CN108627839B - 一种基于声波高更新率发射模式的目标探测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于声波高ping率发射模式的目标探测方法及装置，该目标探测方法及装置采用了在不同时刻发送不同指向的波束，借鉴了时分复用技术的思想，以减少波束间的相互干扰，在发射声波时只需要考虑信号的时长以及接收系统的处理时间，最大限度地提高了系统发射声波的ping率；通过对目标的多点分布扫描，缩短了发射波束的宽度，使发射的波束能量比较集中，从而增强了波束的穿透深度和探测能力。

Description

一种基于声波高更新率发射模式的目标探测方法及装置

技术领域

本发明涉及声学测量领域，尤其是涉及一种基于声波高ping率发射模式的目标探测方法及装置。

背景技术

声学测量是进行非接触式测量的有效手段，在很多场合需要利用声学手段对待测目标进行识别和测量。在利用声学方式进行目标探测时，当目标有移动或是测量系统不能固定，需要走航测量时，声波发射的更新率(或称为ping率：在单位时间内声波发射的次数)直接决定了测量结果的纵向分辨率(沿行进方向)，ping率越高，在纵向获得的采样点数越多则在该方向上的分辨率越高。

一般的声学测量系统，主要是通过接收发射声波作用到目标后的反射波来探测目标。当系统采用收发合置的工作方式时，ping率主要由声波传播时间以及系统的处理能力决定，在这种方式下，若针对大距离的测量，一般ping率都不会高，因为一次声波发射完成后要等到接收到回波信号，并处理完成之后才能进行下一次测量，比如在水中测量时，按声速1500m/s的速度计算的话，50米的距离只算传播时间每秒钟最多只能发射15次，再除去信号发送时间(按1ms的时间计算)以及接收处理时间，每秒钟的ping率可能不到10次，在航速稍快的情况下很可能会漏掉探测对象。

若采用收发分置的工作方式，理论上可以实现高ping率的发射，比如类似以上提到的信号时长为1ms时，即使再加上1ms的信号拖尾，不考虑信号处理时间，采用收发分置的形式测量平整目标时1秒钟最高ping率能达到500次。但是当考虑到被测目标有可能不是一个平整的面，而是有高低起伏时，ping率太高，就有可能由于目标的不平整使得前后两次或是多次的信号混叠在一起使得系统无法识别；还有一种情况，当目标为多层结构时，如果ping率太高，也有可能造成层次间的反射信号混叠导致测量失败。现在许多声学测量设备在使用收发分置工作方式时也都以降低ping率为代价消除这种信号混叠的现象，所以目前即使采用了收发分置的工作方式，声波发射ping率也不会太高。

另外，多波束测深系统是广泛使用的水声测量系统，它采用广角度发射多通道接收的方式一次能实现一个扇面的测量，但是由于是广角度发射，能量比较分散，只能测量出水体的深度以及水底表面的情况，对于类似浅剖这样需要有一定穿透深度的声学测量设备，广角度发射的方式不能满足要求。

发明内容

本发明的目的是为了解决在声学测量系统中因声波发射ping率不高导致测量分辨率降低的技术问题，提供一种有效提高声波发射ping率的目标探测方法及装置，该方法及装置采用收发分置的工作方式，综合运用了时分、频分以及码分复用技术的思想，同时解决了原来因声波发射ping率高而导致的信号混叠影响测量结果的问题。

为了实现本发明目的，本发明提供的一种基于声波高ping率发射模式的目标探测方法，该目标探测方法利用发射系统在不同时刻发送指向某个角度的波束，并且该时刻发送信号的频率与下一时刻不一样来区分每个波束，两个波束发射的时间间隔为所发射信号的时长加上接收系统处理发射时长的信号需要的时间，该方法具体包括：

步骤1)根据目标的范围确定声波的扫描宽度，选择声波信号发射的波束宽度；

步骤2)以步骤1)中选择的波束宽度，计算获得覆盖扫描宽度所需的波束数量及各波束的发射角度；

步骤3)按步骤2)中确定的各发射角度逐一发射波束，且保持相邻的两个波束的频率不同，相邻的两个波束之间的发射时间间隔相同，发射时间间隔大于等于发射信号时长与接收回波信号时进行信号处理所需要的时长之和；

步骤4)接收经目标反射的后向反射波束，进行延时或移相处理形成具有不同指向的波束，然后通过滤波处理分离出不同频率的目标回波信号。

作为上述技术方案的进一步改进，所述波束数量的计算公式表示为：

N＝S/B+1

其中，N表示波束数量，S表示扫描宽度，B表示波束宽度。

作为上述技术方案的进一步改进，所述步骤2)中各波束的发射角度设置满足：相邻发射的两个波束指向的角度差大于等于声波信号发射的波束宽度。

本发明还提供了一种基于声波高ping率发射模式的目标探测装置，包括声波发射系统和声波接收系统；所述的声波发射系统包括：发射波束宽度及角度设定模块、发射频率设定模块、发射时间间隔设定模块、波束形成器和发射换能器；

发射波束宽度及角度设定模块：根据目标的范围确定声波的扫描宽度，选择声波信号发射的波束宽度，同时计算获得覆盖扫描宽度所需的波束数量及各波束的发射角度；

发射频率设定模块：设定波束的发射频率，保持相邻的两个波束的频率不同；

发射时间间隔设定模块：设定波束的发射时间间隔，相邻的两个波束之间的发射时间间隔相同，发射时间间隔大于等于发射信号时长与接收回波信号时进行信号处理所需要的时长之和；

波束形成器：根据设定的波束宽度、发射角度、发射频率和发射时间间隔，形成波束；

发射换能器：发射波束形成器中形成的波束；

所述的声波接收系统包括：接收基阵、接收多波束形成器、滤波器；

接收基阵：接收经目标反射的后向反射波束；

接收多波束形成器：对接收基阵输出的后向反射波束进行延时或移相处理，形成具有不同指向的波束；

滤波器：对接收多波束形成器输出的具有不同指向的波束，通过滤波处理分离出不同频率的目标回波信号。

本发明的一种基于声波高ping率发射模式的目标探测方法及装置优点在于：

本发明的目标探测方法及装置采用了在不同时刻发送不同指向的波束，借鉴了时分复用技术的思想，这样可以减少波束间的相互干扰，在发射声波时只需要考虑信号的时长以及接收系统的处理时间，最大限度地提高了系统发射声波的ping率；通过对目标的多点分布扫描，缩短了发射波束的宽度，使发射的波束能量比较集中，从而增强了波束的穿透深度和探测能力；同时利用频率的不同区分不同的波束，避免了目标表面起伏使得前后信号混叠，这实际上是采用频率实现对波束编码。

附图说明

图1为本发明的一种基于声波高ping率发射模式的目标探测方法流程示意图。

图2为本发明实施例中利用目标探测方法实施信号发射操作的示意图。

图3为本发明实施例中利用目标探测方法实施信号接收操作的示意图。

图4为本发明实施例中利用目标探测方法实施信号发送策略的流程图。

图5为本发明的目标探测装置中声波发射系统的结构示意图。

图6为本发明的目标探测装置中声波接收系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明所述的一种基于声波高ping率发射模式的目标探测方法及装置进行详细说明。

本发明提供的一种基于声波高ping率发射模式的目标探测方法，包括：

步骤1)根据目标的范围确定声波的扫描宽度，选择声波信号发射的波束宽度；

步骤2)以步骤1)中选择的波束宽度，计算获得覆盖扫描宽度所需的波束数量及各波束的发射角度；

步骤3)按步骤2)中确定的各发射角度逐一发射波束，且保持相邻的两个波束的频率不同，相邻的两个波束之间的发射时间间隔相同，发射时间间隔大于等于发射信号时长与接收回波信号时进行信号处理所需要的时长之和；

步骤4)接收经目标反射的后向反射波束，进行延时或移相处理形成具有不同指向的波束，然后通过滤波处理分离出不同频率的目标回波信号。

参照图1所示，为了实施本发明的目标探测方法，需要提供一个发射系统和一个接收系统：发射系统具有波束形成功能，带有一个可以发射带宽最少为四分之一中心频率以上的宽带信号的声学换能器；接收系统主要包括一个全向的接收基阵和一个滤波器。在本实施例中，发射系统可按照图4中示出的信号发射策略发送高ping 率信号，信号作用到目标后由接收系统的接收基阵接收，然后经过滤波器处理后得到可识别的信号。为了更好的控制等待时间，本实施例中不同频率的发射信号时长保持一致，且相邻发射的两个波束指向的角度差最少应该差一个波束宽度，避免相邻发射的两个波束角度过近而相互产生干扰。发射系统的具体发射策略可按以下步骤实施：

第一步、发射系统确定扫描宽度：由于发射系统不都是垂直发送声波，有些声波是与垂直方向成一定的角度发送出去的，这样系统发射的波束相当于沿垂直方向两侧向目标进行扫描，所以第一步应先根据目标的范围确定扫描的宽度，本实施例中确定的扫描宽度S＝28°；

第二步、根据扫描宽度以及发射系统所形成的波束宽度确定发送的波束数，本实施例中波束宽度B＝2°，发送的波束数N＝S/B+1＝15；

第三步、形成指向某个角度的波束，按图2中所示出的波束编号顺序发射波束，最先朝垂直向下的方向发射1号波束，指向的角度记为0°，对应的频率为f1；

第四步、等待一定时间△t，准备发送下一个波束：△t(等待时间)≥st(发射信号时长)+dt(接收系统处理与发射信号对应的回波信号所需要的时间)；

第五步、改变波束指向角度-14°以及信号对应的频率为f2，发送该方向的2号波束，同样等待时间△t；改变波束指向角度2°以及信号对应的频率为f3发送3号波束，再等待时间△t；改变波束指向角度-12°以及信号对应的频率为f4发送4号波束，再等待时间△t；改变波束指向角度4°以及信号对应的频率为f5发送5号波束，再等待时间△t；改变波束指向角度-10°以及信号对应的频率为f1发送6号波束，再等待时间△t；如此循环，直到发送完指向角度14°、对应频率为f5的15号波束后，使得覆盖扫描宽度范围内的所有波束全部发射完成，再回到第三步,然后发送最开始指向的角度的波束，开始一个新的扫描周期。

在上述波束发射过程中，相邻发射的两个波束之间的角度差为14°或16°，由于该角度差较大，有效地避免了发射波束之间的相互干扰。第三步和第五步中的信号发射频率应该在声学换能器的带宽以内，且扫描宽度内的所有波束可以不必都对应不同的频率，通过设定几个频率可以循环使用，例如发射1号波束对应频率f1，发射2号波束对应频率f2，发射3号波束对应频率f3，发射4号波束对应频率f4，发射5号波束对应频率f1，发射6号波束对应频率f2……如此循环。

如图3所示，利用接收系统里的接收基阵接收经目标反射的后向反射波束，得到的有可能是多个反射波束混叠到一起的信号，为此需要对不同的反射波束进行辨别和分离，通过接收系统接收与发射信号对应的回波信号，然后经过信号分离处理，分离出不同角度及频率发射的、碰到目标后的后向反射波束，通过这些后向反射波束所携带的目标信息即可对目标进行探测。其中，信号分离处理主要包括接收波束形成以及滤波两个过程。具体处理过程为：通过对接收信号进行延时或移相等操作形成具有不同指向的波束，以区分不同角度方向发送来的回波波束；然后通过滤波器根据发射频率的不同对已确认方向的回波波束进一步分离，分离出不同频率的目标回波信号。作为优选本发明所使用的滤波器为梳状滤波器，梳状滤波器是由许多按一定频率间隔相同排列的通带和阻带组成，只让某些特定频率范围的信号通过，从而对不同频率的信号有很好地筛选效果。

本发明还提供了一种基于声波高ping率发射模式的目标探测装置，包括声波发射系统和声波接收系统；

如图5所示，所述的声波发射系统包括：发射波束宽度及角度设定模块、发射频率设定模块、发射时间间隔设定模块、波束形成器和发射换能器；

发射波束宽度及角度设定模块：根据目标的范围确定声波的扫描宽度，选择声波信号发射的波束宽度，同时计算获得覆盖扫描宽度所需的波束数量及各波束的发射角度；发射频率设定模块：设定波束的发射频率，保持相邻的两个波束的频率不同；发射时间间隔设定模块：设定波束的发射时间间隔，相邻的两个波束之间的发射时间间隔相同，发射时间间隔大于等于发射信号时长与接收回波信号时进行信号处理所需要的时长之和；波束形成器：根据上述各模块设定的波束宽度、发射角度、发射频率和发射时间间隔，形成波束；发射换能器：发射波束形成器中形成的波束。

如图6所示，所述的声波接收系统包括：接收基阵、接收多波束形成器、滤波器；

接收基阵：接收经目标反射的后向反射波束；接收多波束形成器：对接收基阵输出的后向反射波束进行延时或移相处理，形成具有不同指向的波束；滤波器：对接收多波束形成器输出的具有不同指向的波束，通过滤波处理分离出不同频率的目标回波信号，该目标回波信号携带有地理环境等目标信息。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种基于声波高更新率发射模式的目标探测方法，其特征在于，该探测方法采用收发分置的方式，利用发射系统在不同时刻发送指向某个角度的波束，接收系统接收多个反射波束叠加到一起的信号，并经过信号分离处理，分离出不同角度及频率发射的、碰到目标后的后向反射波束，通过后向反射波束所携带的目标信息，实现对目标的探测；

该方法具体包括：

步骤1)根据目标的范围确定声波的扫描宽度，选择声波信号发射的波束宽度；

步骤2)以步骤1)中选择的波束宽度，计算获得覆盖扫描宽度所需的波束数量及各波束的发射角度；

步骤3)按步骤2)中确定的各发射角度逐一发射波束，且保持相邻的两个波束的频率不同，相邻的两个波束之间的发射时间间隔相同，发射时间间隔大于等于发射信号时长与接收回波信号时进行信号处理所需要的时长之和；

步骤4)接收经目标反射的后向反射波束，进行延时或移相处理形成具有不同指向的波束，然后通过滤波处理分离出不同频率的目标回波信号。

2.根据权利要求1所述的基于声波高更新率发射模式的目标探测方法，其特征在于，所述波束数量的计算公式表示为：

N＝S/B+1

其中，N表示波束数量，S表示扫描宽度，B表示波束宽度。

3.根据权利要求1所述的基于声波高ping率发射模式的目标探测方法，其特征在于，所述步骤2)中各波束的发射角度设置满足：相邻发射的两个波束指向的角度差大于等于声波信号发射的波束宽度。

4.一种基于声波高更新率发射模式的目标探测装置，其特征在于，该探测装置采用收发分置的方式，利用发射系统在不同时刻发送指向某个角度的波束，接收系统接收多个反射波束叠加到一起的信号，并经过信号分离处理，分离出不同角度及频率发射的、碰到目标后的后向反射波束，通过后向反射波束所携带的目标信息，实现对目标的探测；

该探测装置包括声波发射系统和声波接收系统；所述的声波发射系统包括：发射波束宽度及角度设定模块、发射频率设定模块、发射时间间隔设定模块、波束形成器和发射换能器；

发射波束宽度及角度设定模块：根据目标的范围确定声波的扫描宽度，选择声波信号发射的波束宽度，同时计算获得覆盖扫描宽度所需的波束数量及各波束的发射角度；

发射频率设定模块：设定波束的发射频率，保持相邻的两个波束的频率不同；

发射时间间隔设定模块：设定波束的发射时间间隔，相邻的两个波束之间的发射时间间隔相同，发射时间间隔大于等于发射信号时长与接收回波信号时进行信号处理所需要的时长之和；

波束形成器：根据设定的波束宽度、发射角度、发射频率和发射时间间隔，形成波束；

发射换能器：发射波束形成器中形成的波束；

所述的声波接收系统包括：接收基阵、接收多波束形成器、滤波器；

接收基阵：接收经目标反射的后向反射波束；

接收多波束形成器：对接收基阵输出的后向反射波束进行延时或移相处理，形成具有不同指向的波束；

滤波器：对接收多波束形成器输出的具有不同指向的波束，通过滤波处理分离出不同频率的目标回波信号。

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