渔用声纳模拟器关键技术的研究

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1、http://www.paper.edu.cn渔用声纳模拟器关键技术的研究姚明，神和龙大连海事大学航海动态仿真及控制交通部重点实验室，辽宁大连(116026)Email：yaoming7836421@163.com摘要：本文设计的渔用声纳模拟器显示软件，是从航海教育和培训的角度出发，完善航海操纵模拟器，使其应用更加广泛，特别是能在渔业培训中发挥重要的作用。主要就鱼群回波和海底回波进行模拟，设计了较合理的鱼群模型和海底模型，并采用点映射的方式正确地反映回波位置信息；提出了基于噪声强度的灰度级别划分方法，结合图像处理技术以提高渔用声纳模拟器的显示性能。关键词：渔

2、用声纳模拟器,鱼群回波,海底回波,模型1．引言航海操纵模拟器自问世并投入航海教育与培训以来，在航海教育和培训中发挥了重要作用，并受到普遍欢迎。随着计算机技术的高速发展，各种航海模拟器不断更新，模拟器功能日臻完善，不过却很少涉及到水下状况。现在有些渔业部门要求在航海模拟器中增加渔业模块(其中含有渔用声纳模拟器)，以满足海洋渔业专业学生和渔业船舶驾驶员学习和培训的需要，不仅可以用于航海教学与培训，还可以提高其海洋捕捞生产和海洋渔业研究能力，以适应我国渔业发展要求。本文对渔用声纳模拟器进行了研制，并将其加到航海模拟器上，为渔业模块与航海模拟器的结合打下很好的铺垫，

3、并为渔业模块其它模拟器的研究开发提供了参考。渔用声纳模拟器是目前在渔业生产中应用较广的水声助渔仪器，是现代海洋捕捞生产和海洋渔业研究的主要手段。随着水声学、电子学和计算机等技术的发展，水声鱼群定位技术也日益发展，在海洋渔业生产和科学研究中越来越显示其重要地位。日常教学中，渔用声纳的操作训练是在实验室里进行的，由于换能器的特性和环境的限制，很难显示出其在作业时的真实回波，仅能通过对控制面板的操作，来熟悉渔用声纳的使用,这样使学生对渔用声纳的实际使用印象不深，达不到预期的教学效果。针对上述问题，本文采用一种用计算机来模拟渔用声纳回波信号并用图形显示出来的方法，给

4、操作者以直观、形象、逼真的感觉，达到与真实环境下近似的效果。2．模型的建立2.1鱼群模型[1]目前常用的回波模拟方法有：亮点结构模型、形态函数法、点散射体集合模型。本文采用点散射体模型对鱼群进行模拟：将鱼群视为点散射体的集合，其中每个点散射体的回波是入射信号经过在水中的传播和点散射体作用的结果由于鱼群的分布比较复杂，不同的鱼群的分布状态各异，主要都是通过经验公式和观察来判断鱼群的分布，因此，一般可以简单的认为鱼群是随机分布的。然而，鱼群的分布虽然复杂但是鱼群的分布又具有一定的特点：可以根据鱼群密度等级不同将鱼群按层划分。基于[2]以上两个特点，本文采用的方法

5、是首先将鱼群分层，根据鱼群的深度范围以及鱼群密度，将鱼群分为若干层，然后根据每一层的密度使用随机分布的有效点散射体来描述每一层鱼的分布，然后对点散射体进行回波的解算。-1-http://www.paper.edu.cn2.2海底模型为了更好的与航海操纵模拟器相结合，本文设计的渔用声纳模拟器所需的海底数据均从电子海图上获得，具体步骤如下：1用海图数字化软件对电子海图进行处理（特别是对水深点比较稀疏的海图，可以手动输入合理的水深点）以满足程序对海底模拟的使用要求，如图1所示：图1手动输入水深数据2将电子海图上的水深点进行海底三角形构网（构造基本真实的海底地貌）并

6、将所有的海底三角形数据输出保存为dat格式的文件，如图2所示：图2保存水深数据3．回波解算渔用声纳模拟器回波的位置信息包括方位和斜距，方位采用模拟声纳波的方位，因此回波解算就是为了获得回波的斜距。3.1鱼群回波在鱼群模型中我们已经将鱼群抽象成有效的点散射体，因此鱼群回波的解算实际上是对这些点散射体回波的解算。图3某一点散射体回波解算示意图。-2-http://www.paper.edu.cn图3鱼群回波解算示意图22OT=OA+AT3.2海底回波用三角形网格构成的海底模型有效的模拟了复杂的海底地形并使海底回波的计算简化为简单的立体几何计算，图2为海底回波解算

7、的示意图。图4海底回波解算示意图下面在海底模型的基础上来对一个海底回波进行解算，步骤如下：1.计算声纳射线与一个海底三角形所在平面的交点：（1）由上图可分别求得直线FE的方向向量α（α，α，α）和直线ED的方向向XYZ量β（β，β，β）XYZ-3-http://www.paper.edu.cnα=x−xβ=x−xXFEXDFα=y−yβ=y−yYFEYDFα=z−zβ=z−zZFEZDF（2）由方向向量α和β求出三角形平面的单位法向量γ（γ，γ，γ）XYZλ=α×β−α×β则γ=λ÷λXYZZYXXλ=α×β−α×βγ=λ÷λYZXXZYYλ=α×β−α×β

8、γ=λ÷λZXYYXZZ222λ=λ+λ+λXYZ（