CN101813771B - 一种海豚仿生声纳信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种海豚仿生声纳信号处理方法，包含如下步骤：1)海豚声信号发射分系统根据系统要求设置系统参数；2)根据设定参数获得的脉冲重复周期prt，每隔prt发射一次海豚声信号同时启动延时采样控制；3)水下目标声信号接收分系统接收发射信号并对目标回波信号进行滤波、放大和模数变换；4)采用目标回波声信号处理分系统计算采集的数字信号的目标回波特征；其中，步骤4)还包含如下子步骤：4-1)首先对目标回波信号进行波束形成；4-2)对波束形成后的目标回波信号进行处理，首先，采用gammatone滤波器对目标回波信号进行耳蜗滤波处理；然后，再采用半波整流的方式对目标回波信号进行处理；最后进行低通滤波，得到最终结果。

Description

一种海豚仿生声纳信号处理方法

技术领域

本发明属于水下声纳领域，特别涉及一种海豚仿生声纳信号处理方法。

背景技术

海豚生活的水下世界视距有限，有的水域甚至非常混浊，正是这些环境因素造就了性能优异的海豚声纳系统。通过声纳系统，海豚可以完成种群个体识别和定位、导航、避障、觅食、躲避天敌(如虎鲸等)多种任务。海豚声纳系统对浅海和混浊水区域适应能力极强，种群行动的时候，海豚个体之间的声纳系统不会互相干扰，甚至可以捕捉钻入泥沙中躲避的鱼。相当多的实验研究表明，与人类制造的声纳系统相比，海豚声纳具有非常优异的性能。

海豚声纳具有优异的探测性能，目前对海豚声纳的生理及信号处理模型的研究在某些方面取得了一定的进展。在此基础上，本发明提出一种海豚仿生声纳系统与实施方法。通过本发明提出系统和方法，可以研制一种可用于目标识别的海豚仿生声纳。此仿生声纳可以应用于UUV前视探测、蛙人手持式、港口反潜等多种不同场合。相关文献：WHITLOW W.L.Au.The Sonar of Dolphin.New York：Springer，1993：60-66；刘维，叶青华，黄海宁，等.海豚声纳成像模型研究.声学技术，2007，26(5)：145-147。

发明内容

本发明的目的在于，为克服目前没有一个完整的海豚仿生声纳系统及其与之配套的信号处理方法，从而提出一种海豚仿生声纳系统及信号处理方法。

本发明是根据海豚动物声纳的工作机理，提出一种海豚仿生声纳系统与实施方法。通过本发明提出系统和方法，可以研制一种可用于目标识别的海豚仿生声纳。此仿生声纳可以应用于UUV前视探测、蛙人手持式、港口反潜等多种不同场合。

为实现上述发明目的，本发明提出的一种海豚仿生声纳信号处理方法，所述的方法包含如下步骤：

1)海豚声信号发射分系统根据系统要求设置系统参数；所述的系统参数包含：海豚声信号中心频率为f₀、信号带宽为B、单脉冲宽度为dur、脉冲重复周期为prt、最小采样距离为r_min、最小采样点数为NR和采样频率f_s；

2)根据设定参数获得的脉冲重复周期prt，控制海豚声信号发射分系统，每隔prt发射一次海豚声信号，发射系统发射海豚声信号的同时启动延时采样控制；

3)水下目标声信号接收分系统接收发射信号并对目标回波信号进行滤波放大处理，并进行模数变换；所述的滤波器，带通范围为[f₀-B/2 f₀+B/2]；所述的模数变换，根据设定的采样率f_s，对信号进行采样；

4)采用目标回波声信号处理分系统计算采集的数字信号的目标回波特征；

作为本发明的一个改进，步骤4)所述的计算目标的回波特征还包含如下子步骤：

4-1)首先对目标回波信号进行波束形成；

4-2)对波束形成后的目标回波信号进行处理，该处理具体包含：

首先，采用gammatone滤波器对目标回波信号进行耳蜗滤波处理，所述的gammatone滤波器的冲击响应如下所示：

g(t)＝at^n-1e^-2πbtcos(2πft+φ)

其中f为频率，a为幅度，n为滤波器阶数，b为滤波器带宽，t为时间变量；

然后，再采用半波整流的方式对目标回波信号进行处理，公式如下：

o_k＝max[s_k 0]

最后，对经过处理的信号o_k进行低通滤波，得到最终结果。

步骤1)所述的海豚声信号，表达式如下：

$x\left(t\right)=A\left(\cos (2\mathrm{\π}{f}_{0}t+\mathrm{\θ})\right)e^{{-\mathrm{\π}}^{2\frac{{(t-t_0)}^2}{{\mathrm{\Δ\τ}}^2}}}.$

所述的目标回波特征，将输出至目标特征显示系统进行显示。

本发明一种海豚仿生声纳系统及信号处理方法，分别描述如下。

海豚仿生声纳系统包括海豚声信号发射分系统，水下目标声信号接收分系统，目标回波声信号处理系统，目标特征显示系统。

其中海豚声信号发射分系统的主要功能是发射海豚声纳声信号，海豚声信号发射分系统包括发射机和发射换能器两部分。其中发射机用于驱动发射换能器发射声信号，发射换能器用于将电能转换为声纳发射声信号。

水下目标回波声信号接收分系统包括信号放大、滤波以及信号采集三个部分；其中放大部分用于对水下目标的回波信号的微弱信号进行放大；滤波部分根据对水下目标回波信号的带宽对其进行滤波，以消除信号带宽外噪声的影响；信号采集部分的主要功能是对水下目标回波信号进行模数转换，将水下目标回波信号转换为数字信号。

目标回波声信号处理系统用于对目标回波声信号进行处理并提取目标的特征。目标回波声信号处理系统的处理方法依据海豚动物声纳的处理模型建立，通过海豚声纳仿生的方式对目标回波声信号进行处理，并形成目标的回波特征。具体处理方法参见本专利说明书下述说明。

目标特征显示系统用于对目标回波声信号处理系统得到的目标声特征进行显示，用于辅助人工对目标的特征进行判定。

本发明的优点在于，依据海豚动物声纳的声信号形式和声信号处理模型，提供的一种海豚仿生声纳系统与方法，该系统和方法可以很好的提取水下目标的声特征，并可以应用于UUV前视探测、蛙人手持式、港口反潜等多种不同场合，具有重要的军事和民用应用价值和意义。

附图说明

图1是本发明的海豚仿生声纳系统示意图；

图2是本发明的采用解析表达式生成的海豚声信号(时域)；

图3是本发明的采用解析表达式生成的海豚声信号(频域)；

图4直接录取的海豚声纳信号(时域)；

图5直接录取的海豚声纳信号(频域)；

图6是本发明的海豚声纳信号处理步骤；

图7是本发明的发射和接收换能器；

图8是本发明的接收换能器子阵波束成形。

图9是基于本发明的海豚仿生声纳系统的信号处理方法的步骤流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一种海豚仿生声纳系统及方法进行详细说明。

具体实施方式以ROV搭载使用的前视海豚仿生声纳系统为例进行说明。ROV搭载使用的前视海豚仿生声纳系统安装在UUV的前部，ROV和母船之间通过电缆或者无线方式(如水声通信)进行数据传输和控制，回波数据通过电缆或者无线方式传输到母船进行处理，母船通过电缆或者无线方式控制ROV安装的前视海豚仿生声纳系统。

海豚仿生声纳发射分系统安装在ROV上，其中声纳换能器安装在ROV的艏部，声纳发射机安装在ROV水密舱内，安装在ROV的设备统称为湿端设备，安装与母船之间的设备统称为干端设备，干端和湿端设备之间通过标准以太网进行数据传输和控制，湿端设备由干端通过直流供电。供电线通过电缆连接设备，标准以太网通过电缆连接干端和湿端设备。

海豚仿生声纳的发射阵采用线阵或者弧形阵(具体根据需要的发射开角确定)，海豚仿生声纳的接收基阵采用线阵。如图7所示，假设发射开角为θ_T，发射阵宽度为D_T，接收阵由N个接收子阵组成，接收阵子阵开角为θ_R，接收子阵宽度为D_R，则海豚仿生声纳系统的工作及处理步骤为：

1)设置海豚声信号中心频率为f₀，信号带宽为B，单脉冲宽度为dur，脉冲重复周期为prt，最小采样距离为r_min，最小采样点数为NR，采样频率为f_s；

2)根据设定的脉冲重复周期prt，控制发射系统，每隔prt发射一次海豚声信号；发射系统发射海豚声信号的同时启动延时采样控制。

3)声信号接收系统对目标回波信号进行滤波放大处理，带通滤波器的带通范围为[f₀-B/2 f₀+B/2]；

4)根据设定的采样率f_s，当启动延时采样控制时间达到 $t_{\min }=\frac{2r_{\min }}{C}$ (C为声速)时启动采样程序，经过采样时间NR/f_s后完成采样。采样完成后的信号经过传输系统传输枝干端进行数据处理。

5)采用目标回波声信号处理系统计算目标的回波特征；

6)将目标回波特征输出至目标特征显示系统进行显示。

上述步骤(2)中，发射分系统发射的海豚声信号依据海豚动物声纳发射的声信号设计。发射的海豚声信号可以通过两种方式获得，一种是通过对录取的海豚声信号进行处理后作为发射信号发射；一种是通过对录取的海豚声信号进行拟合，然后获得海豚声信号的解析表达式，根据参数生成海豚声信号。附图2至附图5分别给出了通过这两种方式获取的海豚声信号。为了便于系统控制，此系统中采用海豚声信号的解析表达式，表达式形式为：

$x\left(t\right)=A\left(\cos (2\mathrm{\π}{f}_{0}t+\mathrm{\θ})\right)e^{{-\mathrm{\π}}^{2\frac{{(t-t_0)}^2}{{\mathrm{\Δ\τ}}^2}}}$

其中A为信号幅度系数，f₀为中心频率，t₀为信号时间中心，Δτ为信号宽度系数，θ为信号初始相位偏移。

其中，图6为本发明的海豚声纳信号处理步骤，水下目标回波声信号接收分系统一次对信号进行放大、滤波以及信号采集；其中放大部分用于对水下目标的回波信号的微弱信号进行放大；滤波部分根据对水下目标回波信号的带宽对其进行滤波，以消除信号带宽外噪声的影响；信号采集部分的主要功能是对水下目标回波信号进行模数转换，将水下目标回波信号转换为数字信号；最后再通过目标回波信号处理系统对信号特征进行提取分析。

上述步骤(5)中，采用目标回波声信号处理系统计算目标回波特征的步骤如下。

51)首先对目标回波信号进行波束形成，使目标回波信号具备一定的空间分辨能力；

假设接收系统采集到的目标回波信号为e_i(t)，其中i表示第i个接收通道，可以通过波束形成得到θ_k方向的目标回波信号，如图8所示，θ_k方向的目标回波信号为：

$s_k=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{e}_i(t-\mathrm{\Δ}{t}_i)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{e}_i(t-\frac{d_i\sin {\mathrm{\θ}}_k}{C})$

52)对波束形成后的目标回波信号进行处理，获取不同方位上的目标特征

海豚动物声纳对声信号的处理主要包括耳蜗滤波、毛细胞处理和神经处理等步骤，本发明中提出海豚仿生声纳重点从三个方面对海豚动物声纳进行仿生，即海豚动物声纳声信号形式，海豚动物声纳耳蜗滤波处理和海豚声纳毛细胞处理。因此为了获取不同方位上的目标特征，对目标回波信号主要进行耳蜗滤波处理和毛细胞处理两个处理步骤。对目标回波信号的耳蜗滤波处理主要采用gammatone滤波器实现，gammatone滤波器的冲击响应如下所示。

g(r)＝at^n-1e^-2πbtcos(2πft+φ)

其中f为频率，a为幅度，n为滤波器阶数，b为滤波器带宽，t为时间变量。

对目标回波信号进行处理毛细胞模型采用半波整流的方式完成，其实施方式如下：

o_k＝max[s_k 0]

最后对经过处理的信号o_k进行低通滤波，得到最终结果。

上述步骤(5)中，将目标回波特征输出至目标特征显示系统进行显示，目标特征显示系统既可以实时显示，也可以通过后处理的方式对目标回波数据进行显示。除此之外，由于目标回波特征也可以作为目标识别系统的输入进行目标自动识别，比如采用神经网络目标识别系统通过目标回波特征对目标进行识别。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种海豚仿生声纳信号处理方法，所述的方法包含如下步骤：

1）海豚声信号发射分系统根据系统要求设置系统参数；

2）根据设定参数获得的脉冲重复周期prt，控制海豚声信号发射分系统，每隔prt发射一次海豚声信号，发射分系统发射海豚声信号的同时启动延时采样控制；

3）水下目标声信号接收分系统接收发射信号并对目标回波信号进行滤波放大处理，并对目标回波信号进行模数变换；

4）采用目标回波声信号处理分系统计算采集的数字信号的目标回波特征；

其中，步骤4）计算目标的回波特征还包含如下子步骤：

4-1）首先对目标回波信号进行波束形成；

4-2）对波束形成后的目标回波信号进行处理，该处理具体包含：

首先，采用gammatone滤波器对目标回波信号进行耳蜗滤波处理，所述的gammatone滤波器的冲击响应如下所示：

g(t)＝at^n-1e^-2πbtcos(2πft+φ)

其中f为频率，a为幅度，n为滤波器阶数，b为滤波器带宽，t为时间变量；φ表示初始相位；

然后，再采用半波整流的方式对目标回波信号进行处理，公式如下：

o_k＝max[s_k 0]

s_k为θ_k方向的目标回波信号；

最后，对经过处理的信号o_k进行低通滤波，得到最终结果。

2.根据权利要求1所述的海豚仿生声纳信号处理方法，其特征在于，步骤1）所述的系统参数包含：海豚声信号中心频率为f₀、信号带宽为B、单脉冲宽度为dur、脉冲重复周期为prt、最小采样距离为r_min、最小采样点数为NR和采样频率f_s。

3.根据权利要求1所述的海豚仿生声纳信号处理方法，其特征在于，步骤2）所述的海豚声信号，表达式如下：

$x\left(t\right)=A\left(\cos (2\mathrm{\π}{f}_{0}t+\mathrm{\θ})\right)e^{-{\mathrm{\π}}^{2\frac{{(t-t_0)}^2}{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\τ}}^2}}}$

其中，A为信号幅度系数，f₀为中心频率，t₀为信号时间中心，Δτ为信号宽度系数，θ为信号初始相位偏移。

4.根据权利要求1所述的海豚仿生声纳信号处理方法，其特征在于，步骤4）的滤波器，带通范围为[f₀-B/2 f₀+B/2]；所述的模数变换，根据设定的采样率f_s，对回波信号进行采样；

其中，f₀为海豚声信号中心频率，B为信号带宽。

5.根据权利要求1所述的海豚仿生声纳信号处理方法，其特征在于，所述的目标回波特征，将输出至目标特征显示系统进行显示。

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