本發(fā)明涉及船舶工程及仿真，具體來說，涉及一種多底質船載回聲測深儀仿真系統(tǒng)。

背景技術：

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

2、目前，船載回聲測深儀的仿真系統(tǒng)都停留在簡單模擬回波圖像上，如陳大軍、任鴻翔在《計算機系統(tǒng)應用》2014，23(07)：210-213.發(fā)表的“船用回聲測深儀仿真設備”和侯春寶,李浩,王立強等在《電腦編程技巧與維護》2015，(07)：81+93.發(fā)表的“基于labview的虛擬回聲測深儀研究”都設計并實現(xiàn)了回聲測深儀的模擬器，雖然這些系統(tǒng)都能完成回聲測深儀的回波成像功能，但是忽略了海底底質對回波圖像的影響，無法區(qū)分和呈現(xiàn)出不同海底底質的回波圖像，導致仿真效果與真實場景下的回波圖像差異較大，還原度較低。

技術實現(xiàn)思路

1、鑒于現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提供一種多底質船載回聲測深儀仿真系統(tǒng)。本發(fā)明基于對jackson散射模型仿真的結果，得到不同底質回波強度與聲波掠射角之間的關系，從而實現(xiàn)對不同海底底質的區(qū)別成像。

2、本發(fā)明采用的技術手段如下：

3、一種多底質船載回聲測深儀仿真系統(tǒng)，包括：仿真主機和操作控制面板，所述仿真主機搭載有處理器，所述處理器用于運行仿真系統(tǒng)軟件，所述仿真系統(tǒng)軟件響應于操作控制面板發(fā)送的控制信號進行回波成像仿真；

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

5、所述軟件顯示界面設計模塊用于模擬真實回聲測深儀的顯示效果；

6、所述不同底質回波成像模塊基于對jackson散射模型仿真的結果獲取不同底質回波強度與聲波掠射角之間的關系，并根據(jù)獲取的目標海底底質數(shù)據(jù)，繪制出相應海底底質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，隨后通過隨機函數(shù)，隨機在一個顯示區(qū)域生成數(shù)個噪聲斑點，從而模擬出海底雜波圖像；

8、所述量程/增益/掠射角調節(jié)模塊用于改變回聲測深儀的量程和增益以及調節(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、進一步地，所述操作控制面板包括量程調節(jié)區(qū)域、增益調節(jié)區(qū)域、顯示模式切換區(qū)域、聲波掠射角設置區(qū)域以及不同底質切換區(qū)域；

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

11、進一步地，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量綱散射截面，sb(θ)表示海底反向散射強度，θ表示掠射角。

14、進一步地，所述不同底質回波成像模塊的成像過程包括：

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

16、利用回波圖像生成算法，繪制出相應海底底質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，每條線段長度為一個固定區(qū)間的隨機值，下面線段的起點承接其上面線段的終點，由于回波圖像線段均是縱向排列，且從屏幕右端繪制，假設屏幕橫向距離位x，傳入的回波繪制數(shù)據(jù)為y，每部分線段固定區(qū)間的生成的隨機值分別為r1、r2、r3，則上面線段的起點和終點分別為(x，y)、(x，y+r1)，中間線段的起點和終點分別為(x，y+r1)、(x，y+r1+r2)，下面線段的起點和終點分別為(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、進一步地，所述海洋環(huán)境噪聲模型被設置為：

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變量，并且n(x,y)的期望為1。

25、進一步地，所述不同底質包括：粘土、淤泥、細砂、中砂、粗砂、極粗砂、砂礫以及巖石。

26、較現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

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回波圖像的成像算法，使回聲測深儀模擬器的成像效果更加貼合實際情況；現(xiàn)有的回聲測深儀模擬器均為純軟件系統(tǒng)，僅能通過鼠標鍵盤控制系統(tǒng)運行，本發(fā)明利用電子工程技術開發(fā)設計了一套回聲測深儀操作控制面板，可以完成切換底質、調整換能器聲波掠射角以及其他基礎功能地任務，使操作更加簡便。

28、2、本發(fā)明利用計算機圖形圖像技術和電子工程技術開發(fā)了多底質船載回聲測深儀仿真系統(tǒng)，通過仿真，逼真地展現(xiàn)出不同海底底質在不同掠射角下地回波圖像，可用于航海類學生和船員對于船載航行數(shù)據(jù)記錄儀的教學與訓練，達到良好的教學培訓效果。

技術特征：

1.一種多底質船載回聲測深儀仿真系統(tǒng)，其特征在于，包括：仿真主機和操作控制面板，所述仿真主機搭載有處理器，所述處理器用于運行仿真系統(tǒng)軟件，所述仿真系統(tǒng)軟件響應于操作控制面板發(fā)送的控制信號進行回波成像仿真；

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

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

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

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

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

技術總結
本發(fā)明公開了一種多底質船載回聲測深儀仿真系統(tǒng)，包括：仿真主機和操作控制面板，所述仿真主機搭載有處理器，所述處理器用于運行仿真系統(tǒng)軟件，所述仿真系統(tǒng)軟件響應于操作控制面板發(fā)送的控制信號進行回波成像仿真；所述仿真系統(tǒng)軟件被設置為具有軟件顯示界面設計模塊、不同底質回波成像模塊、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、聲波掠射角設置區(qū)域以及不同底質切換區(qū)域。本發(fā)明基于對Jackson散射模型仿真的結果，得到不同底質回波強度與聲波掠射角之間的關系，從而實現(xiàn)對不同海底底質的區(qū)別成像。

技術研發(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
受保護的技術使用者：大連海事大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/10/21