CN105891835A - 一种实时动态聚焦波束形成方法及系统 - Google Patents

一种实时动态聚焦波束形成方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种实时动态聚焦波束形成方法及系统。具体包括以下步骤：回波声信号经过模拟前端预处理和模数转换器变为数字信号；正交变换得到回波信号的复数形式Vm；依据波束形成的预设角度θk、采样点号n和阵元号m，按照动态聚焦波束形成方法实时计算出当前阵元的相移参数τmk；Vm旋转对应的相移参数τmk得到V′m，并将各通道结果累加，得到θk方向的实时动态聚焦波束形成结果V(θk)；按等角或等距模式预设波束角度θk重复以上步骤，完成实时动态聚焦波束形成。本发明在不损失动态聚焦波束形成精度的同时，具有快速计算能力，结构简单，易于实现，能很好解决近场效应问题，可广泛应用于多波束测深声纳的浅水测深领域。

Description

一种实时动态聚焦波束形成方法及系统
技术领域
本发明属于多波束测深领域，尤其涉及一种能够解决近场效应、测量精度高的实时动态聚焦波束形成方法及系统。
背景技术
我国拥有大面积的海域和江湖内河，且大部分属于浅水环境，为充分的了解水底地形，浅水多波束测深仪发挥着不可替代的作用。随着科技的不断进步，人们对获取水底地形的精度有着越来越高的要求，而常规多波束测深仪中为简化计算，常采用远场近似模型，在满足r＞＞D2/λ时可以保证高精度，其中，r为目标离阵元中心的距离，D为基阵的孔径大小，λ为接收信号的波长，而对于不满足该条件的近场情况，测深精度急剧下降。为了确保多波束测深仪在整个探测范围内都保证测深精度，近场情况不容许忽视，特别是在浅水为主的河道等场合，这个问题尤为突出。
为解决近场问题，国内外专家学者开展了许多理论研究，但多限于理论仿真或分段聚焦处理方法。其中理论仿真仅限于测深精度分析，无法应用在浅水多波束测深仪的快速测量中；分段聚焦处理方法虽然可以快速实现但以损失测量精度为代价。谌颖等人在其发表的文章中提出“采用分级聚焦波束形成的快速声成像算法”(谌颖，叶青华，黄海宁，采用分级聚焦波束形成的快速声成像算法[J]，应用声学，2008，27(3)：207-210)，虽然计算速度提高了，但是动态波束聚焦误差较大。因此，急需一种新的实时动态聚焦波束形成方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有能够解决近场效应、测量精度高的实时动态聚焦波束形成方法及系统，实现浅水海域下的深度测量及地形勘察。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种实时动态聚焦波束形成方法，包括以下几个步骤：
步骤一：多波束测深声纳采集回波信号，经过模拟前端预处理和模拟数字转换器变为数字信号；
步骤二：数字信号经正交变换得到回波信号的复数形式Vm；
步骤三：依据波束形成的预设波束角度θk、采样点号n和阵元号m，按照动态聚焦波束形成方法实时计算出当前阵元的相移参数τmk，其中，距离项影响因子角度项影响因子c为声速、fs为采样率、π为圆周率、d为阵元间距、λ为波长、θk为第k个波束对应的预设波束角度；
步骤四：Vm旋转对应的相移参数τmk得到V′m，并将各通道结果累加，得到θk方向的实时动态聚焦波束形成结果V(θk)，其中，m为阵元号、M为阵元总数；
步骤五：按等角或等距模式预设波束角度θk重复步骤三～步骤四，直至所有预设波束角度的动态聚焦波束形成计算完成。
一种实时动态聚焦波束形成系统，包括以下结构：
上位机软件(101)，用于控制信号处理单元(102)开始测量；
发射换能器基阵(103)，用于进行电声转换并发射声波信号；
接收换能器基阵(104)，用于接收回波声信号，并将回波声信号转换为电信号；
模拟前端电路(105)，用于对接收换能器基阵(104)采集的回波信号进行预处理；
模拟数字转换器(106)，用于完成模拟信号到数字信号的模数转换并将数字信号发送至信号处理单元(102)；
信号处理单元(102)，包括相移参数计算模块(201)和相移累加求和模块(202)，用于实现动态聚焦波束形成，并将处理结果发送至上位机软件(101)显示。
相移参数计算模块(201)，包括阵元号m计数器(301)、阵元号m平方器(302)、参数存储器(303)、乘法器(304)、采样点号n计数器(305)、除法器(306)、乘法器(307)、移位器(308)、参数γk存储器(309)、乘法器(310)和加法器(311)，根据采样点号n和阵元号m的变化计算出对应的相移参数τmk。
相移累加求和模块(202)，包括原始数据Vm存储器(312)、坐标旋转数字计算器(313)、累加器(314)和动态聚焦结果存储器(315)，根据输入的原始数据Vm和相移参数τmk输出动态聚焦波束形成结果。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：
引入面积与速度互换原则，解决了实时动态聚焦的快速计算问题。不损失多波束测深声纳动态聚焦精度的同时，能快速计算，结构简单，易于实现，很好地解决了近场效应问题。可广泛应用于多波束测深声纳的浅水测深领域。
附图说明
图1为本发明所述实时动态聚焦波束形成方法的工作流程图。
图2为本发明所述实时动态聚焦波束形成系统的结构框图。
图3为本发明所述实时动态聚焦波束形成系统信号处理单元模块的结构框图。
具体实施方案
下面结合附图和本发明一种较佳的具体实施例对本发明做进一步说明。
1.本实施例实现的一种实时动态聚焦波束形成方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤一：多波束测深声纳采集回波信号，经过模拟前端预处理和模拟数字转换器变为数字信号；
步骤二：数字信号经正交变换得到回波信号的复数形式Vm；
步骤三：依据波束形成的预设波束角度θk、采样点号n和阵元号m，按照动态聚焦波束形成方法实时计算出当前阵元的相移参数τmk；
步骤四：Vm旋转对应的相移参数τmk得到V′m，并将各通道结果累加，得到θk方向的实时动态聚焦波束形成结果V(θk)；
步骤五：按等角或等距模式预设波束角度θk重复步骤三～步骤四，直至所有预设波束角度的动态聚焦波束形成计算完成。
2.所述的相移参数τmk计算的具体步骤如下：
步骤一：选择预设波束角度θk；
步骤二：在发射多波束探测信号时，阵元号m在清零并从0到M-1自循环，其中，M为阵元个数；
步骤三：获取θk方向对应的距离项影响因子和角度项影响因子其中，c为声速、fs为采样率、π为圆周率、d为阵元间距、λ为波长、θk为第k个波束对应的预设波束角度；
步骤四：根据公式实时计算阵元m处的相移参数τmk；
3.所述的实时动态聚焦波束形成的具体步骤如下：
步骤一：将相移参数τmk用一组预设列向量A线性表示，其中，A＝[α1α2α3…αn]T，α1、α2、α3…αn为预设旋转角度；
步骤二：将Vm按照坐标旋转数字计算(CORDIC)算法旋转τmk后得到V′m；其中，坐标旋转数字计算(CORDIC)算法具体计算公式为：
x1＝cosθ(x0-y0tanθ)
y1＝cosθ(y0+x0tanθ)
其中，x1、y1为x0、y0旋转θ角度后的结果；
步骤三：按公式进行累加，得到预设波束角θk下的实时动态聚焦波束形成结果V(θk)，其中，M为阵元总数。
4.本实施例实现的一种实时动态聚焦波束形成系统，如图2所示，包括以下结构：
包括上位机软件(101)、信号处理单元(102)、发射换能器基阵(103)、接收换能器基阵(104)、模拟前端电路(105)和模拟数字转换器(106)。上位机软件(101)控制信号处理单元(102)开始测量；发射换能器基阵(103)发射声波信号；多阵元回波信号通过接收换能器基阵(104)转换为电信号；经过模拟前端电路(105)预处理并通过模拟数字转换器(106)生成数字信号；信号处理单元(102)进行动态聚焦波束形成，并将结果发送至上位机软件(101)显示。
5.其中，信号处理单元(102)采用FPGA芯片实现所述功能，如图3所示，所述信号处理单元(102)包括相移参数计算模块(201)和相移累加求和模块(202)，其中，相移参数计算模块(201)包括阵元号m计数器(301)、阵元号m平方器(302)、参数存储器(303)、乘法器(304)、采样点号n计数器(305)、除法器(306)、乘法器(307)、移位器(308)、参数γk存储器(309)、乘法器(310)和加法器(311)，根据采样点号n和阵元号m的变化计算出对应的相移参数τmk；相移累加求和模块(202)包括原始数据Vm存储器(312)、坐标旋转数字计算器(313)、累加器(314)和动态聚焦结果存储器(315)，根据输入的原始数据Vm和相移参数τmk计算并输出实时动态聚焦波束形成结果V(θk)。
6.所述的相移参数计算模块(201)具体连接及模块功能为：
阵元号m计数器(301)产生阵元号m，其中，每次计数m值自增1，m值从0到M-1循环，M为阵元个数，在发射多波束探测信号或采样结束时该计数器停止计数同时m值清零；
阵元号m平方器(302)，与阵元号m计数器(301)相连，用于对阵元号m进行平方计算，输出m2；
参数存储器(303)，用于保存距离项影响因子
乘法器(304)，与阵元号m平方器(302)及参数存储器(303)相连，用于计算阵元号m平方器(302)与参数存储器(303)的乘积，输出乘法结果
采样点号n计数器(305)，用于产生采样点号n，其中，每接收到一组多通道原始数据n值自增1，n值从0计数到N-1，N为采样点个数，在发射多波束探测信号或采样结束时该计数器停止计数同时n值清零；
除法器(306)，与采样点号n计数器(305)相连，用于对预设值2p与采样点号n进行除法计算，输出2p/n，其中，p为预设整数且16≤p≤64；
乘法器(307)，与乘法器(304)及除法器(306)相连，用于计算乘法器(304)与除法器(306)的乘积，得到乘法结果
移位器(308)，与乘法器(307)相连，用于将乘法器(307)的乘法结果右移p位，输出
参数γk存储器(309)，用于保存角度项影响因子γk；
乘法器(310)，与阵元号m计数器(301)及参数γk存储器(309)相连，用于计算阵元号m与角度项影响因子γk的乘积，输出乘法结果mγk；
加法器(311)，与移位器(308)及乘法器(310)相连，用于计算乘法器(310)与移位器(308)的和，输出相移参数
7.所述的相移累加求和模块(202)的具体连接及模块功能为：
原始数据Vm存储器(312)保存回波信号Vm；
坐标旋转数字计算器(313)，与加法器(311)及原始数据Vm存储器(312)相连，用于将Vm按照坐标旋转数字计算(CORDIC)算法旋转τmk，输出V′m；
累加器(314)，与坐标旋转数字计算器(313)相连，用于对V′m进行累加，得到预设波束角θk下的实时动态聚焦波束形成结果其中，M为阵元数；
动态聚焦结果存储器(315)，用于保存累加器(314)输出的实时动态聚焦波束形成结果V(θk)。
以上所述仅为本发明的一种较佳可行实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所做的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种实时动态聚焦波束形成方法，其特征在于，包括以下几个步骤：
步骤一：多波束测深声纳采集回波信号，经过模拟前端预处理和模拟数字转换器变为数字信号；
步骤二：数字信号经正交变换得到回波信号的复数形式Vm；
步骤三：依据波束形成的预设波束角度θk、采样点号n和阵元号m，按照实时动态聚焦波束形成方法实时计算出当前阵元的相移参数τmk；
步骤四：Vm旋转对应的相移参数τmk得到V′m，并将各通道结果累加，得到θk方向的实时动态聚焦波束形成结果V(θk)；
步骤五：按等角或等距模式预设波束角度θk重复步骤三～步骤四，直至所有预设波束角度的实时动态聚焦波束形成计算完成。
2.根据权利要求1所述的一种实时动态聚焦波束形成方法，其特征在于，所述的相移参数τmk计算的具体步骤如下：
步骤一：选择预设波束角度θk；
步骤二：在发射多波束探测信号时，阵元号m在清零并从0到M-1自循环，其中，M为阵元个数；
步骤三：获取θk方向对应的距离项影响因子和角度项影响因子γk；
步骤四：根据公式实时计算阵元m处的相移参数τmk。
3.根据权利要求1所述的一种实时动态聚焦波束形成方法，其特征在于，所述的实时动态聚焦波束形成的具体步骤如下：
步骤一：将相移参数τmk用一组预设列向量A线性表示，其中，A＝[α1α2α3…αn]T，α1、α2、α3…αn为预设旋转角度；
步骤二：将Vm按照坐标旋转数字计算(CORDIC)算法旋转τmk后得到V′m；
步骤三：按公式进行累加，得到预设波束角θk下的实时动态聚焦波束形成结果V(θk)，其中，M为阵元总数。
4.根据权利要求2所述的一种实时动态聚焦波束形成方法，其特征在于，所述的距离项影响因子角度项影响因子其中，c为声速、fs为采样率、π为圆周率、d为阵元间距、λ为波长、θk为第k个波束对应的预设波束角度。
5.一种实时动态聚焦波束形成系统，其特征在于，包括以下结构：
上位机软件(101)，用于控制信号处理单元(102)开始测量；
发射换能器基阵(103)，用于进行电声转换并发射声波信号；
接收换能器基阵(104)，用于接收回波声信号，并将回波声信号转换为电信号；
模拟前端电路(105)，用于对接收换能器基阵(104)采集的回波信号进行预处理；
模拟数字转换器(106)，用于完成模拟信号到数字信号的模数转换并将数字信号发送至信号处理单元(102)；
信号处理单元(102)，用于实现实时动态聚焦波束形成，并将处理结果发送至上位机软件(101)显示。
6.根据权利要求5所述的一种实时动态聚焦波束形成系统，其特征在于，所述的信号处理单元(102)包括：
相移参数计算模块(201)，用于实时动态计算相移参数τmk；
相移累加求和模块(202)，用于将原始数据Vm旋转对应的相移参数τmk得到V′m，并将各通道结果累加，得到θk方向的实时动态聚焦波束形成结果V(θk)。
7.根据权利要求6所述的一种实时动态聚焦波束形成系统，其特征在于，所述的相移参数计算模块(201)包括：
阵元号m计数器(301)，用于产生阵元号m；
阵元号m平方器(302)，用于对阵元号m进行平方计算，输出m2；
参数存储器(303)，用于保存距离项影响因子
乘法器(304)，用于计算阵元号m平方器(302)与参数存储器(303)的乘积，输出乘法结果
采样点号n计数器(305)，用于产生采样点号n；
除法器(306)，用于对预设值2p与采样点号n进行除法计算，输出2p/n，其中，p为预设整数且16≤p≤64；
乘法器(307)，用于计算乘法器(304)与除法器(306)的乘积，得到乘法结果
移位器(308)，用于将乘法器(307)的乘法结果右移p位，输出
参数γk存储器(309)，用于保存角度项影响因子γk；
乘法器(310)，用于计算阵元号m与角度项影响因子γk的乘积，输出乘法结果mγk；
加法器(311)，用于计算乘法器(310)与移位器(308)的和，输出相移参数
8.根据权利要求6所述的一种实时动态聚焦波束形成系统，其特征在于，所述的相移累加求和模块(202)包括：
原始数据Vm存储器(312)，用于保存回波信号Vm；
坐标旋转数字计算器(313)，用于将Vm按照坐标旋转数字计算(CORDIC)算法旋转τmk，输出V′m；
累加器(314)，用于对V′m进行累加，得到预设波束角θk下的实时动态聚焦波束形成结果V(θk)；
动态聚焦结果存储器(315)，用于保存累加器(314)输出的实时动态聚焦波束形成结果V(θk)。
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