CN106814360A - 一种基于线性调频信号的多波束测深系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于线性调频信号的多波束测深系统，包括发射湿端、接收湿端、信号处理机和显控计算机，发射湿端发射线性调频信号作为系统的探测信号，探测信号由接收湿端接收并进行信号预处理后上传至信号处理机；信号处理机将预处理后的数据，结合辅助传感器的数据作进一步处理，提取海底深度和方位信息并发送给显控计算机；显控计算机用于控制系统信号的发射和接收，以及完成图像的处理、显示，数据的存储。采用线性调频信号作为多波束海底探测信号，在满足多波束声呐探测作用距离要求的同时，又保证了较高的物体测量分辨率；弥补了传统单频信号多波束系统作用距离和物体分辨率之间的矛盾，有效提升了多波束系统的工作性能。

Description

一种基于线性调频信号的多波束测深系统

技术领域

本发明属于海洋探测技术领域，涉及一种多波束测深仪，具体指一种基于线性调频信号的多波束测深系统。

背景技术

多波束测深仪是一种测量海底地形地貌的仪器设备，它主要是通过发射换能器发射声波，声波到达海底后发生后向散射，由接收换能器阵接收，经过信号预处理、波束形成和底检测等处理，来完成对海底地形的测量。传统的单波束测深系统每次测量只能获得测量船垂直下方一个海底测量深度值，与之相比，多波束探测能获得一个条带覆盖区域内多个测量点的海底深度值，实现了从“点—线”测量到“线—面”测量的跨越，大大提高了测量效率。

由于多波束声呐设备是依靠声波进行海底地形测量的，因而发射声波信号的形式十分重要。在多波束测深系统中，探测作用距离和物体分辨率是衡量多波束系统性能的重要指标。一般的多波束测深系统中多采用单频CW信号作为探测信号，在这种情况下，系统的分辨率与发射脉冲脉宽成反比，脉宽越小，分辨率越高，脉宽越大，分辨率越低；而系统的作用距离和发射脉宽成正比，这是因为脉宽越大，相应的发射能量越大，其作用距离也因而越远。因此对于使用单频信号作为探测信号的系统来说，探测作用距离和分辨率之间是相互制约的，二者不能兼得。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供了一种基于线性调频信号的多波束测深系统，采用线性调频信号作为多波束海底探测信号，在满足多波束声呐探测作用距离要求的同时，又保证了较高的物体测量分辨率；弥补了传统单频信号多波束系统作用距离和物体分辨率之间的矛盾，有效提升了多波束系统的工作性能。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种基于线性调频信号的多波束测深系统，包括发射湿端、接收湿端、信号处理机和显控计算机，所述发射湿端由发射换能器和发射电子舱组成，接收湿端由接收换能器和接收电子舱组成，接收湿端通过连接电缆与水上信号处理机连接，信号处理机分别与显控计算机和辅助传感器连接；

所述发射湿端发射线性调频信号作为系统的探测信号，探测信号由接收湿端接收并进行信号预处理后上传至信号处理机；信号处理机将预处理后的数据，结合辅助传感器的数据作进一步波束形成和底检测处理，提取海底深度和方位信息并发送给显控计算机；显控计算机用于控制系统信号的发射和接收，以及完成图像的处理、显示，数据的存储。

作为本案的优化方案，所述信号预处理在接收湿端进行，接收换能器接收的各个通道的探测信号依次经过带通滤波、数字下变频、降采样和脉冲压缩四个步骤，形成相互正交的I路和Q路基带数据；然后，所有预处理数据发送至信号处理机经波束形成和底检测流程，从而获取海底方位及深度信息估计，完成对海底地形的测量。

作为本案的优化方案，所述脉冲压缩具体包括匹配滤波和旁瓣消除两个步骤，匹配滤波使输入较大时宽的线性调频信号，输出为具有Sinc函数包络形式的信号，从而获得高的物体分辨率；旁瓣消除用于消除匹配滤波输出的包络主瓣信号两侧的旁瓣信号。

作为本案的优化方案，所述波束形成采用常规波束形成和最小方差无失真响应波束形成相结合的方法实现。

作为本案的优化方案，所述底检测通过求取质量因子QF，实现能量法和相位法联合估计不同波束角度的水深值，具体包括以下步骤：

a、对输入的波束形成数据求取能量法和相位法质量因子QF；

b、当能量法QF>相位法QF时，使用能量法进行深度测量，得出深度信息；当能量法QF<相位法QF时，使用相位法进行深度测量，得出深度信息。

作为本案的优化方案，所述接收电子舱的电路包括模拟和数字两部分，其中模拟部分的电路由依次连接的一级固定增益放大模块、可控增益放大模块、二级固定增益放大模块、带通滤波器和三级固定增益放大模块组成。

作为本案的优化方案，数字部分的电路采用DSP+FPGA的处理架构，FPGA完成数据的缓存，DSP完成信号处理。

作为本案的优化方案，所述辅助传感器包括声速剖面仪和姿态仪。

本发明的有益效果是：本系统使用线性调频LFM信号作为探测信号，其等效脉冲宽度取决于脉冲带宽，而不是信号脉宽，因而可以解决多波束测深系统探测作用距离和分辨率之间的矛盾，在满足长作用距离要求的同时，又可以获得较高的距离分辨率，保证了多波束测深系统的工作性能。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意框图；

图2为本发明的信号处理流程框图；

图3为脉冲压缩的处理流程框图；

图4为频域匹配滤波的处理流程框图；

图5为底检测的处理流程框图；

图6为接收电子舱电路模拟部分的结构连接示意框图；

图7为接收电子舱电路的数字部分的结构搭建示意框图。

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，基于线性调频信号的多波束测深系统组成，包括发射湿端、接收湿端、信号处理机和显控计算机，所述发射湿端由发射换能器和发射电子舱组成，信号经由发射电子舱内的发射电路形成，由发射换能器转换成声信号在水中传播；接收湿端由接收换能器和接收电子舱组成，接收换能器接收声信号并转换成数字信号，数字信号经接收电子舱内的接收电路进行信号处理；接收湿端通过连接电缆与水上信号处理机连接，信号处理机分别与显控计算机和辅助传感器连接，辅助传感器为声速剖面仪和姿态仪。

发射湿端发射线性调频信号作为系统的探测信号，探测信号由接收湿端接收并进行信号预处理后上传至信号处理机；信号处理机将预处理后的数据，结合辅助传感器的数据作进一步波束形成和底检测处理，提取海底深度和方位信息并发送给显控计算机；显控计算机用于控制系统信号的发射和接收，以及完成图像的处理、显示，数据的存储。

进一步地，接收电子舱的电路包括模拟和数字两部分，其中模拟部分的电路由依次连接的一级固定增益放大模块、可控增益放大模块、二级固定增益放大模块、带通滤波器和三级固定增益放大模块组成。由于海底回波信号通过换能器转换成电信号后，能量比较微弱，并且信号本身包含各种频带的环境噪声，对发射接收信号造成干扰。接收电路的模拟电路通过带通滤波处理去除带外噪声信号和增益控制增大信号能量，以提高接收信噪比。此外，除了固定三级增益放大外，在增益控制部分，我们加入了可控增益放大模块，即依据海底回波信号能量衰减规律自动调节增益大小，补偿由于回波信号由于球面扩散和水体吸收带来的能量损失，以提高回波质量。接收电子舱电路模拟部分的结构连接示意框图如图6所示。原始信号经过增益控制、带通滤波、AD量化等处理步骤后，就可进行预处理。数字部分的电路采用DSP+FPGA的处理架构，FPGA完成数据的缓存，DSP完成信号处理。接收电子舱电路的数字部分的结构搭建框图如图7所示。

如图2所示，多波束测深系统的信号处理方法包括信号预处理、波束形成和底检测三部分；首先，信号预处理在接收湿端进行，接收换能器接收的各个通道的探测信号，即线性调频带通采样信号，依次经过带通滤波、数字下变频、降采样和脉冲压缩四个步骤，形成相互正交的I路和Q路基带数据；信号预处理是多波束线性调频探测系统提高物体的分辨率的根本原因，通过信号预处理，使得多波束系统分辨率仅和发射信号的带宽有关系，和发射脉宽没有关系，这样既保证了声呐作用距离，又能满足较高的物体分辨率。然后，所有预处理数据发送至信号处理机经波束形成和底检测流程，从而获取海底方位及深度信息估计，完成对海底地形的测量。

脉冲压缩的本质就是匹配滤波，通过匹配滤波，输出信号时域包络的能量更为集中，即其等效脉宽变窄，故而可获得较高的物体分辨率，处理流程如图3所示。

匹配滤波处理：使得输入较大时宽的线性调频LFM信号，输出为具有Sinc函数包络形式的信号，获得高物体分辨率。由于通过匹配滤波输出的信号包络主瓣两侧存在一系列的旁瓣，尤其是第一旁瓣可能会淹没主瓣方向上的微弱目标信号；因此，进行旁瓣消除可有效的削弱这种现象，实际操作时可选择合适的窗函数进行加权处理。

常用的匹配滤波方法分为时域和频域两种。时域脉冲的匹配滤波方法是通过两个有限长度序列进行线性卷积实现，其公式为：

其中为需要进行匹配滤波的线性调频信号，为匹配滤波器的单位冲击响应函数，为压缩输出，根据匹配滤波条件可知为输入信号的共轭镜像函数，即

频域的匹配滤波方法是先利用快速傅里叶（FFT）变换将输入信号和匹配滤波冲击响应函数分别变换成频域形式、，反傅里叶变换（IFFT）和之积便可得到匹配滤波结果输出，其处理流程如图4所示；对比两种匹配滤波方法，本系统采用频域的匹配滤波方法可以获取更快的处理速度。

波束形成是线性调频多波束测深系统的重要组成部分，波束形成技术是将多个接收阵元经过适当处理使其对某些空间方向的声波具有所需响应的方法。其本质可看作是空间滤波器，只让指定方向的信号通过，并阻碍其它方位信号通过。常规波束形成是通过各接收阵元时延或相移的方法，使得指定方位的信号得到最大输出响应，具有稳健性好，对阵列误差不敏感等优点，但是常规波束形成不是自适应滤波器，其阵元加权值并不能随着外界环境的变化而做调整，很难适应不同的噪声和干扰环境，并且具有较高的旁瓣，影响目标真实方位的估计。最小方差无失真响应（MVDR）波束形成是一种自适应算法，为了减少基阵对非期望方向信号的响应，构造了一个约束最优化问题，即在期望方向上形成一个单位幅度波束的约束下，使得阵列的均方输出能量最小。该算法具有良好的波束旁瓣抑制效果和较高的分辨率。鉴于上述两种方法的优缺点，本系统中使用常规波束形成和MVDR自适应波束形成相结合的方法来提高水下地形测量的质量。

底检测算法是基于线性调频多波束测深系统的核心部分。其处理的对象为波束形成输出，依靠基于能量的方法和基于相位的方法联合估计不同波束角度的水深值。其中能量法适用于小开角的深度测量，相位法适用于大开角的深度测量。在使用能量法和相位法同时进行底检测跟踪时，可依据质量评价因子选择其中一种方法作为该角度的深度估计；如图5所示，具体的处理流程包括以下步骤：

a、对输入的波束形成数据求取能量法和相位法质量因子QF；

b、当能量法QF>相位法QF时，使用能量法进行深度测量，得出深度信息；当能量法QF<相位法QF时，使用相位法进行深度测量，得出深度信息。

本专利从提高多波束测深分辨率和作用距离的角度出发，通过相应的信号处理方法实现使用线性调频作为声呐探测信号的技术方案，解决了单频多波束测声系统作用距离和分辨率之间相互制约的矛盾，提高了多波束测深系统的工作性能。

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 (8)

1.一种基于线性调频信号的多波束测深系统，包括发射湿端、接收湿端、信号处理机和显控计算机，其特征在于：所述发射湿端由发射换能器和发射电子舱组成，接收湿端由接收换能器和接收电子舱组成，接收湿端通过连接电缆与水上信号处理机连接，信号处理机分别与显控计算机和辅助传感器连接；

所述发射湿端发射线性调频信号作为系统的探测信号，探测信号由接收湿端接收并进行信号预处理后上传至信号处理机；信号处理机将预处理后的数据，结合辅助传感器的数据作进一步波束形成和底检测处理，提取海底深度和方位信息并发送给显控计算机；显控计算机用于控制系统信号的发射和接收，以及完成图像的处理、显示，数据的存储。

2.根据权利要求1所述的基于线性调频信号的多波束测深系统，其特征在于：所述信号预处理在接收湿端进行，接收换能器接收的各个通道的探测信号依次经过带通滤波、数字下变频、降采样和脉冲压缩四个步骤，形成相互正交的I路和Q路基带数据；然后，所有预处理数据发送至信号处理机经波束形成和底检测流程，从而获取海底方位及深度信息估计，完成对海底地形的测量。

3.根据权利要求2所述的基于线性调频信号的多波束测深系统，其特征在于：所述脉冲压缩具体包括匹配滤波和旁瓣消除两个步骤，匹配滤波使输入较大时宽的线性调频信号，输出为具有Sinc函数包络形式的信号，从而获得高的物体分辨率；旁瓣消除用于消除匹配滤波输出的包络主瓣信号两侧的旁瓣信号。

4.根据权利要求2所述的基于线性调频信号的多波束测深系统，其特征在于：所述波束形成采用常规波束形成和最小方差无失真响应波束形成相结合的方法实现。

5.根据权利要求2所述的基于线性调频信号的多波束测深系统，其特征在于：所述底检测通过求取质量因子QF，实现能量法和相位法联合估计不同波束角度的水深值，具体包括以下步骤：

a、对输入的波束形成数据求取能量法和相位法质量因子QF；

b、当能量法QF>相位法QF时，使用能量法进行深度测量，得出深度信息；当能量法QF<相位法QF时，使用相位法进行深度测量，得出深度信息。

6.根据权利要求1所述的基于线性调频信号的多波束测深系统，其特征在于：所述接收电子舱的电路包括模拟和数字两部分，其中模拟部分的电路由依次连接的一级固定增益放大模块、可控增益放大模块、二级固定增益放大模块、带通滤波器和三级固定增益放大模块组成。

7.根据权利要求6所述的基于线性调频信号的多波束测深系统，其特征在于：数字部分的电路采用DSP+FPGA的处理架构，FPGA完成数据的缓存，DSP完成信号处理。

8.根据权利要求1所述的基于线性调频信号的多波束测深系统，其特征在于：所述辅助传感器包括声速剖面仪和姿态仪。