CN107765253A - 多普勒计程仪的测频方法 - Google Patents
多普勒计程仪的测频方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种多普勒计程仪的测频方法，包括：从数据集S中选取s个点组成一个样本，并根据所述样本获得样本模型，其中，所述数据集S为所述多普勒计程仪接收到的回波信号的复相关或所述复相关中的一段；利用所述样本模型确定距离阈值dth内的数据点集Si，其中，Si是S的一个子集，所述Si中的数据点为内点；根据Si中的内点数量与阈值Nth的大小关系对所述样本模型进行重估，并在重估后的所述样板模型中估计直线以获得多普勒频移。通过仿真验证了本发明提供的多普勒计程仪的测频方法相比现有技术具有更高的稳定性，从而能够减小多普勒计程仪的测频误差。
Description
技术领域
本发明涉及多普勒计程仪技术领域，特别是涉及一种多普勒计程仪的测频方法。
背景技术
多普勒计程仪(Doppler Velocity Log，DVL)是一种测量船舶或水下平台相对于水底航速的仪器，其利用向水底发射声波和接收水底反射回波之间的多普勒频移，计算平台在横向和纵向的速度。多普勒计程仪进行信号处理的关键是多普勒频率的测量，其直接影响了测速精度。早期测频方法主要是过零点检测方法，包括双计数器过零点检测、数字式过零点检测方法等。当前测频主要采用复相关法，其主要依据是回波信号复相关的相位是多普勒频率的一次函数。根据采用的信号形式，多普勒计程仪可分为三类，一是脉冲非相干技术，即采用CW脉冲信号；二是脉冲相干技术，采用CW脉冲对；三是宽带编码技术，采用M序列或其它伪随机序列调制信。
不论采用何种信号形式，对回波的复相关处理后，计算其相位时会得到多普勒频移的一次函数，对其斜率的估计误差将直接影响多普勒测频精度，从而影响测速精度。影响相位斜率估计精度的因素有三点，一是噪声的引入；二是波束开角造成区域多目标回波的叠加；三是复相关处理时对回波的截取方式，这涉及到回波的底跟踪处理。复相关相位斜率估计的传统方法是使用最小二乘法，其本质是使误差的均方根达到最小。最小二乘法适用于误差较小时，但当误差较大时其估计结果与真值差异较大，因此，现有技术的多普勒计程仪的测频方法存在测试误差较大的问题。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的目的在于提出一种测试误差小的多普勒计程仪的测频方法。
本发明提供一种多普勒计程仪的测频方法，包括：
从数据集S中选取s个点组成一个样本，并根据所述样本获得样本模型，其中，所述数据集S为所述多普勒计程仪接收到的回波信号的复相关或所述复相关中的一段；
利用所述样本模型确定距离阈值dth内的数据点集Si，其中，Si是S的一个子集，所述Si中的数据点为内点；
根据Si中的内点数量与阈值Nth的大小关系对所述样本模型进行重估，并在重估后的所述样板模型中估计直线以获得多普勒频移。
根据本发明提供的多普勒计程仪的测频方法，采用RANSAC(Random SampleConsensus，随机采样一致性)算法的技术，即从一个样本集中估计数学模型，可以适用于样本集中含有大量异常数据的情况，用于多普勒侧频中，对于复相关相位中存在较大误差、野值时有很好的稳定性，最终通过仿真验证了本发明提供的多普勒计程仪的测频方法相比现有技术具有更高的稳定性，从而能够减小多普勒计程仪的测频误差。
另外，根据本发明上述的多普勒计程仪的测频方法，还可以具有如下附加的技术特征：
进一步地，所述根据Si中的内点数量与阈值Nth的大小关系对所述样本模型进行重估，并在重估后的所述样板模型中估计直线以获得多普勒频移的步骤包括：
若Si中的内点数量大于阈值Nth，则使用Si的所有内点的内点集重新估计模型，以获得重估后的所述样板模型；
若Si中的内点数量小于阈值Nth，则选择一个新的样本子集，并判断新的样本子集中的内点数量是否大于阈值Nth，若否，则重复选择一个新的样本子集的步骤，直至新的样本子集中的内点数量大于阈值Nth。
进一步地，所述方法还包括：
从所述数据集S中选取选择两点组成一个样本，根据选择的两点确定一条直线；
将到该直线距离小于所述距离阈值dth的点确定为当前内点，其余点设为当前外点，若所述当前内点的数量小于所述阈值Nth，则重新选择样本；
若所述当前内点的数量大于所述阈值Nth，则取样结束，使用所述当前内点组成的内点集，并利用最小二乘法重新估计所述直线，估计得到的直线斜率即为所述多普勒频移。
进一步地，所述复相关包括CW单脉冲的复相关。
进一步地，所述CW单脉冲的复相关的获取方法包括以下步骤：
当发射信号为CW单脉冲时，发射信号为：
其中T为发射信号脉冲宽度，f0为信号频率，为初始相位；
接收回波经过时延τ和多普勒频移fd，其信号为：
其中，同相支路是回波信号与cos(2πf0t)相乘，具体为：
正交支路是回波信号与-sin(2πf0t)相乘，具体为
正交解调后信号中均包括一个高频项和一个低频项，低通滤波后，信号分别为：
两路信号合并为复数信号，即：
最终复相关为：
进一步地，所述复相关包括CW脉冲对的复相关。
进一步地，所述CW脉冲对的复相关的获取方法包括以下步骤：
当发射声波是两个接近的CW脉冲组成的脉冲对时，发射信号为：
其中T为发射信号脉冲宽度，f0为信号频率，为初始相位，Tτ为两个脉冲的起始时刻之间的时间间隔。
接收回波经过时延τ和多普勒频移fd，并假设在短时内回波中两个脉冲的幅度仍然保持一致，且相位也没有差异，其信号形式可记为：
经正交解调、低通滤波后形成的复数信号形式为：
最终复相关为：
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本发明一实施例的多普勒计程仪的测频方法的流程示意图；
图2是发射波束几何示意图；
图3是发射信号波形图；
图4是接收回波信号波形图；
图5是复相关相位的分布图；
图6是严格提取互相关段落的估计速度的分布图；
图7是模糊提取互相关段落的估计速度的分布图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明一实施例提出的多普勒计程仪的测频方法，至少包括以下步骤：
S101，从数据集S中选取s个点组成一个样本，并根据所述样本获得样本模型，其中，所述数据集S为所述多普勒计程仪接收到的回波信号的复相关或所述复相关中的一段；
S102，利用所述样本模型确定距离阈值dth内的数据点集Si，其中，Si是S的一个子集，所述Si中的数据点为内点；
具体的，Si即为该样本模型的一个支撑。
S103，根据Si中的内点数量与阈值Nth的大小关系对所述样本模型进行重估，并在重估后的所述样板模型中估计直线以获得多普勒频移。
上述方法其主要是采用RANSAC(Random Sample Consensus，随机采样一致性)算法。作为一个具体示例，步骤S103中，所述根据Si中的内点数量与阈值Nth的大小关系对所述样本模型进行重估，并在重估后的所述样板模型中估计直线以获得多普勒频移的步骤包括：
若Si中的内点数量大于阈值Nth，则使用Si的所有内点的内点集重新估计模型，以获得重估后的所述样板模型；
若Si中的内点数量小于阈值Nth，则选择一个新的样本子集，并判断新的样本子集中的内点数量是否大于阈值Nth，若否，则重复选择一个新的样本子集的步骤，直至新的样本子集中的内点数量大于阈值Nth。具体实施时，可以在经过N次试验选择最大的支撑集Si，使用Si的所有点重估模型。
作为一个具体示例，本发明一实施例还提出的一种多普勒计程仪的测频方法，包括：
首先从所述数据集S中选取选择两点组成一个样本，根据选择的两点确定一条直线；
将到该直线距离小于所述距离阈值dth的点确定为当前内点，其余点设为当前外点，若所述当前内点的数量小于所述阈值Nth，则重新选择样本；
若所述当前内点的数量大于所述阈值Nth，则取样结束，使用所述当前内点组成的内点集，并利用最小二乘法重新估计所述直线，估计得到的直线斜率即为所述多普勒频移。
作为一个具体示例，在步骤S101中，所述复相关可以为CW单脉冲的复相关。
所述CW单脉冲的复相关的获取方法可以包括以下步骤：
当发射信号为CW单脉冲时，发射信号为：
其中T为发射信号脉冲宽度，f0为信号频率，为初始相位；
接收回波经过时延τ和多普勒频移fd，其信号为：
其中，同相支路是回波信号与cos(2πf0t)相乘，具体为：
正交支路是回波信号与-sin(2πf0t)相乘，具体为
正交解调后信号中均包括一个高频项和一个低频项，低通滤波后，信号分别为：
两路信号合并为复数信号，即：
最终复相关为：
进一步的，作为一个具体示例，在步骤S101中，所述复相关还可以为CW脉冲对的复相关。
所述CW脉冲对的复相关的获取方法包括以下步骤：
当发射声波是两个接近的CW脉冲组成的脉冲对时，发射信号为：
其中T为发射信号脉冲宽度，f0为信号频率，为初始相位，Tτ为两个脉冲的起始时刻之间的时间间隔。
接收回波经过时延τ和多普勒频移fd，并假设在短时内回波中两个脉冲的幅度仍然保持一致，且相位也没有差异，其信号形式可记为：
经正交解调、低通滤波后形成的复数信号形式为：
最终复相关为：
为了验证上述方法的有效性，本发明进行了仿真结果检验，具体为进行区域多目标回波仿真，并进行测速处理。基阵向斜前下方发射波束，这是典型的JanusX型配置中的一个波束，示意图如图2所示。
仿真采用CW脉冲对的信号形式，具体参数如表1所示。
表1仿真参数表
其发射波形、回波波形如图3、图4所示。
利用复相关法求得的相位如图5所示。从图5中可以看出，复相关中包含了三个近似直线的段落(图中A、B、C三段)。其中A段和C段分别是脉冲对中前一个脉冲和后一个脉冲的回波自相关，B段为两个脉冲回波的互相关。实际中使用B段进行处理。
得到复相关相位后，提取其中的互相关段落进行斜率估计，即得多普勒频移，利用测得多普勒频移计算得到基阵速度。为了验证本发明提供的方法的有效性，进行200次仿真，统计最小二乘法和本发明提供的方法估计的均值及均值的标准差。并分为两种情形。
情形一是严格提取互相关段落，仿真结果如图6所示。
情形二是模糊提取互相关段落，使得出现部分野值。仿真结果如图7。
对上述结果进行定量统计，如表2所示。
表2最小二乘法和本发明提供的方法估计速度均值和标准差
从表2中可以看出，当严格提取互相关段落时，最小二乘法和本发明提供的方法表现相当；当模糊提取互相关段落时，从标准差可以看出，本发明提供的方法的稳定性远好于最小二乘法。
根据本发明提供的多普勒计程仪的测频方法，采用RANSAC(Random SampleConsensus，随机采样一致性)算法的技术，即从一个样本集中估计数学模型，可以适用于样本集中含有大量异常数据的情况，用于多普勒侧频中，对于复相关相位中存在较大误差、野值时有很好的稳定性，最终通过仿真验证了本发明提供的多普勒计程仪的测频方法相比现有技术具有更高的稳定性，从而能够减小多普勒计程仪的测频误差。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (7)
1.一种多普勒计程仪的测频方法，其特征在于，包括：
从数据集S中选取s个点组成一个样本，并根据所述样本获得样本模型，其中，所述数据集S为所述多普勒计程仪接收到的回波信号的复相关或所述复相关中的一段；
利用所述样本模型确定距离阈值dth内的数据点集Si，其中，Si是S的一个子集，所述Si中的数据点为内点；
根据Si中的内点数量与阈值Nth的大小关系对所述样本模型进行重估，并在重估后的所述样板模型中估计直线以获得多普勒频移。
2.根据权利要求1所述的多普勒计程仪的测频方法，其特征在于，所述根据Si中的内点数量与阈值Nth的大小关系对所述样本模型进行重估，并在重估后的所述样板模型中估计直线以获得多普勒频移的步骤包括：
若Si中的内点数量大于阈值Nth，则使用Si的所有内点的内点集重新估计模型，以获得重估后的所述样板模型；
若Si中的内点数量小于阈值Nth，则选择一个新的样本子集，并判断新的样本子集中的内点数量是否大于阈值Nth，若否，则重复选择一个新的样本子集的步骤，直至新的样本子集中的内点数量大于阈值Nth。
3.根据权利要求1所述的多普勒计程仪的测频方法，其特征在于，所述方法还包括：
从所述数据集S中选取选择两点组成一个样本，根据选择的两点确定一条直线；
将到该直线距离小于所述距离阈值dth的点确定为当前内点，其余点设为当前外点，若所述当前内点的数量小于所述阈值Nth，则重新选择样本；
若所述当前内点的数量大于所述阈值Nth，则取样结束，使用所述当前内点组成的内点集，并利用最小二乘法重新估计所述直线，估计得到的直线斜率即为所述多普勒频移。
4.根据权利要求1至3任意一项所述的多普勒计程仪的测频方法，其特征在于，所述复相关包括CW单脉冲的复相关。
5.根据权利要求4所述的多普勒计程仪的测频方法，其特征在于，所述CW单脉冲的复相关的获取方法包括以下步骤：
当发射信号为CW单脉冲时，发射信号为：
其中T为发射信号脉冲宽度，f0为信号频率，为初始相位；
接收回波经过时延τ和多普勒频移fd，其信号为：
其中，同相支路是回波信号与cos(2πf0t)相乘，具体为：
正交支路是回波信号与-sin(2πf0t)相乘，具体为
正交解调后信号中均包括一个高频项和一个低频项，低通滤波后，信号分别为：
两路信号合并为复数信号，即：
最终复相关为：
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6.根据权利要求1至3任意一项所述的多普勒计程仪的测频方法，其特征在于，所述复相关包括CW脉冲对的复相关。
7.根据权利要求6所述的多普勒计程仪的测频方法，其特征在于，所述CW脉冲对的复相关的获取方法包括以下步骤：
当发射声波是两个接近的CW脉冲组成的脉冲对时，发射信号为：
其中T为发射信号脉冲宽度，f0为信号频率，为初始相位，Tτ为两个脉冲的起始时刻之间的时间间隔。
接收回波经过时延τ和多普勒频移fd，并假设在短时内回波中两个脉冲的幅度仍然保持一致，且相位也没有差异，其信号形式可记为：
经正交解调、低通滤波后形成的复数信号形式为：
最终复相关为：
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| CN201710796878.4A Active CN107765253B (zh) | 2017-09-06 | 2017-09-06 | 多普勒计程仪的测频方法 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114355360A (zh) * | 2021-12-14 | 2022-04-15 | 中船航海科技有限责任公司 | 一种多普勒计程仪回波频率估计方法 |
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| CN1588119A (zh) * | 2004-09-22 | 2005-03-02 | 中国船舶重工集团公司第七一五研究所 | 声学多普勒海流剖面仪的宽带信号处理系统及其方法 |
| WO2013063531A2 (en) * | 2011-10-26 | 2013-05-02 | Flir Systems, Inc. | Wideband sonar receiver and sonar signal processing algorithms |
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| CN106054188A (zh) * | 2016-06-24 | 2016-10-26 | 西安电子科技大学 | 无人机合成孔径雷达成像的图像偏移自聚焦方法 |
-
2017
- 2017-09-06 CN CN201710796878.4A patent/CN107765253B/zh active Active
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| CN114355360B (zh) * | 2021-12-14 | 2024-05-03 | 中船航海科技有限责任公司 | 一种多普勒计程仪回波频率估计方法 |
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| CN107765253B (zh) | 2021-02-05 |
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