CN103969639B - 五波束探鱼仪的信号处理系统及其信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种五波束探鱼仪的信号处理系统及其信号处理方法。五波束探鱼仪组件将接收到的8路信号通过电缆传送至信号采集卡进行模数转换形成8路数字信号及用频率为120kHz的采样率进行带通数据采样，信号处理卡对所采集的数据进行正交变换、滤波、波束形成处理形成5路波束信号，信号处理卡对形成5路波束信号进行分析处理。本发明分别发射长短CW脉冲，然后对接收到的信号信号进行预处理，其中短脉冲用于鱼群探测，采用回波积分法分析鱼群回波的能量，进而判断鱼群大小、方位、密度，长脉冲用于水底探测，分析水底的反向散射信号的相位变化，测量五波束探鱼仪换能器阵相对与水底的运动速度和方向。

Description

五波束探鱼仪的信号处理系统及其信号处理方法

技术领域

本发明涉及的是一种探鱼仪的信号处理装置，具体地说是一种五波束探鱼仪的信号处理装置。本发明也涉及一种探鱼仪的信号处理方法。

背景技术

传统单波束探鱼仪采用向渔船正下方单波束发射探测超声波，然后再以单波束接收鱼群及海底回波，从而判断鱼群的有无、种类。为达到大的探测范围，一般具有很宽的探测波束，而为了实现更远的探测距离，同时要求很高的发射功率，这两者是一个矛盾；由于波束角度很宽，单波束探鱼仪有一个致命缺陷，不能分辨出鱼群方位及大小，这给张网捕捞带来困难；并且，利用传统单波束探鱼仪设备，只能判断一个波束内鱼群状态。这三方面的限制决定了传统单波束探鱼仪己经不适合当前海洋渔业开发、海洋渔业资源调查所需的能够高效、高精度获取波束内的鱼群信息的迫切需求。同时传统的单波束探鱼仪还不能提供仪器的对底速度信息，降低了探鱼仪的可用性，这就迫切需要发明一种高效探鱼仪及其信号处理系统、方法，以适应海洋科学渔业资源调查的需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种分辨率高、功能齐全的五波束探鱼仪的信号处理系统。本发明的目的还在于提供一种能分析鱼群大小、密度、对底速度的基于五波束探鱼仪的信号处理系统的信号处理方法。

本发明的五波束探鱼仪的信号处理系统包括五波束探鱼仪组件10、信号采集卡20、信号处理卡30、计算机40、电缆50、转接盒60，五波束探鱼仪组件10与信号采集卡20通过PMC接口电信号连接，信号处理卡30与信号采集卡20通过PMC接口双向电信号连接，信号采集卡20通过电缆50与转接盒60、计算机40依次电信号双向连接，还包括GPS定位系统70、姿态传感器80，GPS定位系统70和姿态传感器80分别双向电信号连接到转接盒60上。

本发明的五波束探鱼仪的信号处理系统的信号处理方法是这样实现的：首先由五波束探鱼仪组件10将接收到的8路信号通过电缆50传送至信号采集卡20进行模数转换形成8路数字信号及用频率为120kHz的采样率进行带通数据采样，然后信号处理卡30对所采集的数据进行正交变换、滤波、波束形成处理，形成5路波束信号。

本发明的信号处理方法还包括这样一些特征：

1、经过五波束探鱼仪的信号处理系统的信号处理的方法后，对形成的5路波束信号进行短脉冲回波积分信号处理，采用回波积分法分析鱼群回波的能量，并且利用姿态传感器80传来的数据进行姿态补偿得到鱼群能量信息进而判断鱼群大小、方位、密度。

2、经过五波束探鱼仪的信号处理系统的信号处理的方法后，对形成的5路波束信号进行长脉冲信号处理，即进行检波、求解包络、求解相位、相位补偿、波束频移进而计算分析五波束探鱼仪换能器阵相对于水底的运动速度，并且利用GPS定位系统70、姿态传感器80的数据对速度信息进行修正，得到绝对速度信息。

本发明解决了传统单波束探鱼仪效率低、功能单一的缺点。在同一个探测周期内，交替发射长短CW脉冲，同时获得鱼群大小、密度信息及仪器相对于海底的运动速度信息，系统及算法长期工作稳定度高。

附图说明

图1是五波束探鱼仪波束图；

图2是五波束探鱼仪信号处理系统原理框图；

图3是五波束探鱼仪信号处理分系统框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施对本发明作进一步介绍：

在图1中，5个波束中的中心波束沿换能器辐射面轴向方向，4个被束与换能器辐射面发现方向的夹角为α，构成斜正交结构；图2为五波束探鱼仪系统组成框图：其中五波束探鱼仪组件10、信号采集卡20、信号处理卡30位于水下，笔记本电脑40、转接盒60位于水上，水上、水下由电缆50连接。图3是五波束探鱼仪信号处理分系统框图，五波束探鱼仪组件10由相控阵11、收发控制单元12、发射单元13、接收调理单元14组成；所述的发射单元13、收发控制单元12、相控阵11依次电信号连接，相控阵11、收发控制单元12、接收调理单元14依次电信号连接，接收调理单元14、信号采集卡20依次电信号连接。

首先由五波束探鱼仪组件10在一个探测周期内交替发射长、短CW脉冲声信号；然后五波束探鱼仪组件10将接收到的信号通过电缆50传送至所述的信号采集卡20，由所述的信号采集卡20对所输入的信号进行模数转换及数据采集，信号处理卡30对所采集的数据进行计算、处理并将信号存入信号处理卡30上的高速存储器中；笔记本电脑40对处理算法进行控制，并对处理结果进行显示。

其中短脉冲用于鱼群探测，采用回波积分法分析鱼群回波的能量，进而判断鱼群大小、方位、密度，长脉冲用于水底探测，分析水底的反向散射信号的相位变化，测量五波束探鱼仪换能器阵相对与水底的运动速度和方向。

五波束探鱼仪信号处理：

(1)CW脉冲信号设计

所述的相控阵11的中心频率为150kHz，带宽为50kHz，CW脉冲信号为单频信号，中心频率为150kHz，为达到鱼群探测最高分辨率，在换能器带宽允许前提下，发射最短CW脉冲，故鱼群探测信号脉宽为0.02ms、0.5ms、1ms，缺省值为0.02ms；宽脉冲具有高的频率分辨率，为得到高精度的对底测速，发射相对较长CW脉冲，发射CW脉冲最长为500ms，连续可调，具体脉冲长度视水深而定，缺省为20ms；

(2)接收信号预处理

本发明中的real()代表对信号取实部，imag()代表对信号取虚部。

五波束探鱼仪接收信号，对来自接收调理单元14的8路通道输出信号，用频率为120kHz的采样率进行带通采样，形成8路数字信号；

s₁(k,n) (1)

其中k＝1,2,…,8，n为采样时间序列；

对8路数字信号进行正交变换，设正交变换后的信号为：s₂(k,n)，则；

s₂(k,n)＝real(s₂(k,n))+j*imag(s₂(k,n)) (2)

real(s₂(k,n))＝s₁(k,n)*cos(2*π*f₀/f_s*n) (3)

imag(s₂(k,n))＝s₁(k,n)*(-sin(2*π*f₀/f_s*n)) (4)

其中f₀为带通采样后的信号频率，f₀＝30kHz，f_s为采样率，f_s＝120kHz；

对信号s₂(k,n)进行56阶低通滤波，设滤被后的信号为：s₃(k,n)，则：

$s_3(k,n)=s_2(k,n)\⊗h\left(n\right)---\left(5\right)$

其中表示卷积，h(n)为56阶低通滤波器系数，低通滤被器h(发射短脉冲时，通带截止频率为50kHz，发射长脉冲时，通带截止频率为1kHz，通带内起伏小于0.5dB，阻带衰减大于80dB；

对信号s₃(k,n)进行波束形成处理，8路数字信号经波束形成，输出5路波束信号，设波束形成后的信号为：s₄(i,n)，则；

s₄(1,n)＝s₃(1,n)*exp(1j*π/2)+s₃(2,n)+ (6)

s₃(3,n)*exp(1j*π*3/2)+s₃(4,n)*exp(1j*π)

s₄(2,n)＝s₃(1,n)+s₃(2,n)*exp(1j*π/2)+ (7)

s₃(3,n)*exp(1j*π)+s₃(4,n)*exp(1j*π*3/2)

s₄(3,n)＝s₃(5,n)*exp(1j*π/2)+s₃(6,n)+ (8)

s₃(7,n)*exp(1j*π*3/2)+s₃(8,n)*exp(1j*π)

s₄(4,n)＝s₃(5,n)+s₃(6,n)*exp(1j*π/2)+ (9)

s₃(7,n)*exp(1j*π)+s₃(8,n)*exp(1j*π*3/2)

$s_4(5,n)=0.5*\left(\begin{array}{c}{s}_3(1,n)+s_3(2,n)+s_3(3,n)+s_3(4,n)+\\ s_3(5,n)+s_3(6,n)+s_3(7,n)+s_3(8,n)\end{array}\right)---\left(10\right)$

其中i＝1代表前向波束输出，i＝2代表后向波束输出，i＝3代表前左波束输出，i＝4代表右向波束输出，i＝5代表中心波束输出；n为采样时间序列。

实施方式一：鱼群信息解算

在信号处理的基础上，进行短脉冲回波积分信号处理，其中短脉冲用于鱼群探测，采用回波积分法分析鱼群回波的能量，进而判断鱼群大小、方位、密度。

(1)对鱼群反向散射信号s₄(i,n)进行检波，其中i＝1…5，设检波门限为：DT_f，设检波后信号为s_f(i,m)，鱼群空间分布位置为R₂-R₁，其中R₂代表鱼群下表面距换能器距离，R₁代表鱼群上表面距换能器距离，设回波时刻为：t₂、t₁，则；

t₂＝2*R₂/c,t₁＝2*R₁/c (11)

设回波时刻对应的数字信号点数为：m₂、m₁，则：

m₂＝t₂*f_s,m₁＝t₁*f_s (12)

其中f_s为系统采样频率，m₂、m₁即为检波后采样时间序列m的范围；

(2)对信号s_f(i,m)进行积分，设积分后能量为：s_fp，则；

$s_{\mathrm{fp}}=\frac{\underset{j=m_1}{\overset{m_2}{\mathrm{\Σ}}}\left({\mathrm{Amp}}_j^2\right)}{m}---\left(13\right)$

其中m＝τ*f_s，Amp_j代表回波信号幅度，τ是鱼群反向散射信号脉冲宽度，f_s是系统的采样频率。

(3)对回波积分后结果进行回波积分方程计算，得到鱼群内鱼数量，设反向散射回波区域内鱼数量为：N_f，则；

$N_f=s_{\mathrm{fp}}*[C_a*\stackrel{\&OverBar;}{g}/(\mathrm{\&psi;}*<{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{bs}}>)]---\left(14\right)$

其中C_a为换能器灵敏度，为TVG校正系数，ψ为等效波束宽度，＜σ_bs＞为单条鱼目标强度；

其中m反映鱼群大小信息，N_f反映鱼群内鱼密度信息，将计算结果m、N_f上传至计算机，计算机上的综合显控软件对结果进行显示。

实施方式二：对底速度信息解算

在信号处理的基础上，进行长脉冲信号处理，长脉冲用于水底探测，分析水底的反向散射信号的相位变化，测量五波束探鱼仪换能器阵相对与水底的运动速度和方向。

(1)对水底反向散射信号s₄(i,n)进行检波，其中i＝1…4，设检波门限为：DT_b，设检波后信号为s_b(i,m)；

(2)对检波结果信号求解包络，设包络为：s_be(i,m)，则；

$s_{\mathrm{be}}(i,m)=\sqrt{{\left[\mathrm{real}\left(s_b(i,m)\right)\right]}^2+{\left[\mathrm{imag}\left(s_b(i,m)\right)\right]}^2}$

s_b(i,m)＝real(s_b(i,m))+j*imag(s_b(i,m)) (16)

(3)对包络信号s_be(i,m)求解相位，设相位信息为：s_bp(i,m)，则；

s_bp(i,m)＝arctan[imag(s_be(i,m))/real(s_be(i,m))] (17)

s_be(i,m)＝real(s_be(i,m))+j*imag(s_be(i,m)) (18)

进行微分计算，判断相位s_bp(i,m)卷绕程度，同时进行相位补偿，设进行相位补偿后相位信息为：s_bc(i,m)，则；

s_bc(i,m)＝s_bp(i,m)±2π (19)

积分计算，进行相位解卷绕，设解卷绕后的相位信息为s_bu(i,m)：则；

s_bu(i,m)＝s_bc(i,m+1)-s_bc(i,m) (20)

设计算得到波束输出相位偏移为：s_bpd，则；

$s_{\mathrm{bpd}}\left(i\right)=\left(\underset{j=m_1}{\overset{m_2}{\mathrm{\&Sigma;}}}\sqrt{{\left[\mathrm{real}\left(s_{\mathrm{bu}}(i,j)\right)\right]}^2+{\left[\mathrm{imag}\left(s_{\mathrm{bu}}(i,j)\right)\right]}^2}\right)/(m_2-m_1)*f_s---\left(21\right)$

s_bu(i,j)＝real(s_bu(i,j))+j*imag(s_bu(i,j)) (22)

设计算得得到波束频移输出为：s_bfd(i)，则：

s_bfd(i)＝s_bpd(i)/2/π (23)

(4)根据得到的波束频移输出，计算仪器相对于水底运动速度，设仪器艏向速度为：v_x，横向速度为：v_y，垂直速度为：v_z，则

v_x＝(s_bfd(1)-s_bfd(2))*c/4*f₀*sinα

v_y＝(s_bfd(3)-s_bfd(4))*c/4*f₀*sinα (24)

v_z＝-(s_bfd(1)+s_bfd(2)+s_bfd(3)+s_bfd(4))*c/8*f₀*sinα

本发明解决了传统单波束探鱼仪效率低、功能单一的缺点。在进行探鱼的同时，运用此系统和系统的分析方法，在同一个探测周期内，交替发射长短CW脉冲，能同时获得鱼群大小、密度信息及仪器相对于海底的运动速度信息。

Claims (2)

1.一种应用五波束探鱼仪的信号处理系统的信号处理的方法，五波束探鱼仪的信号处理系统包括五波束探鱼仪组件(10)、信号采集卡(20)、信号处理卡(30)、计算机(40)、电缆(50)、转接盒(60)，五波束探鱼仪组件(10)与信号采集卡(20)通过PMC接口电信号连接，信号处理卡(30)与信号采集卡(20)通过PMC接口双向电信号连接，信号采集卡(20)通过电缆(50)与转接盒(60)、计算机(40)依次电信号双向连接，还包括GPS定位系统(70)和姿态传感器(80)，GPS定位系统(70)和姿态传感器(80)分别双向电信号连接到转接盒(60)上，其特征是：五波束探鱼仪组件(10)将接收到的8路信号通过电缆(50)传送至信号采集卡(20)进行模数转换形成8路数字信号及用频率为120kHz的采样率进行带通数据采样，信号处理卡(30)对所采集的数据进行正交变换、滤波、波束形成处理形成5路波束信号，信号处理卡(30)对形成5路波束信号进行分析处理，计算机(40)实现控制参数的输入并对处理结果进行显示；

所述的信号处理卡(30)对所采集的数据进行正交变换、滤波、波束形成处理，形成5路波束信号的具体方法为：

real( )代表对信号取实部，imag( )代表对信号取虚部，

8路数字信号为s₁(k,n)，其中k＝1,2,…,8，n为采样时间序列；

对8路数字信号进行正交变换，正交变换后的信号为s₂(k,n)，则：

s₂(k,n)＝real(s₂(k,n))+j*imag(s₂(k,n))

real(s₂(k,n))＝s₁(k,n)*cos(2*π*f₀/f_s*n)

imag(s₂(k,n))＝s₁(k,n)*(-sin(2*π*f₀/f_s*n))

其中f₀为带通采样后的信号频率，f₀＝30kHz，f_s为采样率，f_s＝120kHz；

对信号s₂(k,n)进行56阶低通滤波，滤波后的信号为s₃(k,n)，

$s_3(k,n)=s_2(k,n)\&CircleTimes;h\left(n\right)$

其中表示卷积，h(n)为56阶低通滤波器系数；

对信号s₃(k,n)进行波束形成处理，8路数字信号经波束形成，输出5路波束信号，波束形成后的信号为s₄(i,n)，

s₄(1,n)＝s₃(1,n)*exp(1j*π/2)+s₃(2,n)+

s₃(3,n)*exp(1j*π*3/2)+s₃(4,n)*exp(1j*π)

s₄(2,n)＝s₃(1,n)+s₃(2,n)*exp(1j*π/2)+

s₃(3,n)*exp(1j*π)+s₃(4,n)*exp(1j*π*3/2)

s₄(3,n)＝s₃(5,n)*exp(1j*π/2)+s₃(6,n)+

s₃(7,n)*exp(1j*π*3/2)+s₃(8,n)*exp(1j*π)

s₄(4,n)＝s₃(5,n)+s₃(6,n)*exp(1j*π/2)+

s₃(7,n)*exp(1j*π)+s₃(8,n)*exp(1j*π*3/2)

$s_4(5,n)=0.5*\left(\begin{array}{c}{s}_3(1,n)+s_3(2,n)+s_3(3,n)+s_3(4,n)+\\ s_3(5,n)+s_3(6,n)+s_3(7,n)+s_3(8,n)\end{array}\right)$

其中i＝1代表前向波束输出，i＝2代表后向波束输出，i＝3代表前左波束输出，i＝4代表右向波束输出，i＝5代表中心波束输出；

所述信号处理卡(30)对形成5路波束信号进行分析处理是对形成的5路波束信号进行短脉冲回波积分信号处理，或者是进行长脉冲信号处理；

所述对形成的5路波束信号进行短脉冲回波积分信号处理是采用回波积分法分析鱼群回波的能量，并且利用姿态传感器(80)传来的数据进行姿态补偿得到鱼群能量信息，进而判断鱼群大小、方位、密度，具体方法为：

(1)对信号s₄(i,n)进行检波，其中i＝1,…,5，设检波门限为：DT_f，设检波后信号为s_f(i,m)，鱼群空间分布位置为R₂-R₁，其中R₂代表鱼群下表面距换能器距离，R₁代表鱼群上表面距换能器距离，设回波时刻为：t₂、t₁，则：

t₂＝2*R₂/c,t₁＝2*R₁/c

设回波时刻对应的数字信号点数为：m₂、m₁，则：

m₂＝t₂*f_s,m₁＝t₁*f_s

其中f_s为系统采样频率，m₂、m₁即为检波后采样时间序列m的范围；

(2)对信号s_f(i,m)进行积分，设积分后能量为：s_fp，则:

$s_{fp}=\frac{\underset{j=m_1}{\overset{m_2}{\&Sigma;}}\left({\mathrm{Amp}}_j^2\right)}{m}$

其中m＝τ*f_s，Amp_j代表回波信号幅度，τ是鱼群反向散射信号脉冲宽度；

(3)对回波积分后结果进行回波积分方程计算，得到鱼群内鱼数量，设反向散射回波区域内鱼数量为：N_f，则:

$N_f=s_{fp}*\&lsqb;C_a*\stackrel{\&OverBar;}{g}/(\mathrm{\&psi;}*<{\mathrm{\&sigma;}}_{bs}>)\&rsqb;$

其中C_a为换能器灵敏度，为TVG校正系数，ψ为等效波束宽度，〈σ_bs〉为单条鱼目标强度；

其中m反映鱼群大小信息，N_f反映鱼群内鱼密度信息，将计算结果m、N_f上传至计算机，计算机上的综合显控软件对结果进行显示。

2.根据权利要求1所述的五波束探鱼仪的信号处理系统的信号处理的方法，其特征是：所述信号处理卡(30)对形成5路波束信号进行分析处理是对形成的5路波束信号进行长脉冲信号处理，即进行检波、求解包络、求解相位、相位补偿、波束频移进而计算分析五波束探鱼仪换能器阵相对于水底的运动速度,并且利用GPS定位系统(70)、姿态传感器(80)的数据对速度信息进行修正，得到绝对速度信息。