CN110703234A - 一种三维摄像声纳阵列信号接收机幅相校正装置及方法 - Google Patents

一种三维摄像声纳阵列信号接收机幅相校正装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于三维摄像声纳阵列信号接收机幅相校正装置及方法。该装置主要包括信号源、模拟接收模块、信号采集存储模块和信号处理模块；其特征在于对三维摄像声纳阵列信号接收机进行幅相校正时，信号源在模拟接收模块各通道同时输入幅度相等，频率为声纳工作频率的同相信号；模拟接收模块对该信号低噪声放大、时间增益控制、带通滤波处理，输出给信号采集存储模块；信号采集存储模块A/D采样转换为数字信号并存储采样数据中；信号处理模块读取采样数据，进行复解调，数字低通滤波，通过计算各通道数据的有效值得到不同接收通道与参考通道的幅度差异，通过复互相关算法得到各通道与参考通道相位差异，并对幅度、相位差异进行补偿。

Description

一种三维摄像声纳阵列信号接收机幅相校正装置及方法
技术领域
本发明属于声纳阵列信号处理领域，具体涉及一种声纳阵列信号接收机幅相一致性校正方法。
背景技术
三维摄像声纳采用包含数千阵元、等间距布放的矩形面阵接收回波信号，并通过频域波束形成算法及实时图像处理技术得到高分辨率水下三维图像。频域波束形成算法采用均匀权，并对各阵元时域信号进行快速傅里叶变换，抽取相同频率分量进行相位补偿。但是由于所选无源器件的精度、有源器件的性能差异、印制板布局布线的非对称性等原因导致接收机各通道幅度、相位不一致，使频域波束形成过程中各通道的幅度权值、相位补偿值偏离理论设计值，可能引起旁瓣增大、主瓣增益降低、波束指向偏离等问题，使系统成像质量降低，影响水下目标的识别与观测。
三维摄像声纳阵列信号接收机幅相校正方法的研究较少,可供参考的是相控雷达领域接收机幅相校正方法,通过使用参考通道的两个正交信号进行相位校正, 以输出最大值作为幅值进行幅度校正,当相位误差接近π/2的整数倍时引入的测量误差较大，由于电路噪声干扰,输出最大值存在扰动，幅度校正精度较低。
因此，有必要针对三维摄像声纳阵列信号接收机设计一种精度较高的幅相校正方法。
发明内容
本发明的目的在于为解决现有技术的缺点与不足，并提供一种三维摄像声纳阵列信号接收机幅相校正方法。
本发明的目的通过如下技术方案来完成：
一种适用于三维摄像声纳阵列信号接收机幅相校正装置，其包括信号源、模拟接收模块、信号采集存储模块和信号处理模块；
所述信号源，用于在对三维摄像声纳阵列信号接收机进行幅相校正时，向模拟接收模块各通道同时输入幅度相等且频率为声纳工作频率的同相信号；
所述模拟接收模块，用于对输入的信号依次进行低噪声放大、时间增益控制和带通滤波处理后，输出给信号采集存储模块；
所述信号采集存储模块，用于对输入的信号通过A/D采样转换为数字信号并存储于采样数据中；
所述信号处理模块，用于读取采样数据，并进行复解调，数字低通滤波，通过计算各通道数据的有效值得到不同接收通道与参考通道的幅度差异，通过复互相关算法得到各通道与参考通道相位差异，并对幅度、相位差异进行补偿。
优选的，所述信号处理模块包括复解调、数字低通滤波、复互相关计算及幅相校正子模块。
本发明的另一目的在于提供一种基于上述校正装置的适用于三维摄像声纳阵列信号接收机幅相校正方法，其步骤如下：
S1：需要对三维摄像声纳阵列信号接收机幅相校正时，由信号源在模拟接收模块各通道输入端同时产生幅度相等且频率为声纳工作频率f0的同相信号，各通道的输入信号均在模拟接收模块中依次经过低噪声放大、时间增益控制、带通滤波处理之后，输出给信号采集存储模块；其中，第i通道的输出信号随时间t的表达式为：
Figure BDA0002252143420000021
其中：Ai为第i通道信号幅度；
Figure BDA0002252143420000022
为第i通道信号相位；ω0为信号角频率；
S2：通过信号采集存储模块将模拟接收模块的输出信号转换为数字信号并存储于采样数据中，A/D采样频率为fs，其中第i通道中采样点n的采样信号为：
Figure BDA0002252143420000023
S3：通过信号处理模块读取所述的采样数据，并对数据进行复解调运算，其中x2(i,n)复解调后的信号数据为：
Figure BDA0002252143420000024
S4：对复解调数据进行数字低通滤波，滤除高频分量；其中x3(i,n)滤波后的信号数据为：
Figure BDA0002252143420000031
S5：选取第1通道作为参考通道，计算第i通道与参考通道的幅度差异：
Figure BDA0002252143420000032
式中，RMS表示信号均方根值；N表示第i通道中的采样点总数量；
S6：选取第1通道作为参考通道，通过复互相关算法计算第i通道与参考通道相位差异：
Figure BDA0002252143420000033
其中：imag(x5(i))为x5(i)的虚部；real(x5(i))为x5(i)的实部；信号x5(i)的计算公式为：
Figure BDA0002252143420000034
其中：x4* (i,n)为x4(i,n)的共轭信号；
S7：以第1通道幅度权值为1，初始相位为0，分别调整第i通道幅度权值αi以及初始相位φi为：
αi＝1/p1i
Figure BDA0002252143420000035
所有通道均进行调整后，完成三维摄像声纳阵列信号接收机各通道幅相一致性校正。
本发明的有益效果是：
1)通过有效值计算各通道与参考通道的幅度差异，采用能量相加求均方根的方法，减小了电路噪声对幅度测量的影响，提高幅度校正精度；
2)通过复互相关算法得到各通道与参考通道的相位差异，复解调将模拟接收模块输出信号变换至复数解析域，采用复互相关算法计算各通道与参考通道的相位差异，计算简便，利用电路噪声多为非相关高斯白噪声的特点，降低其对各通道相位差异计算的影响，提高相位校正精度。
附图说明
图1为三维摄像声纳阵列信号接收机幅相校正装置的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
如图1所示，为本发明中的适用于三维摄像声纳阵列信号接收机幅相校正装置结构示意框图，其主要模块包括信号源、模拟接收模块、信号采集存储模块和信号处理模块。下面具体描述各模块的作用以及具体工作过程。
信号源用于在对三维摄像声纳阵列信号接收机进行幅相校正时，向模拟接收模块各通道同时输入幅度相等且频率为声纳工作频率的同相信号。
模拟接收模块用于对输入的信号依次进行低噪声放大、时间增益控制和带通滤波处理后，输出给信号采集存储模块。
信号采集存储模块，用于对输入的信号通过A/D采样转换为数字信号并存储于采样数据中。
信号处理模块，用于读取采样数据，并进行复解调，数字低通滤波，通过计算各通道数据的有效值得到不同接收通道与参考通道的幅度差异，通过复互相关算法得到各通道与参考通道相位差异，并对幅度、相位差异进行补偿。该信号处理模块可以按照上述功能分为4个子模块，分别为复解调子模块、数字低通滤波子模块、复互相关计算子模块及幅相校正子模块，四个子模块顺次相连各自实现相应的信号处理流程。
本发明基于该校正装置实现了适用于三维摄像声纳阵列信号接收机幅相校正方法，其步骤如下：
S1：需要对三维摄像声纳阵列信号接收机幅相校正时，由信号源在模拟接收模块各通道输入端同时产生幅度相等且频率为声纳工作频率f0的同相信号，各通道的输入信号均在模拟接收模块中依次经过低噪声放大、时间增益控制、带通滤波处理之后，输出给信号采集存储模块。其中，第i通道的输出信号随时间t的表达式为：
Figure BDA0002252143420000041
其中：Ai为第i通道信号幅度；为第i通道信号相位；ω0为信号角频率；
S2：通过信号采集存储模块将模拟接收模块的输出信号转换为数字信号并存储于采样数据中，A/D采样频率为fs，其中第i通道中采样点n的采样信号为：
Figure BDA0002252143420000052
S3：通过信号处理模块读取由信号采集存储模块采集并存储的各通道的采样数据，并对数据进行复解调运算，得到每个通道中各采样数据经过复解调后的信号数据。其中x2(i,n)复解调后的信号数据形式为：
Figure BDA0002252143420000053
S4：对复解调数据进行数字低通滤波，滤除高频分量。其中x3(i,n)滤波后的信号数据形式为：
Figure BDA0002252143420000054
S5：选取第1通道作为参考通道，计算第i通道与参考通道的幅度差异：
Figure BDA0002252143420000055
式中，RMS表示信号均方根值。N表示第i通道中的采样点总数量，具体N 取值可根据实际进行调整。
S6：选取第1通道作为参考通道，通过复互相关算法计算第i通道与参考通道相位差异：
Figure BDA0002252143420000056
其中：imag(x5(i))为x5(i)的虚部；real(x5(i))为x5(i)的实部。而信号x5(i)的计算公式为：
Figure BDA0002252143420000057
其中：x4* (i,n)为x4(i,n)的共轭信号。
S7：以第1通道幅度权值为1，初始相位为0，分别调整第i通道幅度权值αi以及初始相位φi为：
αi＝1/p1i
Figure BDA0002252143420000061
每个通道均需要进行上述的调整校正过程。当所有通道均进行调整后，即完成了三维摄像声纳阵列信号接收机各通道幅相一致性校正。
下面以一个8通道的接收机作为工程实例，对上述校正方法进行应用，以便于本领域技术人员理解本发明的具体技术效果。该接收机的工作频率150kHz，采样率600kHz，通过信号源施加远大于电路噪声的信号到模拟接收模块输入端，采用多次测量求平均的方法，在模拟接收模块输出端用示波器观测，粗略估计第 2到第8通道与第1通道相位差异分别为0°、0°、3°、1°、9°、15°、20°左右。通过本发明的上述方法计算各通道与第1通道的幅相差异分别为0.02°、 0.05°、3.01°、1.2°、8.87°、15.45°、19.89°，结果基本与估计值吻合。由此可见，通过本发明的方法可以准确计算出幅相差异，并对幅度、相位差异进行补偿，由此提高幅度校正精度。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种适用于三维摄像声纳阵列信号接收机幅相校正装置，其特征在于，包括信号源、模拟接收模块、信号采集存储模块和信号处理模块；
所述信号源，用于在对三维摄像声纳阵列信号接收机进行幅相校正时，向模拟接收模块各通道同时输入幅度相等且频率为声纳工作频率的同相信号；
所述模拟接收模块，用于对输入的信号依次进行低噪声放大、时间增益控制和带通滤波处理后，输出给信号采集存储模块；
所述信号采集存储模块，用于对输入的信号通过A/D采样转换为数字信号并存储于采样数据中；
所述信号处理模块，用于读取采样数据，并进行复解调，数字低通滤波，通过计算各通道数据的有效值得到不同接收通道与参考通道的幅度差异，通过复互相关算法得到各通道与参考通道相位差异，并对幅度、相位差异进行补偿。
2.根据权利要求1所述的适用于三维摄像声纳阵列信号接收机幅相校正装置，其特征在于，所述信号处理模块包括复解调、数字低通滤波、复互相关计算及幅相校正子模块。
3.一种基于如权利要求1所述校正装置的适用于三维摄像声纳阵列信号接收机幅相校正方法，其特征在于，步骤如下：
S1：需要对三维摄像声纳阵列信号接收机幅相校正时，由信号源在模拟接收模块各通道输入端同时产生幅度相等且频率为声纳工作频率f0的同相信号，各通道的输入信号均在模拟接收模块中依次经过低噪声放大、时间增益控制、带通滤波处理之后，输出给信号采集存储模块；其中，第i通道的输出信号随时间t的表达式为：
Figure FDA0002252143410000011
其中：Ai为第i通道信号幅度；
Figure FDA0002252143410000012
为第i通道信号相位；ω0为信号角频率；
S2：通过信号采集存储模块将模拟接收模块的输出信号转换为数字信号并存储于采样数据中，A/D采样频率为fs，其中第i通道中采样点n的采样信号为：
Figure FDA0002252143410000013
S3：通过信号处理模块读取所述的采样数据，并对数据进行复解调运算，其中x2(i,n)复解调后的信号数据为：
S4：对复解调数据进行数字低通滤波，滤除高频分量；其中x3(i,n)滤波后的信号数据为：
Figure FDA0002252143410000022
S5：选取第1通道作为参考通道，计算第i通道与参考通道的幅度差异：
Figure FDA0002252143410000023
式中，RMS表示信号均方根值；N表示第i通道中的采样点总数量；
S6：选取第1通道作为参考通道，通过复互相关算法计算第i通道与参考通道相位差异：
Figure FDA0002252143410000024
其中：imag(x5(i))为x5(i)的虚部；real(x5(i))为x5(i)的实部；信号x5(i)的计算公式为：
Figure FDA0002252143410000025
其中：x4* (i,n)为x4(i,n)的共轭信号；
S7：以第1通道幅度权值为1，初始相位为0，分别调整第i通道幅度权值αi以及初始相位φi为：
αi＝1/p1i
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