,y)表示原始圖像f在(x,y)位置的像素幅值；表示原始圖像f的像素平均值；是噪聲n的平均值，且等于1；n(x,y)表示在(x,y)位置的噪聲；g(x,y)和n(x,y)均是服從瑞利分布的隨機(jī)變量，并且n(x,y)的期望為1。

25、進(jìn)一步地，所述不同底質(zhì)包括：粘土、淤泥、細(xì)砂、中砂、粗砂、極粗砂、砂礫以及巖石。

26、較現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

27、1、本發(fā)明基于聲散射模型，提出一種繪制不同海底底質(zhì)回波圖像的成像算法，使回聲測(cè)深儀模擬器的成像效果更加貼合實(shí)際情況；現(xiàn)有的回聲測(cè)深儀模擬器均為純軟件系統(tǒng)，僅能通過(guò)鼠標(biāo)鍵盤控制系統(tǒng)運(yùn)行，本發(fā)明利用電子工程技術(shù)開發(fā)設(shè)計(jì)了一套回聲測(cè)深儀操作控制面板，可以完成切換底質(zhì)、調(diào)整換能器聲波掠射角以及其他基礎(chǔ)功能地任務(wù)，使操作更加簡(jiǎn)便。

28、2、本發(fā)明利用計(jì)算機(jī)圖形圖像技術(shù)和電子工程技術(shù)開發(fā)了多底質(zhì)船載回聲測(cè)深儀仿真系統(tǒng)，通過(guò)仿真，逼真地展現(xiàn)出不同海底底質(zhì)在不同掠射角下地回波圖像，可用于航海類學(xué)生和船員對(duì)于船載航行數(shù)據(jù)記錄儀的教學(xué)與訓(xùn)練，達(dá)到良好的教學(xué)培訓(xùn)效果。

技術(shù)特征：

1.一種多底質(zhì)船載回聲測(cè)深儀仿真系統(tǒng)，其特征在于，包括：仿真主機(jī)和操作控制面板，所述仿真主機(jī)搭載有處理器，所述處理器用于運(yùn)行仿真系統(tǒng)軟件，所述仿真系統(tǒng)軟件響應(yīng)于操作控制面板發(fā)送的控制信號(hào)進(jìn)行回波成像仿真；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多底質(zhì)船載回聲測(cè)深儀仿真系統(tǒng)，其特征在于，所述操作控制面板包括量程調(diào)節(jié)區(qū)域、增益調(diào)節(jié)區(qū)域、顯示模式切換區(qū)域、聲波掠射角設(shè)置區(qū)域以及不同底質(zhì)切換區(qū)域；

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多底質(zhì)船載回聲測(cè)深儀仿真系統(tǒng)，其特征在于，所述jackson散射模型為：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多底質(zhì)船載回聲測(cè)深儀仿真系統(tǒng)，其特征在于，所述不同底質(zhì)回波成像模塊的成像過(guò)程包括：

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多底質(zhì)船載回聲測(cè)深儀仿真系統(tǒng)，其特征在于，所述海洋環(huán)境噪聲模型被設(shè)置為：

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多底質(zhì)船載回聲測(cè)深儀仿真系統(tǒng)，其特征在于，所述不同底質(zhì)包括：粘土、淤泥、細(xì)砂、中砂、粗砂、極粗砂、砂礫以及巖石。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種多底質(zhì)船載回聲測(cè)深儀仿真系統(tǒng)，包括：仿真主機(jī)和操作控制面板，所述仿真主機(jī)搭載有處理器，所述處理器用于運(yùn)行仿真系統(tǒng)軟件，所述仿真系統(tǒng)軟件響應(yīng)于操作控制面板發(fā)送的控制信號(hào)進(jìn)行回波成像仿真；所述仿真系統(tǒng)軟件被設(shè)置為具有軟件顯示界面設(shè)計(jì)模塊、不同底質(zhì)回波成像模塊、雜波噪聲圖像生成模塊以及量程/增益/掠射角調(diào)節(jié)模塊；所述操作控制面板包括量程增減區(qū)域、增益增減區(qū)域、顯示模式切換區(qū)域、聲波掠射角設(shè)置區(qū)域以及不同底質(zhì)切換區(qū)域。本發(fā)明基于對(duì)Jackson散射模型仿真的結(jié)果，得到不同底質(zhì)回波強(qiáng)度與聲波掠射角之間的關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不同海底底質(zhì)的區(qū)別成像。

技術(shù)研發(fā)人員：楊曉,李世浩,任鴻翔,廉靜靜,李暢,王德龍,陶瑞,邱紹楊,張博翔,封曉宇
受保護(hù)的技術(shù)使用者：大連海事大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/21