CN102879785A - 基于频谱认知和分段跳频调频的水下物体探测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于频谱认知和分段跳频调频的水下物体探测方法及系统，系统包括控制中心和探测装置，控制中心包括发射控制子系统和接收控制子系统，两个子系统均与探测装置相连。本发明采取主被动相结合的认知方法，由频谱侦听器对水下频段被动侦听，得到一个可用频段表。发射端依据表中频段从高到低依次产生线性调频信号由发送探头发送。接收机在收到回波信号后，可以根据回波信号的质量调整诸如发射功率和调制参数等发射参数以实现更精确地探测。本发明能够依据信道质量状况实时调整发送参数，能够抵抗高衰减和强多径干扰，实现精确、可靠的水下探测本发明能够抵抗高衰减和强多径干扰，能够依据信道质量状况实时调整发送参数，实现精确水下探测。

Description

基于频谱认知和分段跳频调频的水下物体探测方法及系统

技术领域

本发明涉及水下探测技术领域，具体涉及基于频谱认知和分段跳频调频的近距离水下物体探测方法及系统。

背景技术

进入21世纪以来，人类无论是在经济、军事还是环境保护问题上都越来越重视对海洋的研究与开发，因而水下目标的探测是我们在开发利用海洋的过程中常常遇到的一个问题，它是指通过声学、光学和电磁学等手段，利用声呐、水下电视和磁探仪等设备对水下目标进行探测、观察与识别的过程。

与陆地上的目标探测有所不同的是，水下探测信号传播的信道要比陆地上的各种有线、无线信道要复杂得多，这主要体现在四个方面：

探测信号在水下传播时会产生吸收损耗，逐渐转化为热能，称为吸收损失。吸收损失与海水成分、温度、压力、信号频率和传播方式等因素有关，并非固定值；

水下信道具有强多径干扰的特点：当探测设备靠近海面或海底时，会使信号发生折射或反射现象；或当海水中存在气泡或其他杂质时，也会出现反射、散射等现象；

复杂的海洋背景噪声：在海洋环境中，海面风浪、海洋生物活动、海上航运等自然和人为活动产生的噪声，在传播过程中会与海面、海底和水体等发生相互作用而形成一个复杂的背景噪声场，即海洋环境噪声。海洋环境噪声复杂多变，与海域位置、探测设备的位置、近区和远区的气象条件及信号频率等都有关系；

水下信道是一个随机时变信道：随机起伏的海面，随机、非均匀、非静止的海水介质及其分布的气泡层、潮汐、风浪、海洋内波等诸多因素使得水下信道是一个复杂的时变信道，在其中，探测信号的传播速度、衰减等都会时刻变化，且难以获得其统计特性。

总之，水下信道是一个极其复杂的时间-空间-频率变参的随机窄带信道，具有高衰减、强多径干扰、多普勒频偏严重、可用频带窄等特点。上述原因使得在水下对探测目标的精确探测变得非常困难。由于在水下无线电波的穿透能力非常弱，基本上无法在海水中传播，因而目前的水下目标探测技术主要往光学探测和声学探测这两个方向发展。而实际上，光波在水下的传播特性也并不尽如人意，其衰减很快，并且散射现象严重，因此其探测距离非常有限，探测精度也不高。

声学探测技术按工作方式来分，可以分为主动探测和被动探测两种方式。主动探测是指由探测设备主动向探测目标发送一个或多个探测信号（声波或超声波），探测信号到达探测目标处后会产生回波信号，那么通过探测设备接收并分析回波信号，即可识别探测目标的位置、形状、材质等相关信息。而被动探测没有专门的发射系统，不发送探测信号，它通过接收目标的辐射噪声来识别和探测目标物体，确定目标的状态和性质等。

传统的主动水下探测系统通常采取的方法是：

在发射机上，常采用固定参数的单频信号或线性调频信号作为发射信号。尽管使用短脉冲宽度的矩形波能够获得较好的距离分辨率，但是单频信号在传播中易受多普勒效应影响，多普勒频移分辨率和距离分辨率两者无法兼得，并且自相关性较差，不仅不同探测信号之间容易造成互相干扰，还容易将其他杂质体反射回的杂波作为回波信号接收。而采用线性调频信号虽然能够较好地抵抗多普勒效应，但考虑到水下环境的强多变性，固定参数（调制中心频率、脉冲宽度等）的探测信号难以保持良好性能。

传统水下探测系统，考虑到海水对高频率的声波吸收能力更强，为保证系统的稳健性，一般都选取低频段的发射波。然而低频段的海洋环境噪声能量相对高频段的要大得多，使得发射端不得不大幅度增加发射信号功率来获得可靠的信噪比，特别是对于自身反射能力较弱的小物体；

在接收机上，通常建立在理想最佳接收机理论基础上，将环境条件做理想化处理。如在信号处理过程中，将随机信号作为各态历经处理，将不均匀背景作为均匀背景处理，而忽略海洋环境中多径效应、海洋背景噪声干扰及边界影响等不确定因素。因而测量结果与实际情况存在较大差距，并且固定参数的接收机参数及信号处理方法，根本无法保证在复杂多变的海洋环境中的最优；

尽管部分探测系统在接收端对回波信号进行了最优化滤波，但考虑到最优化滤波器需要对复杂的海洋水声信道进行建模，计算量巨大，无法实现实时探测。

为了在水下环境中实现精确、可靠的探测，可以结合认知无线电技术，对水下环境进行实时认知，通过调整发射信号的频率和功率等参数来获得可靠的探测结果。具体来说:

可结合认知无线电技术，对水下信道进行主被动相结合的频谱认知。通过频谱认知，选择符合质量要求的信道进行探测。同时，频谱认知过程伴随整个探测过程，因此可以很好地解决水下环境复杂和多变的问题；

采用中心频率跳变的线性调频信号来抵抗水下环境的多变性和强多普勒效应。线性调频信号是一种非线性相位调制信号，它在经过匹配滤波器后会产生脉冲压缩现象，从而在输出端可以获得一个窄脉冲，在保证一定信噪比的前提下获得更好的距离分辨率。它有两个方面的优点：首先，线性调频信号的匹配滤波器对回波信号的多普勒频移不敏感，即使回波信号具有较大的多普勒频移，经过匹配滤波器仍能起到脉冲压缩现象，使得输出信号的能量大都集中在主瓣，这能够大大简化回波信号处理系统。其次，由于线性调频信号具有良好的自相关特性（对其划分子带，各子带波形间存在固定的频移和相移关系），只需对回波信号进行简单的相关性分析即可区分出目标体回波信号和干扰信号。

采用跳频调制技术，用认知得到的超声载波对LMF（线性调频）信号进行调制，在可靠频段上进行探测信号的传输。跳频图案即为认知所得到的可用频段，实现简单，保证系统的实时性。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术普遍在实现中缺乏对实际水下环境的考虑，而是通过实验或仿真的方法获得水下信道模型来设计水下物体探测方法，使得探测结果与实际情况存在较大差异，提供基于频谱认知和分段跳频调频的水下物体探测方法及系统。本发明采取主被动相结合的认知方法，由频谱侦听器对水下频段被动侦听，得到一个可用频段表（频率从高到低为序）。发射端依据表中频段从高到低依次产生线性调频信号由发送探头发送。接收机在收到回波信号后，可以根据回波信号的质量调整诸如发射功率和调制参数等发射参数以实现更精确地探测。该水下探测方法能够依据信道质量状况实时调整发送参数，能够抵抗高衰减和强多径干扰，从而实现精确、可靠的水下探测。

本发明的目的通过以下技术方案实现。

基于频谱认知和分段跳频调频的水下物体探测系统，包括控制中心和探测装置，所述控制中心包括发射控制子系统和接收控制子系统，发射控制子系统和接收控制子系统均与探测装置相连。

所述发射控制子系统包括频谱侦听器、若干个带通滤波器（BPF）、并/串转换器、平方器、积分器、判决器、信号发生器、LFM调制器、跳频调制器、跳频频率表及频率合成器，其中，频谱侦听器与若干个带通滤波器相连，每一个带通滤波器均连接到并/串转换器上，并/串转换器、平方器、积分器、判决器、信号发生器、LFM调制器和跳频调制器顺次连接，跳频频率表与判决器相连，频率合成器与跳频频率表相连并连接至跳频调制器；

所述接收控制子系统包括滤波检测器、跳频解调器、跳频频率表、频率合成器和信号处理器，其中，滤波检测器与跳频解调器相连，跳频频率表与上述发射控制子系统的跳频频率表相连，频率合成器与跳频频率表相连，并连接至跳频解调器，跳频解调器连接信号处理器；

所述探测装置包括若干个探头，这些探头是以单工方式工作的发送探头或者接收探头，或是以双工方式工作的发送/接收探头。

该探测系统主要用于浅海湖泊中，对百米内的小物体进行精确探测，可以用于水下小物体的打捞，也可以用在水上或水下航行器中，以防止航行器撞击水下小物体。

所述基于频谱认知和分段跳频跳频的近距离水下物体探测系统的探测方法包含以下步骤：

步骤1，由发射控制子系统中的频谱侦听器对整个水下探测频段进行侦听，并将接收到的信号送至若干个带通滤波器（将频谱分成N个频段，带通滤波器的中心频率即为各个频段的中心频率），然后进行并/串转换；

步骤2，经过并/串转换后的串行信号依次通过平方器和积分器，计算各个子频段的接收信号的能量，平方器与积分器的工作周期均与频谱侦听器的工作周期相同；

步骤3，计算得到的各子频段接收信号的能量依次送入判决器进行判决，并将满足探测条件（能量低于一定阈值）的子频段中心频率记录在跳频频率表中,其中发射控制子系统与接收控制子系统的跳频频率表是同步更新的；

步骤4，由信号发生器产生的原始数字信号经LFM调制器进行基带线性调频；

步骤5，频率合成器选择跳频频率表中记录的最高可用频率合成本振信号，控制跳频调制器对LFM调制器输出的基带线性调频信号进行跳频调制。在完成一次探测信号的发送后，隔一个间隔时间继续跳频调制和信号发送——此时跳频调制的频率就选用跳频频率表中次高的频率，如此继续，直到收到由探测目标反射回来的回波为止；

步骤6，在接收控制子系统中,由接收探头接收到的信息送至滤波检测器，对接收信号进行滤波，然后由跳频解调器对滤波处理后的信号解调，最后送入信号处理器中进行回波分析。若接收到的回波信号不满足探测要求（如接收信号功率太低导致难以分辨出期望回波信号和背景噪声等），接收控制子系统可以传递相应信号给发射控制子系统，要求调整发送参数（如发射功率、线性调频斜率等）重新进行探测，以保证精确探测目的。

在步骤5中，考虑到水下环境的不确定性，为了提高系统的工作效率，在发送探测信号的过程中并不等待接收到本次回波信号以后才开始下一次发送，而是在发送端不间断地发送探测信号（以固定时间间隔），一直到接收到回波信号为止。

在步骤6中，所述对回波信号质量的要求是由实际探测需求来确定，可以是对回波信号的信噪比、分辨率等参数的要求。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1.本发明所述的水下探测方法，在发送端自适应地改变探测信号参数，不需要对复杂的水声信道进行建模，避免了繁杂的运算，实时性高，保证每次探测信号的质量，实现精确探测；

2.本发明所述的水下探测方法，在对信道质量进行检测时采取主被动认知相结合的方法，在保证信道质量的前提下能大大提高系统的工作效率；

3.本发明所述的水下探测方法，依次选择可用频率中的最高频段进行探测，以降低背景噪声的影响（由于海洋环境噪声主要集中在低频区），提高鲁棒性和回波信号的分辨率，尤其是对自身反射能力较弱的水下小物体而言。另外，由于本发明是针对水下近距离探测，在探测距离范围内，频率高低对水声信号的衰减程度几乎没有影响；

4.本发明所述的水下探测方法，针对水声信道的特点，采用了特殊的跳频方法，利用频谱认知的结果，由高到低地选择载波频率，大大简化了传统跳频系统的实现过程；

5.本发明所述的水下探测方法，对探测信号采用线性调频的调制方法，使得探测信号具有恒包络性的特点，能够抵抗水下信道中高衰减和强多普勒频移的问题。

附图说明

图1为实施方式中探测系统的结构示意图。

图2为实施方式中探测系统的基本工作流程示意图。

图3为实施方式中探测系统的详细工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图来详细描述本发明，但本发明的保护范围和实施方式不限于此。

基于频谱认知和分段跳频调频的水下物体探测系统结构示意图如图1所示，包括以下四个部分：控制中心（包括发射控制和接收控制两个部分）、探测装置、信道模型和探测目标，各部分的连接关系和信号传递关系如图所示，其中10为控制中心，110为发射控制，1101为频谱侦听器，1102为带通滤波器（BPF），1103为并/串转换器，1104为平方器，1105为积分器，1106为判决器，1107为信号发生器，1108为LFM调制器，1109为跳频调制器，1110为跳频频率表，1111为频率合成器，120为接收控制，121为信号处理器，122为跳频解调器，123为滤波检测，20为探测装置，30为信道模型，31为信道衰减，32为噪声，33为散射体，40为探测目标。

工作时，首先由频谱侦听器111对整个频段进行侦听，该频谱侦听器应该是一个宽频接收器（现有的水听器的接收带宽基本都可以满足本系统的需求，接收带宽范围均可达到几百赫兹——几十兆赫兹），能够较好并且真实而灵敏地接收到整个频段的信号s(t)，接下来s(t)送入N个带通滤波器1102（BPF1-BPFN），这N个带通滤波器的中心频率分别为N个子频带的中心频率，带宽为子频带的带宽F。如以B表示总的带宽（频率范围为[B_1—B_2]），N表示划分的子频带总数，∆f表示相邻两个子带间的空隙，F表示子频带带宽（子频带带宽与调制后的探测信号的信号带宽相同）。则有B=（N-1）*（F+∆f）+F，第i个带通滤波器的中心频率即为B_1+（i-1）*（F+f）+F/2。s(t)经过N个带通滤波器后得到N个带通信号：

、

、

、……、。这N个带通信号的带宽均为F，持续时间均为频谱侦听器111的接收时间T。并行的N个带通信号

、

、

、……、

经过并/串转换得到串行信号

依次经过平方器1104和积分器1105，并且平方器和积分器的工作周期均为T，因此可以认为是依次将

、

、

、……、这N个信号送入平方器和积分器进行平方和积分处理。得到能量信号：

得到的能量信号E(t)送入判决器1106进行判决，判决器的工作周期也为T，判决的结果包括

、

这两个状态：

其中

为判决门限，是根据探测目的而事先确定的（如，若只需要判别目标是否存在，而不需要探测目标的形状、材质等信息，那么可以将门限值设定得相对较低，而若需要目标的详细信息则需要将门限值设定得较高。且门限值本身可以在后续的调整过程中做相应的调整）。当在侦听时段所接收到信号能量低于该门限值时，表示该子频带内的噪声能量较低，本次探测可以使用该频段；当在侦听时段所接收到的信号能量高于该门限值时，表示该子频带内的噪声能量过高，该频段不能使用。判决器的判决结果送入跳频频率表1110中并记录下来。

信号发生器1107产生原始数字信号x(t)（这里假定为矩形脉冲信号，脉冲幅度为A，宽度为

）：

x(t)送入LFM调制器1108进行线性调频，得到线性调频信号y(t):

其中

表示线性调频信号y(t)的瞬时频率变化斜率。频率合成器1111根据跳频频率表中可用频率中的最高频率而产生本振信号作为超声载波(此处假定频率为

)，对线性调频信号y(t)进行跳频调制，得到跳频信号z(t)：

跳频信号z(t)送入探测装置，由发射探头进行探测信号的发送。控制中心可以从n个发射探头中任意选择处于空闲状态的探头进行探测信号的发送。

经发射探头发送的探测信号在水声信道中传输，由于海水的吸收作用会产生衰减，衰减后的信号到达探测目标后产生回波信号v(t)；另外，探测信号在水声信道中传输时，除了会产生衰减外，还会由于遇到气泡或杂质等散射体33而产生多径效应——混响u(t)，混响u(t)和回波信号v(t)叠加在一起，再经历水声信道的衰减，并与海洋中的环境噪声以及来自其他探测或通信设备的信号的干扰（统称为噪声32）叠加在一起，得到信号r(t)。

信号r(t)被接收探头接收。由于在发射控制部分，探测信号是连续发送的，并且由于水下信道的复杂性，接收探头接收的信号可能在频段上没有任何规律，因此n个接收探头也必须具备宽带接收的能力。并且，在没有被发射控制部分选择作为发射探头的其他若干个探头都应该保持在接收的工作状态。

假设接收探头能够无失真地进行信号的接收，也即，由接收探头传给控制中心10的信号仍为r(t)，滤波检测单元123对接收信号r(t)进行滤波（此处可以利用一个带通滤波器如巴特沃斯带通滤波器对接收信号r(t)进行带通滤波，滤波器带宽即为子带带宽，滤除宽带噪声），滤波后得到的信号依次送入跳频解调器122和进行跳频解调，其中控制跳频解调器的跳频频率表与发射控制部分110的是相同的（同步更新）。最后，解调后的信号送入信号处理器121中进行回波分析的操作。对于窄带信号来说，其复包络中即包含了信号的所有有用信息，因此此处可以对经过滤波和解跳的信号进行取包络操作——可以利用Hilbert法取得信号包络，接下来将信号送入低通滤波器进行平滑处理。最后，对包络波形进行傅里叶变换（FFT）即可得到包络的频谱图。分析频谱图，可以判断探测目标是否存在，并可以通过多次且不同方位的探测，通过分析接收到的不同目标亮点返回的回波信号，获得有关探测目标的目标强度信息，可以用来对探测目标的形状、材质等进行建模分析。

若经过回波分析，发现回波信号的质量无法达到精确探测的要求（例如，上述操作中所获得的频率分辨率过低等），那么在控制中心内部，接收控制可以发送调整信号给发射控制，相应地调整发射功率（保持现有的发射频率，即跳频频率）。

本实施方式中，采取的是在每次探测前先进行被动侦听，判断可用的频段，然后再由探测设备发送调制好的探测信号进行试用。该方法方式的资源利用率高——探测设备无需持续侦听信道状态，当探测设备的使用频率较低时适合这种方式。若探测设备的使用频率较高时，则可以以固定的时间间隔如

对各子信道进行侦听，利用能量检测和判决单元的结果刷新可用的频段表，而并不需要等待探测过程启动后再进行侦听。那么在实际进行探测时，只需要采用刷新后的可用频段表中的最高可用频段对探测信号进行跳频调制即可。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权力要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.基于频谱认知和分段跳频调频的水下物体探测系统，包括控制中心和探测装置，其特征在于：

所述控制中心包括发射控制子系统和接收控制子系统，发射控制子系统和接收控制子系统均与探测装置相连。

2.根据权利要求1所述的基于频谱认知和分段跳频调频的水下物体探测系统，其特征在于：

所述发射控制子系统包括频谱侦听器、若干个带通滤波器（BPF）、并/串转换器、平方器、积分器、判决器、信号发生器、LFM调制器、跳频调制器、跳频频率表及频率合成器，其中，频谱侦听器与若干个带通滤波器相连，每一个带通滤波器均连接到并/串转换器上，并/串转换器、平方器、积分器、判决器、信号发生器、LFM调制器和跳频调制器顺次连接，跳频频率表与判决器相连，频率合成器与跳频频率表相连并连接至跳频调制器；

所述接收控制子系统包括滤波检测器、跳频解调器、跳频频率表、频率合成器和信号处理器，其中，滤波检测器与跳频解调器相连，跳频频率表与上述发射控制子系统的跳频频率表相连，频率合成器与跳频频率表相连，并连接至跳频解调器，跳频解调器连接信号处理器；

所述探测装置包括若干个探头，这些探头是以单工方式工作的发送探头或者接收探头，或是以双工方式工作的发送/接收探头。

3. 用于权利要求1所述基于频谱认知和分段跳频调频的水下物体探测系统的探测方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1，发射控制子系统中频谱侦听器对整个水下探测频段进行侦听，并将接收到的信号送至若干个带通滤波器，然后进行并/串转换；

步骤2，经过并/串转换后的串行信号依次通过平方器和积分器，计算各个子频段的接收信号的能量，平方器与积分器的工作周期均与频谱侦听器的工作周期相同；

步骤3，计算得到的各子频段接收信号的能量依次送入判决器进行判决，并将满足探测条件即能量低于设定阈值的子频段中心频率记录在跳频频率表中，同时输入信号发生器；

步骤4，由信号发生器产生的原始数字信号经LFM调制器进行线性调频；

步骤5，频率合成器选择跳频频率表中记录的最高可用频率合成本振信号，控制跳频调制器对LFM调制器输出的线性调频信号进行跳频调制；

步骤6，接收控制子系统中，由接收探头接收到的信息送至滤波检测器，对接收信号进行滤波，然后由跳频解调器对滤波处理后的信号解调，最后送入信号处理器中进行回波分析。

4.根据权利要求3所述的探测方法，其特征在于：由发射控制子系统输出的探测信号，能任意选择探测装置中处于空闲状态的任一个或多个发射探头，并且除此之外的探头均处于宽频接收状态。

5.根据权利要求3中所述的探测方法，其特征在于：发射控制子系统在完成一次探测信号的发送后，隔一个间隔时间继续发送；此时跳频调制的频率就选用跳频频率表中次高的频率，如此继续发送，直到收到由探测目标反射回来的回波为止。

6. 根据权利要求3中所述的探测方法，其特征在于：所述发射控制子系统与接收控制子系统的跳频频率表是同步更新的，可用频率集是由发射控制子系统中的判决器判定的。

7. 根据权利要求3中所述的探测方法，，其特征在于：若接收到的回波信号不满足探测要求，接收控制子系统传递相应信号给发射控制子系统，要求调整发送参数重新进行探测，以保证精确探测目的。

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