CN105644730B - 一种船舶吃水深度测量中自适应船体检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种船舶吃水深度测量中自适应船体检测方法及系统，所述方法包含：步骤101)对阵元回波数据进行近场聚焦波束形成处理，形成多个平行波束；步骤102)采用能量收敛区间检测方法计算每个波束的能量收敛区间，估计出波束的起始门和终止门；步骤103)根据确定的波束的起始门和终止门并采用幅度时间加权算法，估算出每个波束中船体回波的到达时间；步骤104)根据动态门限检测，计算出船舶的吃水深度，并且能对船型进行建模。本发明的提出实现方法提高了船舶吃水深度测量系统的智能性和自适应性。本发明的提出实现方法不仅能估算出船舶的吃水深度，并且可以获得船型。

Description

一种船舶吃水深度测量中自适应船体检测方法及系统

技术领域

本发明涉及一种海洋领域的水声信号处理方法，具体涉及一种船舶吃水深度测量中自适应船体检测方法及系统。

背景技术

在内河航运中，部分船舶为了经济利益，进行超载航行，出现“超吃水”现象。这种现象对航道造成破坏，并且对船员的安全也带来了威胁，为此，测量船舶吃水深度对船舶的安全航行至关重要。而对回波信号中船体的检测是测量船舶吃水的关键步骤，常用的回波信号检测方法可分为两种：幅度检测法和相位检测法，而由于此船舶吃水测量系统中的多个接收波束是平行的，相位检测法并不适合于此系统。如果采用幅度时间加权检测算法，必须选择起始门和终止门，很难实现自适应的选择。

发明内容

本发明涉及一种船舶吃水深度测量系统中自适应船体检测方法，该方法首先对阵元回波数据进行近场聚焦波束形成处理，形成多个平行波束；接着采用能量收敛区间检测方法对每个波束计算出能量收敛区间，估计出波束的起始门和终止门；然后根据估计的波束的起始门和终止门采用幅度时间加权算法，估算出每个波束中船体回波的到达时间；最后根据动态门限检测，计算出船舶的吃水深度，并且能对船型进行建模。该方法能自适应地检测出船体，进而估算出船舶的吃水深度，并且能对船型进行建模，并且提高了船舶吃水深度测量系统的智能性。

为了实现上述目的，本发明提供了一种船舶吃水深度测量中自适应船体检测方法，所述方法包含：

步骤101)对阵元回波数据进行近场聚焦波束形成处理，形成多个平行波束；

步骤102)采用能量收敛区间检测方法计算每个波束的能量收敛区间，估计出波束的起始门和终止门；

步骤103)根据估计的波束的起始门和终止门并采用幅度时间加权算法，估算出所有波束中船体回波的到达时间；

步骤104)根据动态门限检测，计算出船舶的吃水深度，并且能对船型进行建模。

可选的，上述步骤102)进一步包含：

步骤102-1)假设每个波束数据的时间序列长度均为W_T，幅度值记为A(t)，船体的散射回波信号为D_w，发射信号脉宽为τ；

将每个波束数据长度W_T分为K个子窗，每个子窗的宽度W_d＝W_T/K，各个子窗的能量E_i通过积分可表示为:

其中，t_i为第i个子窗的起始时刻；

将上述所有子窗的能量进行相邻两个合并，得到“K-1”个相互重叠的新子窗，且每个新子窗的能量分别为：

从所有新子窗中，搜索出能量最大值对应的子窗则能量中心收敛区间位于新子窗内，且新的时间窗长度为

步骤102-2)对计算得到的新子窗长度选择相应的操作，如果则更新并重复上述操作进行迭代；直到判断若则令并再执行一次步骤102-1)的操作，迭代结束，进而确定能量收敛区间的起始门W_start和终止门W_end，并转化为时间起始门T_start和终止门T_end。

上述展宽后的回波信号宽度D_w＝2τ。

上述子窗个数为4。

上述步骤103)进一步包含：

步骤103-1)求时间起始门T_start和终止门T_end之内的波束数据的幅度的平均值进而得到本时间窗的门限值，并进行动态门限检测，即：对于此时间窗内的波束数据，保留大于门限的数据，剔除小于门限的数据；

步骤103-2)步骤103-1)保留的数据序列包含位于起始门和终止门之间且幅度在相应门限之上的数据序列，根据保留的数据序列估算此波束中船体目标散射回波的到达时间t_c：

其中，N为步骤103-1)中保留的数据序列的个数，A_i和t_i分别表示为步骤103-1)保留的数据序列中的第i个数据的幅度和对应的时刻；

步骤103-3)根据每个平行接收波束得到每个波束中船体散射回波的到达时间，且根据步骤103-1)能得到每个波束数据的动态门限；对每帧数据中的所有的平行波束动态门限的幅值累加求平均值得到门限Th；对每帧数据中的多个平行波束进行处理，步骤103-1)计算出的每个波束的门限值若大于门限Th，则认为此波束中有船体，且可得到步骤103-2)中得到的船体的到达时间t_c，否则认为无船体。

此外，本发明还提供了一种船舶吃水深度测量中自适应船体检测系统，所述系统包含：

平行波束生成模块，用于对阵元回波数据进行近场聚焦波束形成处理，形成多个平行波束；

波束起始门和终止门估算模块，用于采用能量收敛区间检测方法计算每个波束的能量收敛区间，估计出波束的起始门和终止门；

第一处理模块，用于采用幅度时间加权算法，估算出所有波束中船体回波的到达时间；和

第二处理模块，用于根据动态门限检测，计算出船舶的吃水深度，并且能对船型进行建模。

上述波束起始门和终止门估算模块进一步包含：

参数设置子模块，用于假设每个波束数据的时间序列长度均为W_T，幅度值记为A(t)，船体的散射回波信号为D_w，发射信号脉宽为τ；

将每个波束数据长度W_T分为K个子窗，每个子窗的宽度W_d＝W_T/K，各个子窗的能量E_i通过积分可表示为:

其中，t_i为第i个子窗的起始时刻；

将上述所有子窗的能量进行相邻两个合并，得到“K-1”个相互重叠的新子窗，且每个新子窗的能量分别为：

从所有新子窗中，搜索出能量最大值对应的子窗则能量中心收敛区间位于新子窗内，且新的时间窗长度为

判决处理子模块，用于对计算得到的新子窗长度选择相应的操作，如果则更新并重复上述操作进行迭代；直到判断若则令并再执行一次步骤102-1)的操作，迭代结束，进而确定能量收敛区间的起始门W_start和终止门W_end，并转化为时间起始门T_start和终止门T_end。

上述展宽后的回波信号宽度D_w＝2τ。上述子窗个数为4。

上述第一处理模块进一步包含：

数据保留处理子模块，用于求时间起始门T_start和终止门T_end之内的波束数据的幅度的平均值进而得到本时间窗的门限值，并进行动态门限检测，即：对于此时间窗内的波束数据，保留大于门限的数据，剔除小于门限的数据；

第四处理子模块，用于根据保留的数据序列估算此波束中船体目标散射回波的到达时间t_c，所述保留的数据序列包含位于起始门和终止门之间且幅度在相应门限之上的数据序列：

其中，N为步骤103-1)中保留的数据序列的个数，A_i和t_i分别表示为步骤103-1)保留的数据序列中的第i个数据的幅度和对应的时刻；

第五处理子模块，用于根据每个平行接收波束得到每个波束中船体散射回波的到达时间，且能得到每个波束数据的动态门限；对每帧数据中的所有波束动态门限的幅值求平均，进而判断有无船体，以及船体到达时间。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的提出实现方法提高了船舶吃水深度测量系统的智能性和自适应性。本发明的提出实现方法不仅能估算出船舶的吃水深度，并且可以获得船型。

附图说明

图1是本发明实施例提供的阵列接收信号示意图；

图2是本发明实施例提供的信号处理框图；

图3-a和图3-b是本发明实施例提供的一帧回波数据的声图；

图4是本发明实施例提供的一帧数据的船型。

具体实施方式

下面根据附图对本实例进行说明

实施例1

1)首先建立一帧阵元回波信号数据的模型，假设阵元个数为N，阵元均匀分布，相邻阵元间距为d，阵列接收信号示意图由图1所示，则回波信号模型可以表示为

X(t)＝aS(t)+N(t)

其中，a为信号导向矢量，与目标距离阵列的距离和目标入射角度有关，S(t)为信号的复包络，N(t)为噪声信号。

由三角形余弦定理可得，以第1个为参考阵元，则第n(n＝1,2,3,…,N)个阵元与目标之间的距离为

其中，d_n为d_n＝(n-1)d(n＝1,2,3,…,N)，θ_s为目标信号的入射角度，各个阵元与参考阵元之间的时间差为：

则信号的导向矢量可以表示为f₀为系统工作频率。

对回波信号进行聚焦波束形成处理，输出波束数据Y(t)为：

Y(t)＝w^HX(t)

w为加权矢量，静态波束形成处理条件下，权矢量等于波束指向导向矢量，认为波束指向与目标入射方向相同，则w＝a。假设系统形成多个平行接收波束，则θ_s＝0°。

2)对波束数据进行能量收敛区间检测，计算出波束能量收敛区间。假设步骤1)中的每个波束数据的时间序列长度均为W_T，幅度值记为A(t)，船体的散射回波信号相对于发射信号脉宽τ有一定程度的展宽，此处取展宽后的回波信号宽度D_w＝2τ。将数据长度W_T分为四个子窗，每个子窗的宽度W_d＝W_T/4，各个子窗的能量通过积分可表示为

将上述四个子窗的能量进行相邻两个子窗合并，得到三个相互重叠的新子窗W_n1,W_n2,W_n3，能量分别为：

3)对步骤2)中计算出的新子窗长度选择相应的操作，如果则更新并重复上述操作进行迭代；直到判断若则令并再执行一次步骤2)的操作，迭代结束，否则结束，进而确定能量收敛区间的起始门W_start和终止门W_end，并转化为时间起始门T_start和终止门T_end。

4)对时间起始门T_start和终止门T_end之内的波束数据，对幅值求平均以得到该时间窗的门限值，并进行动态门限检测。对于此时间窗内的波束数据，保留大于门限的数据，剔除小于门限的数据。

5)对步骤4)中对应的时间窗中保留的数据序列仅仅是起始门和终止门之间、幅度在相应门限之上的数据序列。由此可以估算出此波束中船体目标散射回波的到达时间，通过下式的幅度时间加权平均可得：

6)对每个平行接收波束都进行步骤2)～5)的数据处理，为此得到每个波束中船体散射回波的到达时间(TOA)，且能得到每个波束数据的动态门限。对每帧数据中的所有波束动态门限的幅值求平均，根据大于此门限的波束数，和小于此门限的波束数可以估计出每个波束中船体回波的到达时间。

7)根据步骤6)中的数据处理结果，可以估计出船舶的吃水门限，为了确保船舶的吃水深度有一定的冗余，一般取小于门限的第一个波束距离水面的高度确定为船舶的吃水深度。

8)对每一帧数据都进行步骤1)-步骤7)的数据处理，并且根据每一帧数据处理处理之后获得的船体进行拼接成图，进而获得船型。

图2本发明方法的信号处理框图

本发明的提出实现方法能估算出船舶的吃水深度，并且可以获得船型。

实施例2：

在本实施例中，系统参数为：船舶吃水深度测量系统，其换能器竖直安装在河岸的一侧，换能器顶端距离水面的高度为0.7米，声速c＝1500m/s，阵元个数为12个，形成12个平行波束，假定船舶的侧面为曲面，船体侧面为连续源，仿真采用点源组成连续源，与阵元4号～阵元12号平行的某距离处有船体，距离换能器的水平距离依次为7.3米，7.3米，6.8米，6.8米，6.6米，6.6米，6.2米，6.2米，6.2米，只处理一帧数据，处理结果如下。

由图3-a、图3-b和图4可以看出，最后一个波束收到的船体的回波数据为第4个波束，估算出船舶的吃水深度为1.76米。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种船舶吃水深度测量中自适应船体检测方法，所述方法包含：

步骤101)对阵元回波数据进行近场聚焦波束形成处理，形成多个平行波束；

步骤102)采用能量收敛区间检测方法计算每个波束的能量收敛区间，估计出波束的起始门和终止门；

步骤103)根据估计的波束的起始门和终止门并采用幅度时间加权算法，估算出每个波束中船体回波的到达时间；

步骤104)根据动态门限检测，计算出船舶的吃水深度，并且对船型进行建模。

2.根据权利要求1所述的船舶吃水深度测量中自适应船体检测方法，其特征在于，所述步骤102)进一步包含：

步骤102-1)假设每个波束数据的时间序列长度均为W_T，幅度值记为A(t)，船体的散射回波信号为D_w，发射信号脉宽为τ；

将每个波束数据长度W_T分为K个子窗，每个子窗的宽度W_d＝W_T/K，各个子窗的能量E_i通过积分可表示为:

其中，t_i为第i个子窗的起始时刻；

将上述所有子窗的能量进行前后相邻两个合并，得到“K-1”个相互重叠的新子窗，且每个新子窗的能量分别为：

从所有新子窗中，搜索出能量最大值对应的子窗则能量中心收敛区间位于新子窗内，且新的时间窗长度为

步骤102-2)对计算得到的新子窗长度选择相应的操作，如果则更新并重复上述操作进行迭代；直到判断若则令并再执行一次步骤102-1)的操作，迭代结束，进而确定能量收敛区间的起始门W_start和终止门W_end，并转化为时间起始门T_start和终止门T_end。

3.根据权利要求2所述的船舶吃水深度测量中自适应船体检测方法，其特征在于，展宽后的回波信号宽度D_w＝2τ。

4.根据权利要求2所述的船舶吃水深度测量中自适应船体检测方法，其特征在于，所述子窗个数为4。

5.根据权利要求2、3或4所述的船舶吃水深度测量中自适应船体检测方法，其特征在于，所述步骤103)进一步包含：

步骤103-1)求时间起始门T_start和终止门T_end之内的波束数据的幅度的平均值进而得到本时间窗的门限值，并进行动态门限检测，即：对于此时间窗内的波束数据，保留大于门限的数据，剔除小于门限的数据；

步骤103-2)步骤103-1)保留的数据序列包含位于起始门和终止门之间且幅度在相应门限之上的数据序列，根据保留的数据序列估算此波束中船体目标散射回波的到达时间t_c：

其中，N为步骤103-1)中保留的数据序列的个数，A_i和t_i分别表示为步骤103-1)保留的数据序列中的第i个数据的幅度和对应的时刻；

步骤103-3)根据每个平行接收波束得到每个波束中船体散射回波的到达时间，且根据步骤103-1)能得到每个波束数据的动态门限；对每帧数据中的所有的平行波束动态门限的幅值累加求平均值得到门限Th；对每帧数据中的多个平行波束进行处理，步骤103-1)计算出的每个波束的门限值若大于门限Th，则认为此波束中有船体，且可得到步骤103-2)中得到的船体的到达时间t_c，否则认为无船体。

6.一种船舶吃水深度测量中自适应船体检测系统，其特征在于，所述系统包含：

平行波束生成模块，用于对阵元回波数据进行近场聚焦波束形成处理，形成多个平行波束；

波束起始门和终止门估算模块，用于采用能量收敛区间检测方法计算每个波束的能量收敛区间，估计出波束的起始门和终止门；

第一处理模块，用于采用幅度时间加权算法，估算出所有波束中船体回波的到达时间；和

第二处理模块，用于根据动态门限检测，计算出船舶的吃水深度，并且能对船型进行建模。

7.根据权利要求6所述的船舶吃水深度测量中自适应船体检测系统，其特征在于，所述波束起始门和终止门估算模块进一步包含：

参数设置子模块，用于假设每个波束数据的时间序列长度均为W_T，幅度值记为A(t)，船体的散射回波信号为D_w，发射信号脉宽为τ；

将每个波束数据长度W_T分为K个子窗，每个子窗的宽度W_d＝W_T/K，各个子窗的能量E_i通过积分可表示为:

其中，t_i为第i个子窗的起始时刻；

将上述所有子窗的能量进行相邻两个合并，得到“K-1”个相互重叠的新子窗，且每个新子窗的能量分别为：

从所有新子窗中，搜索出能量最大值对应的子窗则能量中心收敛区间位于新子窗内，且新的时间窗长度为

判决处理子模块，用于对计算得到的新子窗长度选择相应的操作，如果则更新并重复上述操作进行迭代；直到判断若则令并再执行一次步骤102-1)的操作，迭代结束，进而确定能量收敛区间的起始门W_start和终止门W_end，并转化为时间起始门T_start和终止门T_end。

8.根据权利要求7所述的船舶吃水深度测量中自适应船体检测系统，其特征在于，展宽后的回波信号宽度D_w＝2τ。

9.根据权利要求7所述的船舶吃水深度测量中自适应船体检测系统，其特征在于，所述子窗个数为4。

10.根据权利要求7、8或9所述的船舶吃水深度测量中自适应船体检测系统，其特征在于，所述第一处理模块进一步包含：

数据保留处理子模块，用于求时间起始门T_start和终止门T_end之内的波束数据的幅度的平均值进而得到本时间窗的门限值，并进行动态门限检测，即：对于此时间窗内的波束数据，保留大于门限的数据，剔除小于门限的数据；

第四处理子模块，用于根据保留的数据序列估算此波束中船体目标散射回波的到达时间t_c，所述保留的数据序列包含位于起始门和终止门之间且幅度在相应门限之上的数据序列：

其中，N为步骤103-1)中保留的数据序列的个数，A_i和t_i分别表示为步骤103-1)保留的数据序列中的第i个数据的幅度和对应的时刻；

第五处理子模块，用于根据每个平行接收波束得到每个波束中船体散射回波的到达时间，且能得到每个波束数据的动态门限；对每帧数据中的所有波束动态门限的幅值求平均，进而判断有无船体，以及船体到达时间。