CN113447983B

CN113447983B - 一种浅地层剖面仪的数据采集及信号处理方法

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Publication number: CN113447983B
Application number: CN202110697042.5A
Authority: CN
Inventors: 陈路; 陈新; 梁尔冰; 陈卓; 吕冰冰
Original assignee: Hunan Guotian Electronic Technology Co ltd
Current assignee: Hunan Guotian Electronic Technology Co ltd
Priority date: 2021-06-23
Filing date: 2021-06-23
Publication date: 2022-10-04
Anticipated expiration: 2041-06-23
Also published as: CN113447983A

Abstract

本发明涉及一种信号处理的技术领域，公开了一种浅地层剖面仪的数据采集及信号处理方法，包括：接收浅地层剖面仪的回波信号，并对接收到的回波信号进行AD采样处理，得到采样信号；利用带通FIR滤波器对采样信号进行滤波处理，得到滤波后的回波信号数据；对回波信号数据进行绝对值检波，提取回波信号数据中的信号包络；利用无线传输技术将提取到的信号包络传输到上位机；根据接收到的信号包络，利用基于门限检测法和能量检测法的触底检测算法进行水深检测。本发明还提供了一种浅地层剖面仪。本发明实现了浅地层剖面仪的数据采集及信号处理。

Description

一种浅地层剖面仪的数据采集及信号处理方法

技术领域

本发明涉及信号处理的技术领域，尤其涉及一种浅地层剖面仪的数据采集及信号处理方法以及一种浅地层剖面仪。

背景技术

近岸海洋工程建设是国防、经济发展的重要支撑。建设海洋工程以了解海底地层结构、探测地层属性、沉积物结构为基础。浅地层剖面仪主要应用于海洋科学考察、海底管缆路由探测、港池探测、海底地质结构探测、水下工程选址及日常维护等领域，在海洋科学研宄、海洋工程以及海洋开发中发挥着重要的、不可替代的作用，相关研究结果还可应用于潜艇、海洋移动工作站、水下无人深潜器、海洋勘探、海洋开发、科学研究等多个军民领域，经济和军事价值重大。

该浅地层剖面仪换能器发射主频附近的两组频率使用略微不同的高频声波的非线性调频技术。由于在高声压下声波的传播具有非线性的特质，这两组声波相互作用，产生了一种频率很低的声波(称为差频波)，而且仍然保持高频时的束角不变。采用非线性调频技术的浅地层剖面仪具有穿透性强、发射波束角较小以及分辨率高等优点，可以对海底浅部地层的具体情况进行详细的探测，同时只需要小体积和较轻重量的换能器。

鉴于此，如何对回波信号进行采集和处理，得到浅地层剖面图，成为本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明提供一种浅地层剖面仪的数据采集及信号处理方法，接收浅地层剖面仪的回波信号，并对接收到的回波信号进行AD采样处理，得到采样信号,利用带通FIR滤波器对采样信号进行滤波处理，得到滤波后的回波信号数据；对回波信号数据进行绝对值检波，提取回波信号数据中的信号包络，利用无线传输技术将提取到的信号包络传输到上位机，同时根据接收到的信号包络，利用基于门限检测法和能量检测法的触底检测算法进行水深检测。

为实现上述目的，本发明提供的一种浅地层剖面仪的数据采集及信号处理方法，包括：

接收浅地层剖面仪的回波信号，并对接收到的回波信号进行AD采样处理，得到采样信号；

利用带通FIR滤波器对采样信号进行滤波处理，得到滤波后的回波信号数据；

对回波信号数据进行绝对值检波，提取回波信号数据中的信号包络；

利用无线传输技术将提取到的信号包络传输到上位机；

根据接收到的信号包络，利用基于门限检测法和能量检测法的触底检测算法进行水深检测。

可选地，所述接收浅地层剖面仪的回波信号，并对接收到的回波信号进行AD采样处理，包括：

浅地层剖面仪系统上电后进行上位机初始化以及信号处理机初始化；信号处理机初始化后，信号处理机处于等待上位机命令状态；上位机初始化后，经过设备自检后，向信号处理机发送参数设定及启动控制命令，信号处理机提供发射同步信号给发射机，控制信号发射；在本发明一个具体实施例中，本发明利用前置放大器对发射信号进行放大处理；

发射信号到达海底浅部地层后会产生回波信号，所述信号处理机接收回波信号，并对回波信号进行AD采样处理，所述AD采样处理的流程为：

对于回波信号x(t)，设置信号的采样周期为T，则AD采样得到的采样信号为：

其中：

x(nT)表示采样信号；

t表示信号的接收时间；

w表示采样频率的1/2，

可选地，所述利用带通FIR滤波器对采样信号进行滤波处理，包括：

1)计算带通FIR滤波器的均方误差：

其中：

x(nT)表示采样信号；

表示含噪的原始信号；

R_x(nT)表示采样信号的协方差矩阵；

表示含噪的原始信号的协方差矩阵；

F表示带通FIR滤波器；

2)对带通FIR滤波器的均方误差进行求导：

求解F得：

其中：

F表示求解得到带通FIR滤波器；

3)利用求解得到的带通FIR滤波器F对采样信号进行滤波处理：

g(t)＝F·x(nT)

其中：

g(t)为滤波处理后的回波信号数据。

可选地，所述提取回波信号数据中的信号包络，包括：

对回波信号数据进行绝对值检波，即对于回波信号数据g(t)，当x(t)>0，g′(t)＝g(t)，当g(t)<0，g′(t)＝-g(t)；其中g′(t)为绝对值检波的检波信号；

提取检波信号中的信号包络，所述信号包络的提取公式为：

f(t)＝g′(t)e^-2πx′(t)

其中：

f(t)为所提取的信号包络。

在本发明一个具体实施例中，本发明将信号包络出现的时间作为回波到达时间，将信号包络消失的时间作为回波结束时间。

可选地，所述利用无线传输技术进行信号包络的传输，包括：

所述无线传输网络模型为G＝(N,E)，其中N表示无线网络中传感器节点的集合 N₀～N_n-1，第i个传感器节点的相邻节点为i^k,k＝0,1,…；E表示传感器节点之间有效边的集合，每条边代表在某一时间节点内数据包是否可以从这个传感器节点传递给相邻的其他节点，在本发明一个具体实施例中，用x_ij,_t表示在时刻t时，传感器节点i是否可以将数据包发送到传感器节点j中，当x_ij,_t＝1时表示传感器节点i可以将数据包发送到传感器节点j中，当x_ij,_t＝0时表示传感器节点i不可以将数据包发送到传感器节点j中；

所述利用无线传输技术将传输数据包传输到信号处理机的流程为：

1)计算在任意时刻t时，x_ij,_t＝1的两个传感器节点的传输速率：

v_ij,_t＝B_ijlog₂(1+S_ij)

其中：

B_ij表示传感器节点i与传感器节点j之间的通信信道带宽；

S_ij表示传感器节点i与传感器节点j之间的信噪比；

2)计算在任意时刻t时，x_ij,_t＝1的两个传感器节点的数据损耗：

h_ij,t＝log10d_ij

其中：

d_ij表示传感器节点i与传感器节点j之间的距离；

3)对于在任意时刻t时，需要传输数据的传感器节点k，寻找x_kg,t＝1且h_kg,t最小的5个传感器节点作为下一跳的候选节点，并从候选节点中选取传输速率最高的传感器节点作为下一跳的传输节点；在本发明一个具体实施例中，初始时刻的节点为信号处理机；

4)上位机接收数据包后，校验无误后，按照相应的数据格式进行解压缩，即得到需要显示的信号包络。

可选地，所述利用基于门限检测法和能量检测法的触底检测算法进行水深检测，包括：

1)设计回波检测门限，将上位机接收到的回波信号与门限值比较，将信号包络中幅值最大点的值作为回波幅值，将首次大于门限的点x(n)作为回波前沿，计算回波延时为：

其中：

f_s表示回波信号的频率；

n表示回波前沿x(n)的回波幅值；

t₁表示回波延时；

计算得到基于门限检测法的水深L₁：

其中：

T_s表示从发出信号到接收到回波信号的时间差；

v_s表示信号在水中传播的速度；

则回波触底时间为

2)在本发明一个具体实施例中，尽管回波是时间上展宽的波束，但是其能量却集中在时间上的区域△t(即为脉宽)内而回波的抵达时间也必然在此区域△t内，本发明采用能量收敛方法判定回波抵达时间；所述能量收敛法的流程为：

对于i组信号包络点{(t₀,x₀),…,(t_i,x_i)}，其中t_i表示回波信号的接收时间，x_i表示信号幅值，建立近似曲线y＝u(x)，则近似曲线在(t_i,x_i)的偏差为：

δ_i＝u(x_i)-y

建立目标函数：

求得目标函数偏导为0，即可求出拟合曲线y；判定曲线区域△t内能量最大值的时刻，即为回波触底时间估计值t₂，并计算得到基于能量收敛法的水深L₂：

L₂＝(T_m-t₂)v_s

其中：

T_m为发出信号的时间；

v_s表示信号在水中传播的速度；

3)当1)、2)两种方法判别的回波触底时间之差小于1/2脉宽时即认定检测到回波，并以能量检测法确定的回波触底时间估计值作为触底时间检测结果，将L₂作为检测到的水深。

此外，为实现上述目的，本发明还提供一种浅地层剖面仪，所述剖面仪包括：

数据采集装置，用于接收浅地层剖面仪的回波信号；

信号处理机，用于对接收到的回波信号进行AD采样处理，得到采样信号,并利用带通FIR滤波器对采样信号进行滤波处理，得到滤波后的回波信号数据，对回波信号数据进行绝对值检波，提取回波信号数据中的信号包络，同时利用无线传输技术将提取到的信号包络传输到上位机；

上位机，用于根据接收到的信号包络，利用基于门限检测法和能量检测法的触底检测算法进行水深检测。

此外，为实现上述目的，本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有信号处理程序指令，所述信号处理程序指令可被一个或者多个处理器执行，以实现如上所述的浅地层剖面仪的数据采集及信号处理的实现方法的步骤。

本发明首先提出一种无线传输技术将传输数据包传输到上位机；所述无线传输网络模型为G＝(N,E)，其中N表示无线网络中传感器节点的集合N₀～N_n-1，第i个传感器节点的相邻节点为i^k,k＝0,1,…；E表示传感器节点之间有效边的集合，每条边代表在某一时间节点内数据包是否可以从这个传感器节点传递给相邻的其他节点，在本发明一个具体实施例中，用x_ij,t表示在时刻t时，传感器节点i是否可以将数据包发送到传感器节点j中，当 x_ij,t＝1时表示传感器节点i可以将数据包发送到传感器节点j中，当x_ij,t＝0时表示传感器节点i不可以将数据包发送到传感器节点j中；所述利用无线传输技术将传输数据包传输到信号处理机的流程为：计算在任意时刻t时，x_ij,t＝1的两个传感器节点的传输速率：

v_ij,t＝B_ijlog₂(1+S_ij)

其中：B_ij表示传感器节点i与传感器节点j之间的通信信道带宽；Si_j表示传感器节点i与传感器节点j之间的信噪比；计算在任意时刻t时，x_ij,_t＝1的两个传感器节点的数据损耗：

h_ij,t＝log10d_ij

其中：d_ij表示传感器节点i与传感器节点j之间的距离；对于在任意时刻t时，需要传输数据的传感器节点k，寻找x_kg,t＝1且h_kg，t最小的5个传感器节点作为下一跳的候选节点，并从候选节点中选取传输速率最高的传感器节点作为下一跳的传输节点；上位机接收数据包后，校验无误后，按照相应的数据格式进行解压缩，即得到需要显示的信号包络。相较于传统技术，本发明所述无线传输技术实时确定两个传感器节点是否可以发生通信，其中当x_ij,t＝1时表示传感器节点i在t时刻可以将数据包发送到传感器节点j中，当x_ij,t＝0时表示传感器节点i在t时刻不可以将数据包发送到传感器节点j中，并实时选取传输速率高且数据损耗小的可通信传感器节点作为下一跳的传输节点，实现了动态的无线数据包传输技术。

同时，本发明提出一种基于门限检测法和能量检测法的触底检测算法进行水深检测，所述触底检测算法的算法流程为：设计回波检测门限，将上位机接收到的回波信号与门限值比较，将信号包络中幅值最大点的值作为回波幅值，将首次大于门限的点x(n)作为回波前沿，计算回波延时为：

其中：f_s表示回波信号的频率；n表示回波前沿x(n)的回波幅值；t₁表示回波延时；计算得到基于门限检测法的水深L₁：

其中：T_s表示从发出信号到接收到回波信号的时间差；v_s表示信号在水中传播的速度；则回波触底时间为

尽管回波是时间上展宽的波束，但是其能量却集中在时间上的区域 △t(即为脉宽)内而回波的抵达时间也必然在此区域△t内，所述能量收敛法的流程为：对于 i组信号包络点{(t₀,x₀),…,(t_i,x_i)}，其中t_i表示回波信号的接收时间，x_i表示信号幅值，建立近似曲线y＝u(x)，则近似曲线在(t_i,x_i)的偏差为：

δ_i＝u(x_i)-y

建立目标函数：

L₂＝(T_m-t₂)v_s

其中：T_m为发出信号的时间；v_s表示信号在水中传播的速度；当上述两种方法判别的回波触底时间之差小于1/2脉宽时即认定检测到回波，并以能量检测法确定的回波触底时间估计值作为触底时间检测结果，将L₂作为检测到的水深，以获得更精准的测量结果。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的一种浅地层剖面仪的数据采集及信号处理方法的流程示意图；

图2为本发明一实施例提供的浅地层剖面仪的结构示意图；

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

接收浅地层剖面仪的回波信号，并对接收到的回波信号进行AD采样处理，得到采样信号,利用带通FIR滤波器对采样信号进行滤波处理，得到滤波后的回波信号数据；对回波信号数据进行绝对值检波，提取回波信号数据中的信号包络，利用无线传输技术将提取到的信号包络传输到上位机，同时根据接收到的信号包络，利用基于门限检测法和能量检测法的触底检测算法进行水深检测。参照图1所示，为本发明一实施例提供的浅地层剖面仪的数据采集及信号处理方法示意图。

在本实施例中，浅地层剖面仪的数据采集及信号处理方法包括：

S1、接收浅地层剖面仪的回波信号，并对接收到的回波信号进行AD采样处理，得到采样信号。

首先，浅地层剖面仪系统上电后进行上位机初始化以及信号处理机初始化；信号处理机初始化后，信号处理机处于等待上位机命令状态；上位机初始化后，经过设备自检后，向信号处理机发送参数设定及启动控制命令，信号处理机提供发射同步信号给发射机，控制信号发射；在本发明一个具体实施例中，本发明利用前置放大器对发射信号进行放大处理；

其中：

x(nT)表示采样信号；

t表示信号的接收时间；

w表示采样频率的1/2，

S2、利用带通FIR滤波器对采样信号进行滤波处理，得到滤波后的回波信号数据。

进一步地，本发明利用带通FIR滤波器对采样信号进行滤波处理，所述滤波处理的流程为：

1)计算带通FIR滤波器的均方误差：

其中：

x(nT)表示采样信号；

表示含噪的原始信号；

R_x(nT)表示采样信号的协方差矩阵；

表示含噪的原始信号的协方差矩阵；

F表示带通FIR滤波器；

2)对带通FIR滤波器的均方误差进行求导：

求解F得：

其中：

F表示求解得到带通FIR滤波器；

3)利用求解得到的带通FIR滤波器F对采样信号进行滤波处理：

g(t)＝F·x(nT)

其中：

g(t)为滤波处理后的回波信号数据。

S3、对回波信号数据进行绝对值检波，提取回波信号数据中的信号包络。

本发明对回波信号数据进行绝对值检波，即对于回波信号数据g(t)，当x(t)>0，g′(t)＝g(t)，当g(t)<0，g′(t)＝-g(t)；其中g′(t)为绝对值检波的检波信号；

进一步地，本发明提取检波信号中的信号包络，所述信号包络的提取公式为：

f(t)＝g′(t)e^-2πx′(t)

其中：

f(t)为所提取的信号包络。

S4、利用无线传输技术将提取到的信号包络传输到上位机。

进一步地，本发明对信号包络f(t)进行打包处理，得到传输数据包，并对传输数据包设置校验位，在本发明一个具体实施例中，所设置的校验位为奇偶校验位；

进一步地，本发明利用无线传输技术将传输数据包传输到上位机；

所述无线传输网络模型为G＝(N,E)，其中N表示无线网络中传感器节点的集合 N₀～N_n-1，第i个传感器节点的相邻节点为i^k,k＝0,1,…；E表示传感器节点之间有效边的集合，每条边代表在某一时间节点内数据包是否可以从这个传感器节点传递给相邻的其他节点，在本发明一个具体实施例中，用x_ij,t表示在时刻t时，传感器节点i是否可以将数据包发送到传感器节点j中，当x_ij,t＝1时表示传感器节点i可以将数据包发送到传感器节点j中，当x_ij,t＝0时表示传感器节点i不可以将数据包发送到传感器节点j中；

1)计算在任意时刻t时，x_ij,t＝1的两个传感器节点的传输速率：

v_ij,t＝B_ijlog₂(1+S_ij)

其中：

B_ij表示传感器节点i与传感器节点j之间的通信信道带宽；

S_ij表示传感器节点i与传感器节点j之间的信噪比；

2)计算在任意时刻t时，x_ij,t＝1的两个传感器节点的数据损耗：

h_ij,t＝log10d_ij

其中：

d_ij表示传感器节点i与传感器节点j之间的距离；

S5、根据接收到的信号包络，利用基于门限检测法和能量检测法的触底检测算法进行水深检测。

进一步地，上位机根据所接收到的信号包络，本发明利用基于门限检测法和能量检测法的触底检测算法进行水深检测，所述触底检测算法的算法流程为：

其中：

f_s表示回波信号的频率；

n表示回波前沿x(n)的回波幅值；

t₁表示回波延时；

计算得到基于门限检测法的水深L₁：

其中：

T_s表示从发出信号到接收到回波信号的时间差；

v_s表示信号在水中传播的速度；

则回波触底时间为

δ_i＝u(x_i)-y

建立目标函数：

L₂＝(T_m-t₂)v_s

其中：

T_m为发出信号的时间；

v_s表示信号在水中传播的速度；

下面通过一个算法实验来说明本发明的具体实施方式，并对发明的处理方法进行测试。本发明算法的硬件测试环境为：Inter(R)Core(TM)i7-6700K CPU，软件为Matlab2018a；对比方法为基于贝叶斯的信号处理方法以及基于傅里叶变换的信号处理方法。

在本发明所述算法实验中，数据集为10G的信号数据。本实验通过将信号数据输入到算法模型中，将浅信号处理的有效性作为算法可行性的评价指标，其中信号处理的有效性越高，则说明算法的有效性、可行性越高。

根据实验结果，基于贝叶斯的信号处理方法的信号处理有效性为78.14，基于傅里叶变换的信号处理方法的信号处理有效性为80.19，本发明所述方法的信号处理有效性为85.18，相较于对比算法，本发明所提出的浅地层剖面仪的数据采集及信号处理方法能够实现更有效的浅地层剖面仪的数据采集及信号处理。

参照图2所示，为本发明一实施例提供的浅地层剖面仪的内部结构示意图。

在本实施例中，所述浅地层剖面仪1至少包括数据采集装置11、信号处理机12、上位机13，通信总线14，以及网络接口15。

其中，数据采集装置11可以是PC(Personal Computer，个人电脑)，或者是智能手机、平板电脑、便携计算机等终端设备，也可以是一种服务器等。

信号处理机12至少包括一种类型的可读存储介质，所述可读存储介质包括闪存、硬盘、多媒体卡、卡型存储器(例如，SD或DX存储器等)、磁性存储器、磁盘、光盘等。信号处理机12在一些实施例中可以是浅地层剖面仪1的内部存储单元，例如该浅地层剖面仪1的硬盘。信号处理机12在另一些实施例中也可以是浅地层剖面仪1的外部存储设备，例如浅地层剖面仪1上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，信号处理机12 还可以既包括浅地层剖面仪1的内部存储单元也包括外部存储设备。信号处理机12不仅可以用于存储安装于浅地层剖面仪1的应用软件及各类数据，还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。

上位机13在一些实施例中可以是一中央处理器(Central Processing Unit,CPU)、控制器、微控制器、微处理器或其他数据处理芯片，包括监控单元，用于运行信号处理机12 中存储的程序代码或处理数据，例如信号处理程序指令16等。

通信总线14用于实现这些组件之间的连接通信。

网络接口15可选的可以包括标准的有线接口、无线接口(如WI-FI接口)，通常用于在浅地层剖面仪1与其他电子设备之间建立通信连接。

图2仅示出了具有组件11-15以及浅地层剖面仪1，本领域技术人员可以理解的是，示出的结构并不构成对浅地层剖面仪1的限定，可以包括比图示更少或者更多的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。

在图2所示的浅地层剖面仪1实施例中，信号处理机12中存储有信号处理程序指令16；上位机13执行信号处理机12中存储的信号处理程序指令16的步骤，与浅地层剖面仪的数据采集及信号处理方法的实现方法相同，在此不作类述。

此外，本发明实施例还提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有信号处理程序指令，所述信号处理程序指令可被一个或多个处理器执行，以实现如下操作：

利用无线传输技术将提取到的信号包络传输到上位机；

需要说明的是，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。并且本文中的术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、装置、物品或者方法不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、装置、物品或者方法所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、装置、物品或者方法中还存在另外的相同要素。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在如上所述的一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端设备(可以是手机，计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。