CN106019262B - 一种多波束测深声纳回波信号增益控制系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多波束测深声纳回波信号增益控制系统及方法，该增益控制系统包括上位机软件(101)、信号处理单元(102)、发射换能器基阵(103)、接收换能器基阵(104)、前置放大器(105)、可变增益控制器(106)、带通滤波器(107)和模拟数字转换器(108)。能够跟踪输入信号幅度变化并自动调整增益，当输入信号变大时，控制接收机增益变小；当输入信号变小时，控制接收机增益变大，以使海底回波信号的输出电平始终保持在稳定区间上。解决了常规多波束测深系统中增益控制效果不佳，调节精度差等问题，保证了多波束测深声纳测量复杂海底地形的准确性。

Description

一种多波束测深声纳回波信号增益控制系统及方法
技术领域
本发明涉及水声工程和水声探测领域，尤其涉及的是一种多波束测深声纳回波信号增益控制系统及方法。
背景技术
多波束测深声纳可以实现超宽范围的高精度海底深度测量，是一种测量效率高、测量精度高、分辨率高的海底地形测量设备，单次发射就能获取海底一个测深剖面，在海洋测绘领域有着广泛的应用。
在平海底假设情况下，一般认为海底回波信号是按指数衰减规律变化的，常采用和回波信号变化规律相反的方式，通过时变增益控制使回波信号稳定在合理范围之内。
受到声波传播衰减，水体及水底底质不同等因素的影响，海底回波信号往往具有更复杂的分布特性，不能用确定的规律变化予以准确表述。例如，实际海底存在粗糙不平的硬沙底，静止水域的软泥底，沉积物材料不同形成的分层结构，且地形起伏情况是不确定的。同时，海底存在水草、岩石块等干扰物。这些情况将导致海底在某些掠射角和频率下产生强弱不一的反射，无法预测回波信号的具体变化情况。
因此，时变增益控制无法适应海底回波信号的复杂变化。回波信号过强时增益放大过大引起输出电平限幅，回波信号过弱时输出电平不满足模拟数字转换器采样分辨率的要求或被系统噪声淹没。多波束测深声纳采集到的信息出现缺失或错误，无法准确地获取真实地形。
常规多波束测量时，声纳信号控制单元常根据前一个测量周期的回波信号强度变化情况来调整当前测量周期的发射功率、时变增益曲线的初始增益等参数。该方法对多个测量周期中水底地形变化有一定的适应能力，但仍然无法解决在单个测量周期中由于地形的复杂性和声波传播衰减等因素导致的回波信号强度不符合指数衰减规律的问题。导致多波束测深声纳无法准确采集到复杂海底的地形特征。
发明内容
本发明的目的在于，为解决多波束测深声纳发射声波信号后，由于水体环境多变，水底地形复杂，回波信号衰减程度不一，接收机不能准确接收回波信号的问题。提出一种响应时间短，输出电平稳定的多波束测深声纳回波信号增益控制系统及方法。
本发明采用了自动增益控制方法，通过闭环控制方式，对模拟数字转换器的输出值与参考值进行比较，输出值变大时，减小可变增益控制器的增益，以保证接收机能够正常工作。输出值变小时，增大可变增益控制器的增益，以保证微弱信号能够被检测到。接收机通过跟踪输入信号幅度波动而自动调整增益，保证接收机在输入信号动态范围很大时输出电平能够稳定在合适的范围。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种多波束测深声纳回波信号增益控制系统，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，并接收检波结果数据；
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；
前置放大器(105)，用于对信号进行初步放大；
可变增益控制器(106)，用于接收前置放大器(105)输出的电信号，并根据信号处理单元(102)的增益控制命令调整增益；
带通滤波器(107)，用于对信号进行带通滤波处理；
模拟数字转换器(108)，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)，用于对模拟数字转换器(108)输出的数字信号进行平滑求包络处理并根据增益控制方法向可变增益控制器(106)发出增益调整命令使回波信号的输出电平保持在预设范围内，同时对多阵元回波信号进行波束形成和检波处理并将结果反馈至上位机软件(101)。
所述的信号处理单元(102)包括：
包络生成器(201)，用于接收多个阵元的回波信号并输出k时刻的包络c(k)；
自动增益调整模块(202)，根据参考信号REF与包络信号c(k)的偏差e(k)计算出增益码，并向可变增益控制器(106)输出增益调整命令；
检波模块(203)，用于接收经预处理的多阵元回波信号，进行信号检波处理。
一种多波束测深声纳回波信号增益控制方法，包括以下几个步骤：
步骤一：信号处理单元(102)接收上位机软件(101)开始命令并设置可变增益控制器(106)的初始增益，然后控制换能器基阵发射声波信号并开始采集回波信号；
步骤二：接收换能器基阵(104)将回波声信号转换为电信号；
步骤三：前置放大器(105)对信号进行初步放大；
步骤四：可变增益控制器(106)对信号进行增益调整；
步骤五：带通滤波器(107)滤除带外噪声；
步骤六：模拟数字转换器(108)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)；
步骤七：信号处理单元(102)接收多阵元回波信号后通过包络生成器(201)输出k时刻的包络信号c(k)，并根据k时刻包络信号c(k)和预期信号REF的偏差值e(k)、偏差值的累积项ei(k)及偏差值的差分项(e(k)-e(k-1))估算出k时刻的增益码g(k)；
步骤八：增益码g(k)作用于可变增益控制器(106)；
步骤九：重复执行步骤二～步骤八，直至测量周期完成。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1、解决了采用时变增益控制对海底回波信号增益调整效果不佳，调节精度差等问题。使回波信号的动态范围很大而输出电平稳定在合适范围内，提高了接收机的信噪比性能。
2、该方法具有硬件实现简单，性能好，便于操作等特点。在保证测绘工作能够高效、精准进行的同时，确保了多波束测深声纳测量复杂海底地形的准确性。符合现代测量技术的发展趋势。
附图说明
为了使本方法的内容更利于相关专业技术人员理解，下面对附图进行简单说明。
图1为本发明所述多波束测深声纳回波信号增益控制系统的结构框图。
图2为本发明所述自动增益控制过程的结构框图。
图3为本发明所述多波束测深声纳回波信号增益控制系统自动增益调整模块的结构框图。
图4为本发明所述多波束测深声纳回波信号增益控制方法的工作流程图。
具体实施方案
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步阐述。
1.一种多波束测深声纳回波信号增益控制系统，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，并接收检波结果数据；
发射换能器基阵(103)，与信号处理单元(102)相连，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；
前置放大器(105)，与接收换能器基阵(104)相连，用于对信号进行初步放大；
可变增益控制器(106)，分别与前置放大器(105)及信号处理单元(102)相连，用于接收前置放大器(105)输出的电信号，并根据信号处理单元(102)的增益控制命令调整增益；
带通滤波器(107)，与可变增益控制器(106)相连，用于对信号进行带通滤波处理；
模拟数字转换器(108)，与带通滤波器(107)相连，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)，分别与上位机软件(101)及模拟数字转换器(108)相连，用于对模拟数字转换器(108)输出的数字信号进行平滑求包络处理并根据增益控制方法向可变增益控制器(106)发出增益调整命令使回波信号的输出电平保持在预设范围内，同时对多阵元回波信号进行波束形成和检波处理并将结果反馈至上位机软件(101)。
2.所述信号处理单元(102)包括：
包络生成器(201)，用于接收多个阵元的回波信号并输出k时刻的包络c(k)；
自动增益调整模块(202)，与包络生成器(201)相连，根据参考信号REF和包络信号c(k)的偏差e(k)计算出增益码，并向可变增益控制器(106)输出增益调整命令；
检波模块(203)，用于接收经预处理的多阵元回波信号，进行信号检波处理；
3.所述包络生成器(201)包括通道平均单元(301)和时间平滑单元(302)，其中，通道平均单元(301)计算多个阵元信号的平均值；时间平滑单元(302)与通道平均单元(301)相连，做平滑计算并输出k时刻的回波包络信号c(k)。
4.所述自动增益调整模块(202)包括：
预期信号存储器(401)，用于保存预期信号REF；
减法器(402)，分别与包络生成器(201)及预期信号存储器(401)相连，用于输出包络信号c(k)与预期信号REF的偏差值e(k)；
累加器(403)，用于累加偏差值e(k)并输出累加结果ei(k)，其中，ei(k)＝ei(k-1)+e(k)，ei(1)＝e(1)；
数据暂存器(404)，与减法器(402)相连，用于暂存当前时刻的偏差值e(k)；
减法器(405)，与减法器(402)及数据暂存器(404)相连，用于计算减法器(402)与数据暂存器(404)输出结果的偏差，输出偏差值e(k)的差分项(e(k)-e(k-1))；
乘法器(406)，与减法器(402)相连，用于计算偏差值e(k)与预设的比例系数kp的乘积，输出kp*e(k)；
乘法器(407)，用于计算偏差值的累积项ei(k)与预设的积分系数ki的乘积，输出ki*ei(k)；
乘法器(408)，用于计算偏差值的差分项(e(k)-e(k-1))与预设的微分系数kd的乘积，输出kd*(e(k)-e(k-1))；
三输入加法器(409)，用于对三个乘法器(406、407、408)的输出结果求和，产生增益控制信号u(k)＝kp*e(k)+ki*ei(k)+kd*(e(k)-e(k-1))；
累加器(410)，用于累加三输入加法器(409)的输出结果并得到增益码g(k)＝g(k-1)+u(k)。
5.在一个具体实施例中，信号处理单元(102)采用FPGA芯片来实现自动增益控制的运算以及对其他模块的控制信号生成。发射换能器基阵(103)和接收换能器基阵(104)分别由多个换能器组成。模拟数字转换器(108)由TI公司的集成模拟前端AFE5808实现，单片AFE5808具有8个独立通道，因此根据本实施例的接收换能器基阵，可以选择合适数量的芯片实现多通道的信号调理和模数转换。
6.进一步地，一种多波束测深声纳回波信号增益控制方法，包括以下几个步骤：
步骤一：信号处理单元(102)接收上位机软件(101)开始命令并设置可变增益控制器(106)的初始增益，然后控制换能器基阵发射声波信号并开始采集回波信号；
步骤二：接收换能器基阵(104)将回波声信号转换为电信号；
步骤三：前置放大器(105)对信号进行初步放大；
步骤四：可变增益控制器(106)对信号进行增益调整；
步骤五：带通滤波器(107)滤除带外噪声；
步骤六：模拟数字转换器(108)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)；
步骤七：信号处理单元(102)接收多阵元回波信号后通过包络生成器(201)输出k时刻的包络信号c(k)，并根据k时刻包络信号c(k)和预期信号REF的偏差值e(k)、偏差值的累积项ei(k)及偏差值的差分项(e(k)-e(k-1))估算出k时刻的增益码g(k)；
步骤八：增益码g(k)作用于可变增益控制器(106)；
步骤九：重复执行步骤二～步骤八，直至测量周期完成。
7.前述步骤五的自动增益控制方法，其公式如下：
u(k)＝kp*e(k)+ki*ei(k)+kd*(e(k)-e(k-1))
其中，kp为比例系数，ki为积分系数，kd为微分系数，u(k)为k时刻的增益控制信号，e(k)为k时刻的偏差值，ei(k)为偏差值的累积项，(e(k)-e(k-1))为偏差值的差分项。
比例系数kp与系统的反应速度有关，增大kp可以提高输出电平的反应速度，但kp过大会引起系统震荡，影响系统的稳定度。积分系数ki用于消除系统的稳态误差，但积分项过大，可能产生积分饱和效应，增大超调量。为解决这一问题，本发明的实施例采用了积分分离算法，在自动增益控制的开始阶段或参考量与实际值相差很大时，取消积分环节。当参考量与实际值相差很大时，恢复积分环节，消除稳态误差。微分系数kd用来在信号产生剧烈变化之前，进行预测修正，从而加快系统响应速度，减少调节时间，但是由于增益变化值不能发生突变，所以kd参数设置过大会导致系统调节效率降低。可以对以上参数进行合理调整以达到满意效果。
根据u(k)产生增益调整信号g(k)，其中，g(k)＝g(k-1)+u(k)。判断增益控制信号g(k)是否超出预设范围，如果超出范围，进入保持状态，即信号g(k)保持不变，自动增益控制停止。继续监控e(k)变化，当e(k)反向变化时，再次启动自动增益控制。
通过上述阐释可知，该自动增益控制算法可以实时调整增益变化的步进量，当输出值变大时，增益值变化的步进量增大。输出值变小时，增益值变化的步进量减小。从而减少了自动增益控制的响应时间，降低了调节过程中的震荡。
以上所述仅为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 (4)

1.一种多波束测深声纳回波信号增益控制系统，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，并接收检波结果数据；
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；
前置放大器(105)，用于对信号进行初步放大；
可变增益控制器(106)，用于接收前置放大器(105)输出的电信号，并根据信号处理单元(102)的增益控制命令调整增益；
带通滤波器(107)，用于对信号进行带通滤波处理；
模拟数字转换器(108)，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)，用于对模拟数字转换器(108)输出的数字信号进行平滑求包络处理并根据增益控制方法向可变增益控制器(106)发出增益调整命令使回波信号的输出电平保持在预设范围内，同时对多阵元回波信号进行波束形成和检波处理并将结果反馈至上位机软件(101)；
所述的信号处理单元(102)包括：
包络生成器(201)，用于接收多个阵元的回波信号并输出k时刻的包络c(k)；
自动增益调整模块(202)，根据参考信号REF与包络信号c(k)的偏差e(k)计算出增益码，并向可变增益控制器(106)输出增益调整命令；
检波模块(203)，用于接收经预处理的多阵元回波信号，进行信号检波处理；
所述的包络生成器(201)包括：
通道平均单元(301)，用于计算多个阵元信号的平均值；
时间平滑单元(302)，用于平滑计算并输出k时刻的回波包络c(k)。
2.根据权利要求1所述的一种多波束测深声纳回波信号增益控制系统，其特征在于，采用所述的自动增益调整模块(202)包括：
预期信号存储器(401)，用于保存预期信号REF；
第一减法器(402)，用于输出包络信号c(k)与预期信号REF的偏差值e(k)＝c(k)-REF；
第一累加器(403)，用于累加偏差值e(k)并输出累加结果ei(k)，其中，ei(k)＝ei(k-1)+e(k)，ei(1)＝e(1)；
数据暂存器(404)，用于暂存当前时刻的偏差值e(k)，输出结果是上一时刻的偏差e(k-1)；
第二减法器(405)，用于计算第一减法器(402)与数据暂存器(404)输出结果的偏差，输出偏差值e(k)的差分项(e(k)-e(k-1))；
第一乘法器(406)，用于计算偏差值e(k)与预设的比例系数kp的乘积，输出kp*e(k)；
第二乘法器(407)，用于计算偏差值的累积项ei(k)与预设的积分系数ki的乘积，输出ki*ei(k)；
第三乘法器(408)，用于计算偏差值的差分项(e(k)-e(k-1))与预设的微分系数kd的乘积，输出kd*(e(k)-e(k-1))；
三输入加法器(409)，用于对三个乘法器(406、407、408)的输出结果求和，产生增益控制信号u(k)＝kp*e(k)+ki*ei(k)+kd*(e(k)-e(k-1))；
第二累加器(410)，用于累加三输入加法器(409)的输出结果并得到增益码g(k)＝g(k-1)+u(k)。
3.一种多波束测深声纳回波信号增益控制方法，其特征在于，采用根据权利要求1所述的一种多波束测深声纳回波信号增益控制系统，包括以下步骤：
步骤一：信号处理单元(102)接收上位机软件(101)开始命令并设置可变增益控制器(106)的初始增益，然后控制换能器基阵发射声波信号并开始采集回波信号；
步骤二：接收换能器基阵(104)将回波声信号转换为电信号；
步骤三：前置放大器(105)对信号进行初步放大；
步骤四：可变增益控制器(106)对信号进行增益调整；
步骤五：带通滤波器(107)滤除带外噪声；
步骤六：模拟数字转换器(108)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)；
步骤七：信号处理单元(102)接收多阵元回波信号后通过包络生成器(201)输出k时刻的包络信号c(k)，并根据k时刻包络信号c(k)和预期信号REF的偏差值e(k)、偏差值的累积项ei(k)及偏差值的差分项(e(k)-e(k-1))估算出k时刻的增益码g(k)；
步骤八：增益码g(k)作用于可变增益控制器(106)；
步骤九：重复执行步骤二～步骤八，直至测量周期完成。
4.根据权利要求3所述的一种多波束测深声纳回波信号增益控制方法，其特征在于，采用自动增益控制方法，其公式如下：
g(k)＝g(k-1)+(kp*e(k)+ki*ei(k)+kd*(e(k)-e(k-1)))
其中，kp为比例系数、ki为积分系数、kd为微分系数，g(k)为k时刻的增益码，e(k)为k时刻的偏差值，ei(k)为偏差值的累积项，(e(k)-e(k-1))为偏差值的差分项。
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