CN106813602A - 一种基于跳频信号的全自动超声波测深仪信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于跳频信号的全自动超声波测深仪信号处理方法，包括以下步骤：(1)测深仪发射机发射跳频信号，通过换能器变换成声波在水中传输，到达海底被反射由换能器变换成电信号被测接收机接收；(2)接收机对信号进行滤波和预处理；(3)对接收信号依次完成自动增益控制、频率搬移和脉冲压缩，提取出海底回波信号；(4)由提取的海底回波信号进行底检测和底跟踪算法，测量出海底的深度和地形起伏。发射信号为跳频信号，利用其高的处理增益和相关性提高测深仪的测深性能和抗干扰能力，实现高精度、远距离测量，解决了现有测深仪距离分辨力与作用距离不能兼得的问题；自动增益控制、自动跟踪和自动搜索等自动化测深算法，实现全程自动化测量，无需人工调整。

Description

一种基于跳频信号的全自动超声波测深仪信号处理方法

技术领域

本发明属于海洋探测技术领域，涉及超声波测深仪的信号处理方法，具体指一种基于跳频信号的全自动超声波测深仪的信号处理方法。

背景技术

近年来，海洋事业高速发展，日益成为世界各国科技、经济与军事竞争的焦点。我国近海大陆架、沿江及湖泊等浅水区域是主要的海上经济活动区，海洋开发和海洋工程如港口建设及海上采油都集中在近海，而且大部分是浅海。水利工程、港口码头等设施也在不断的增多，海底地形测量是海上交通运输、航道疏浚、海底电缆铺设和海底施工等工程必须的作业，所以需要一种使用灵活的、低成本、高精度的海底地形测量仪器。

超声波测深仪用途十分广泛，是一种适用于江河湖泊、水库航道、港口码头、沿海、深海的水下断面和水下地形测量，以及实现导航、水下物探等诸多水域的水深和地形测量。

超声波测深仪经历了模拟、模拟与数字结合以及全数字化三个阶段。目前国内外产品很多，市场上的主流产品是全数字化的测深仪，将计算机技术和微处理器技术应用到仪器中，实现了高质量的回波信号采集、传输及信号处理，仪器的小型化、智能化、数字化也趋于成熟。目前，超声波测深仪虽然取得了长足的进步，但是在某些应用场合还是暴露出一些问题：（1）自动化程度仍有不足，还需要人工参与调整；（2）仪器的距离分辨力与作用距离不能同时兼得；（3）在复杂环境和干扰下，测量效果较差等问题。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供了一种基于跳频信号的全自动超声波测深仪信号处理方法，能完成全自动增益控制、自动门限、自动跟踪和搜索的测深功能，作用距离远，测量精度高、适应性和抗干扰能力强。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种基于跳频信号的全自动超声波测深仪信号处理方法，包括以下步骤：

(1)测深仪发射机发射跳频信号，通过换能器变换成声波在水中传输；声波到达海底被反射，反射信号由换能器变换成电信号被测深仪接收机接收；

(2) 接收机对信号进行滤波和预处理；

(3) 预处理后的信号依次完成信号自动增益控制、频率搬移和脉冲压缩，提取出海底回波信号；

(4)由提取的海底回波信号进行底检测和底跟踪算法，测量出海底的深度和地形起伏。

作为本发明的优化方案，所述自动增益控制具体包括以下步骤：

a、计算回波信号的幅度、信噪比参数；

b、将回波信号幅度与期望值比较，确认回波信号幅度是否在预设区间-3db～3db之间，若在该区间内，则无需增益控制；

c、当回波信号幅度比期望信号幅度＞3db时，控制减小电路增益3db；当回波信号幅度比期望信号幅度＜-3db时，增大电路增益3db；

d、由增益计算回波信号信噪比、相关门限，进行信号的判别。

作为本发明的优化方案，所述频率搬移指将信号的频率搬移至低频处理，即以接收信号的频率，乘以由采样形式和采样频率确定的某一频率的余弦信号，并进行低通滤波，得到回波的基带信号。

作为本发明的优化方案，所述底检测和底跟踪算法中通过全局窗、局部窗和跟踪窗进行回波数据采样；其中全局窗指全量程采样窗，局部窗指对底附近数据的采样窗，跟踪窗是根据上一帧的高度数据设定的一个滑动窗，用于在搜索一次回波前沿时，能从回波信号中去除海底一次回波以外的其他信号。

作为本发明的优化方案，一次回波信号在跟踪窗范围内，排除一次回波以外的干扰信号。

作为本发明的优化方案，当海底地形起伏增大和深度增大时，跟踪窗长度变宽。

作为本发明的优化方案，在平坦海底，跟踪窗应收缩变窄，以减少因噪声干扰引起的海底位置误判。

作为本发明的优化方案，发生深度丢失时，跟踪窗自动扩展。

作为本发明的优化方案，所述全局窗实时记录全量程内的回波数据，并与当前跟踪深度进行比较，便于发现跟踪异常及深度丢失时的再搜索。

本发明的有益效果是：

1、发射信号为跳频信号，能够利用跳频信号高的处理增益和相关性提高测深仪的测深性能和抗干扰能力，实现高精度、远距离测量，解决了现有测深仪距离分辨力与作用距离不能同时兼得的技术问题；

2、对测深发射信号进行频率搬移，将信号的频率搬移至低频处理，能有效降低数据运算量，提升工作效率；

3、运用自动增益控制、自动跟踪和自动搜索等自动化测深算法，实现全程自动化测量，无需人工调整。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为自动增益控制流程示意图；

图3为跳频信号自相关示意图。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本发明及其效果作进一步阐述。

如图1所示，一种基于跳频信号的全自动超声波测深仪信号处理方法，包括以下步骤：

(1)测深仪发射机发射跳频信号，通过换能器变换成声波在水中传输；声波到达海底被反射，反射信号由换能器变换成电信号被测深仪接收机接收；

(2) 接收机对信号进行滤波和预处理；

(3) 预处理后的信号由信号处理板依次完成信号自动增益控制、频率搬移和脉冲压缩，提取出海底回波信号；

(4)由提取的海底回波信号进行幅度、宽度等底检测和底跟踪算法，测量出海底的深度和地形起伏。

信号处理

2.1 信号形式

发射机发射的信号为跳频信号。跳频信号是由N个子CW脉冲组成，信号频点均在换能器带宽范围内，各脉冲的脉宽均为T，频率分别为f(i)，子脉冲频率f(i)的排列顺序按照Costas阵列确定，这样的排列能够确保相邻频率排列在一起的次数只有一次，分析表明，这样的信号具有尖锐的主瓣和较低的旁瓣，接近理想的图钉形模糊度函数分布，跳频信号的自相关示意图如图3所示。

跳频信号的优点有三点：(1)选择长脉冲的跳频信号进行脉冲压缩可以得到高的距离分辨力；(2)在大深度和环境恶劣的情况下，可以得到高的处理增益，增加作用距离；(3)在有干扰信号的情况下，利用跳频信号的相关特性可以剔除干扰，防止错误测深结果的出现。

自动增益控制

由于回波信号的起伏较大，最近和最远距离的信号相差有可能在100db以上，为了使信号的检测和到达时刻的提取更加准确、稳健，我们采用自动增益控制的方式，即根据回波信号的质量和信噪比，控制电路的增益使回波的幅度输出在一定的范围内。如图2所示，自动增益控制具体包括以下步骤：

a、计算回波信号的幅度、信噪比参数；

b、将回波信号幅度与期望值比较，确认回波信号幅度是否在预设区间-3db～3db之间，若在该区间内，则无需增益控制；

c、当回波信号幅度比期望信号幅度＞3db时，控制减小电路增益3db；当回波信号幅度比期望信号幅度＜-3db时，增大电路增益3db；

d、由增益计算回波信号信噪比、相关门限，进行信号的判别。

自动底跟踪和底搜索

所述底检测和底跟踪算法中引入全局窗、局部窗和跟踪窗进行回波数据采样；其中全局窗指全量程采样窗，局部窗指对底附近数据的采样，跟踪窗是根据上一帧的高度数据设定的一个滑动采样窗。在测深中采用跟踪窗，为的是在搜索一次回波前沿时，尽可能从回波信号中去除海底一次回波以外的其他信号，如鱼群、二次回波、噪声等干扰信号。海底深度变化通常是有规律的，因此跟踪窗的调节必须符合此规律，对于跟踪窗的要求是：

（1）保证一次回波在跟踪窗范围内，排除一次回波以外的干扰信号；

（2）随海底地形起伏增大和深度增大时，跟踪窗长度即采样点数相应变宽；

（3）为减少因噪声干扰等引起的海底位置误判，在平坦海底，跟踪窗应收缩变窄，其收缩的幅度根据船速来定；

（4）发生深度丢失时，跟踪窗自动扩展。

在个别情况下会出现深度出错或深度丢失的情况，此时需要搜索深度，搜索深度是在每帧数据中针对全局窗（全量程）的数据进行的深度计算，由于其结果只在深度丢失时才被采用，对应一个重新搜索的过程，所以命名为搜索深度。因此全局窗实时记录全量程内的回波数据，并对该数据以能量最大为原则进行搜索；即使在正常跟踪状态，我们也记录下全量程数据，计算全量程搜索深度并和当前跟踪深度进行比较，以便及时发现跟踪的异常，也便于丢失情况下的再搜索。

频率搬移

测深处理时，要求有高的距离分辨力，所以测深仪的工作频率较高，但是信号的目标和起伏信息大都存在于包络中，需要对目标信号进行频率搬移，频率搬移指将接收到的回波信号混频到低频进行处理，这样可以降低数据运算量。即以接收信号的所在频率为依据，乘以由采样形式和采样频率确定的某一频率的余弦信号，并进行低通滤波，得到回波的基带信号。例如：假设测深仪的中心频率为200KHz，频率覆盖范围为190KHz-210KHz, 则可将接收信号乘以频率为200KHz的余弦信号，并进行低通滤波，滤波器截止频率为10kHz，则得到回波的基带信号，然后对基带信号进行脉冲压缩处理，以得到回波信号的宽带处理增益，最后完成回波的判别、提取和跟踪，就可以完成对测深仪信号的检测。

以上实施例仅是示例性的，并不会局限本发明，应当指出对于本领域的技术人员来说，在本发明所提供的技术启示下，所做出的其它等同变型和改进，均应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于跳频信号的全自动超声波测深仪信号处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)测深仪发射机发射跳频信号，通过换能器变换成声波在水中传输；声波到达海底被反射，反射信号由换能器变换成电信号被测深仪接收机接收；

(2) 接收机对信号进行滤波和预处理；

(3) 预处理后的信号依次完成信号自动增益控制、频率搬移和脉冲压缩，提取出海底回波信号；

(4)由提取的海底回波信号进行底检测和底跟踪算法，测量出海底的深度和地形起伏。

2.根据权利要求1所述的一种基于跳频信号的全自动超声波测深仪信号处理方法，其特征在于，所述自动增益控制具体包括以下步骤：

a、计算回波信号的幅度、信噪比参数；

b、将回波信号幅度与期望值比较，确认回波信号幅度是否在预设区间-3db～3db之间，若在该区间内，则无需增益控制；

c、当回波信号幅度比期望信号幅度＞3db时，控制减小电路增益3db；当回波信号幅度比期望信号幅度＜-3db时，增大电路增益3db；

d、由增益计算回波信号信噪比、相关门限，进行信号的判别。

3.根据权利要求1所述的一种基于跳频信号的全自动超声波测深仪信号处理方法，其特征在于：所述频率搬移指将信号的频率搬移至低频处理，即以接收信号的频率，乘以由采样形式和采样频率确定的某一频率的余弦信号，并进行低通滤波，得到回波的基带信号。

4.根据权利要求1所述的一种基于跳频信号的全自动超声波测深仪信号处理方法，其特征在于：所述底检测和底跟踪算法中通过全局窗、局部窗和跟踪窗进行回波数据采样；其中全局窗指全量程采样窗，局部窗指对底附近数据的采样窗，跟踪窗是根据上一帧的高度数据设定的一个滑动窗，用于在搜索一次回波前沿时，能从回波信号中去除海底一次回波以外的其他信号。

5.根据权利要求4所述的一种基于跳频信号的全自动超声波测深仪信号处理方法，其特征在于：一次回波信号在跟踪窗范围内，排除一次回波以外的干扰信号。

6.根据权利要求4所述的一种基于跳频信号的全自动超声波测深仪信号处理方法，其特征在于：当海底地形起伏增大和深度增大时，跟踪窗长度变宽。

7.根据权利要求4所述的一种基于跳频信号的全自动超声波测深仪信号处理方法，其特征在于：在平坦海底，跟踪窗应收缩变窄，以减少因噪声干扰引起的海底位置误判。

8.根据权利要求4所述的一种基于跳频信号的全自动超声波测深仪信号处理方法，其特征在于：发生深度丢失时，跟踪窗自动扩展。

9.根据权利要求4所述的一种基于跳频信号的全自动超声波测深仪信号处理方法，其特征在于：所述全局窗实时记录全量程内的回波数据，并与当前跟踪深度进行比较，便于发现跟踪异常及深度丢失时的再搜索。