CN114089342A - 单波束声呐水下测绘方法、系统、存储介质及终端 - Google Patents

单波束声呐水下测绘方法、系统、存储介质及终端 Download PDF

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CN114089342A CN202210057566.2A CN202210057566A CN114089342A CN 114089342 A CN114089342 A CN 114089342A CN 202210057566 A CN202210057566 A CN 202210057566A CN 114089342 A CN114089342 A CN 114089342A
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Abstract

本发明公开了一种单波束声呐水下测绘方法、系统、存储介质及终端，所述方法包括如下步骤对目标进行初始化采集，建立电路噪声和环境噪声为主的噪声模型，对初始化采集数据进行补正；设定载波频率，发射线性调频信号，接收回波信号，并对回波信号进行时间增益补偿；对补偿后的信号进行傅里叶检波处理转化为频域模型，进行滤波处理，对处理后的信号进行频域波束形成；通过频域波束形成实现确定方位的测绘，经过匹配滤波实现脉冲压缩去除回波信号中频域的二次相位；对脉冲压缩结果进行逆傅里叶变换得到时域能量，并将相应的能量值对应于同一色系下不同深浅的对比值，得到当前测绘信息显示图。本发明有保证了单波束声呐的准确性和稳定性。

Description

单波束声呐水下测绘方法、系统、存储介质及终端
技术领域
本发明属于声呐测绘技术领域，更具体地，涉及一种单波束声呐水下测绘方法、系统、存储介质及终端。
背景技术
声呐领域极其重视目标探测的准确性与稳定性，这也是衡量声呐性能的一个标准。声呐在波束方面主要可以分为两类，单波束声呐和多波束声呐，它们基于传感器数目实现不同需求的地形测绘。多波束声呐采用复数传感器进行声波的发射和接收，通常用于二、三维场景下的水下测绘，但是由于多波束声呐成阵复杂、实时数据量大、成本昂贵等问题，并不利于推广。
单波束声呐则采用单个传感器进行声波的发射和接收，用来探测水底的深度以及水下是否有物体，功能比较单一，成本低，通常用于较简单的一维场景下的水下测绘。如专利文献CN212134945U公开了一种高分辨率旋转单波束声呐，包括水下浮动平台，所述水下浮动平台的内部分别开设有第一安置槽和第二安置槽，通过设置第一齿轮盘和第二齿轮盘，使得单波束声呐主体可以更好的实现全方位旋转，从而可以快速发现鱼群，对回波的鱼群方位进行高度分辨，避免了搜索盲区的存在，提高了信息接收率。专利文献CN111650592A公开了一种基于单波束声纳簇数据处理的船体识别方法，包括以下步骤：1 )将单波束声呐簇安装在拱形水下结构表面，排成阵列；2)通过单波束声呐簇采集声呐数据，依据声呐簇排列情况进行编号，提取单波束声呐簇数据图集；3)对单波束声呐簇数据图集预处理，将球面数据转换为平面数据，得到二维声呐数据图集；4)剔除二维声呐数据图集中的水面数据，减少水面数据点对目标船体识别的影响；5)采集大量正常船体的单波束声纳簇数据作为数据训练集和数据验证集，使用SqueezeNet网络作为船体识别模型网络对数据训练集进行训练，得到船体识别模型。本发明提供一种通过对单波束声纳簇数据进行深度神经网络提取数据特征，船体识别率高。
但专利CN212134945U，CN111650592A公开的单波束声呐由于单波束声呐受限于传感器的数量的影响，只能在单个方向进行测绘，通常声呐多采用连续脉冲信号作为发射信号，频率信号单一，测绘范围受限于发射信号频率并且满足不了较高的测绘精度。同时，在遭受波浪起伏或者水下浑浊的环境下，单波束声呐更是容易受到各种干扰噪声或者杂波信号的影响，制约了声呐探测的精准性和稳定性，从而使得测绘效果不佳，导致判断出现问题。因此，如何克服单波束声呐在上述相关技术中的缺陷，就成了业界亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种单波束声呐水下测绘方法、系统、存储介质及终端，该方法首先将声呐放置于水面上，将传感器对准水底之后进行初始化采集，建立由电路噪声和环境噪声为主的噪声模型，对后续采集进行补正；通过传感器发射一定带宽的线性调频信号，发射信号经由物体反射传给传感器，传感器对接收信号进行时间增益补偿；补偿之后对采集到的回波信号进行傅里叶检波，转化为频域模型之后通过巴特沃斯低通滤波器来处理，过滤可能出现的其他噪声；对处理后信号进行频域波束形成，在频域内只对带宽内频率对应的线谱进行波束域处理；通过频域波束形成实现确定方位的测绘，然后经过匹配滤波实现脉冲压缩，去除回波信号中频域的二次相位；最后对脉冲压缩结果进行逆傅里叶变换，得到时域能量，然后通过将相应的能量值对应于同一色系下的不同深浅的对比值，得到当前测绘信息显示图。本发明充分利用线性调频信号的特性，在相对应的环节减小干扰信号对接收信号的影响，维持了单波束声呐测绘性能的精准性和稳定性，维持单波束声呐的远范围和高精度；同时采用波束形成的方法，使得声呐不再受限于传感器开角的影响，在不影响成本的情况下成功从一维的使用场景突破到了二维。
为了实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种单波束声呐水下测绘方法，包括如下步骤：
S100：对目标进行初始化采集，建立电路噪声和环境噪声为主的噪声模型，对初始化采集数据进行补正；
S200：设定载波频率，发射线性调频信号，接收回波信号，并对回波信号进行时间增益补偿；
S300：对补偿后的信号进行傅里叶检波处理转化为频域模型，进行滤波处理，对处理后的信号进行频域波束形成；
S400：通过频域波束形成实现确定方位的测绘，经过匹配滤波实现脉冲压缩去除回波信号中频域的二次相位；
S500：对脉冲压缩结果进行逆傅里叶变换得到时域能量，并将相应的能量值对应于同一色系下不同深浅的对比值，得到当前测绘信息显示图。
进一步的，步骤S200包括：
S201：确定载波频率
Figure 399121DEST_PATH_IMAGE001
，通过声呐系统中的传感器发射线性调频信号
Figure 112999DEST_PATH_IMAGE002
为：
Figure 423894DEST_PATH_IMAGE003
（1）
其中，T为时宽，
Figure 350262DEST_PATH_IMAGE004
， B为脉宽，t为连续时间，j为虚数单位；
S202：线性调频信号
Figure 899055DEST_PATH_IMAGE005
经由物体反射返回给传感器，传感器对返回信号进行时 间增益补偿。
进一步的，步骤S202中，所述时间增益补偿通过TVG函数放大，所述TVG函数为：
Figure 252676DEST_PATH_IMAGE006
（2）
其中，
Figure 549403DEST_PATH_IMAGE007
是设计的可控最大增益，D为扩展系数，D=1为柱面扩展，D=2为球面扩 展，
Figure 279461DEST_PATH_IMAGE008
为海水吸收损失，
Figure 479499DEST_PATH_IMAGE009
是吸收系数，
Figure 269600DEST_PATH_IMAGE010
是TVG的起始码，r为传播距离，t为连续时 间。
进一步的，步骤S300包括：
S301：消除接收信号中的电路噪声和环境噪声；
假设测绘位置距离传感器距离为
Figure 555088DEST_PATH_IMAGE011
，则经过传感器处理之后上传的接收信号
Figure 823258DEST_PATH_IMAGE012
：
Figure 877802DEST_PATH_IMAGE013
（3）
其中，
Figure 573225DEST_PATH_IMAGE014
为S100采集生成的噪声信号，c为水下声速, r为传播距离,
Figure 847474DEST_PATH_IMAGE015
为 TVG函数，j为虚数单位，T为时宽，t为连续时间，
Figure 919335DEST_PATH_IMAGE016
为载波频率，
Figure 625123DEST_PATH_IMAGE004
， B为脉宽；
S302：对信号进行傅里叶检波，得到频域信号；
Figure 694710DEST_PATH_IMAGE017
（4）
S303：在频域信号进行添加巴特沃斯低通滤波处理；
Figure 954790DEST_PATH_IMAGE018
（5）
其中，
Figure 564763DEST_PATH_IMAGE019
和
Figure 859478DEST_PATH_IMAGE020
均为单位有效数据,
Figure 162284DEST_PATH_IMAGE021
以及
Figure 847343DEST_PATH_IMAGE022
均为常数，c为水下声速，M、N均为滤波器最大阶数，n为序号，x为输入信号，y 为输出信号；
S304：获得频域信号序列的所有值。
进一步的，步骤S400包括：
在频域内对带宽内频率对应的线谱进行波束域处理，有效线谱对应频率为：
Figure 759542DEST_PATH_IMAGE023
（7）
其中，
Figure 643184DEST_PATH_IMAGE024
是频率间距，
Figure 382470DEST_PATH_IMAGE025
，L是傅里叶变换离散点数，
Figure 351563DEST_PATH_IMAGE026
为采样频率，l是接收 信号在频域内正负频谱的数目；
最终，处理后波束形成结果为
Figure 303339DEST_PATH_IMAGE027
：
Figure 510329DEST_PATH_IMAGE028
（8）
其中，
Figure 154937DEST_PATH_IMAGE029
是目标方向，
Figure 876906DEST_PATH_IMAGE030
是基带回波信号的有效频谱，r为传播距离，j为虚数单 位，c为水下声速。
进一步的，步骤S400包括：
通过频域波束形成确定目标方向，
Figure 632372DEST_PATH_IMAGE031
包含距离信息，同时对原来的发射信 号进行频域变化得：
Figure 992071DEST_PATH_IMAGE032
（10）
去除回波信号中频域的二次相位，得到脉冲压缩后频谱：
Figure 73160DEST_PATH_IMAGE033
（11）
其中频域共轭：
Figure 16845DEST_PATH_IMAGE034
，
最终结果为：
Figure 576002DEST_PATH_IMAGE035
（12）
其中，
Figure 492006DEST_PATH_IMAGE036
，脉冲压缩后频谱的线性相位中包含回波时 延信息，
Figure 478416DEST_PATH_IMAGE004
， T为时宽，B为脉宽，f为频率， j为虚数单位。
进一步的，步骤S400包括：
对脉冲压缩结果再进行逆傅里叶变换：
Figure 909398DEST_PATH_IMAGE037
（13）
得到时域能量表达式
Figure 567519DEST_PATH_IMAGE038
，然后通过将相应的能量值对应于同一色系下的不同深 浅的对比值，得到当前测绘信息显示图。
按照本发明的另一个方面，提供一种单波束声呐水下测绘系统，包括：
噪声模型模块，用于对目标进行初始化采集，建立电路噪声和环境噪声为主的噪声模型，对初始化采集数据进行补正；
信号发射机接收模块，用于设定载波频率，发射线性调频信号，接收回波信号，并对回波信号进行时间增益补偿；
信号处理模块，用于对补偿后的信号进行傅里叶检波处理转化为频域模型，进行滤波处理，对处理后的信号进行频域波束形成；
脉冲压缩模块，用于通过频域波束形成实现确定方位的测绘，经过匹配滤波实现脉冲压缩去除回波信号中频域的二次相位；
测绘信息显示模块，用于对脉冲压缩结果进行逆傅里叶变换得到时域能量，并将相应的能量值对应于同一色系下不同深浅的对比值，得到当前测绘信息显示图。
按照本发明第三方面，提供一种可读存储介质，所述可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序在被处理器执行后实现所述的单波束声呐水下测绘方法中的各步骤。
按照本发明第三方面，提供一种终端设备，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于在执行所述计算机程序时实现所述的单波束声呐水下测绘方法中的各步骤。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1.本发明的方法，将声呐放置于水面上，将传感器对准水底之后进行初始化采集，建立由电路噪声和环境噪声为主的噪声模型，对后续采集进行补正；通过传感器发射一定带宽的线性调频信号，发射信号经由物体反射传给传感器，传感器对接收信号进行时间增益补偿；补偿之后对采集到的回波信号进行傅里叶检波，转化为频域模型之后通过巴特沃斯低通滤波器来处理，过滤可能出现的其他噪声；对处理后信号进行频域波束形成，在频域内只对带宽内频率对应的线谱进行波束域处理；通过频域波束形成实现确定方位的测绘，然后经过匹配滤波实现脉冲压缩，去除回波信号中频域的二次相位；最后对脉冲压缩结果进行逆傅里叶变换，得到时域能量，然后通过将相应的能量值对应于同一色系下的不同深浅的对比值，得到当前测绘信息显示图。本发明充分利用线性调频信号的特性，在相对应的环节减小干扰信号对接收信号的影响，维持了单波束声呐测绘性能的精准性和稳定性，维持单波束声呐的远范围和高精度；同时采用波束形成的方法，使得声呐不再受限于传感器开角的影响，在不影响成本的情况下成功从一维的使用场景突破到了二维。
2.本发明的方法，一方面通过声呐在开始时候采集足够多的噪声能量值，建立噪声误差模型，有效降低了电路噪声以及环境噪声对声呐接收信号的影响；另一方面通过回波接收后的巴特沃斯低通滤波处理，有效降低了偶尔出现的干扰信号对声呐接收信号的影响，保证了单波束声呐在工作过程中的准确性和稳定性。
3.本发明的方法，引入了线性调频的发射信号，同时在接收过程中使用脉冲压缩技术，有效区分同一方位近距离的两个物体，提高了声呐回波信号中的距离分辨率，能够显著提升测绘的质量，提高测绘范围。
4.本发明的方法，引入了波束形成的算法处理，可以确定探测物体在传感器相对角度，在包含距离的信息加入之后，物体在距离声呐的位置得到明确，突破了单波束声呐只能在一维场景中使用的情况，并且将其成功运用到二维环境中。
5.本发明的方法，引入了时间增益补偿函数，使得远处的回波信号不会由于信号太小而被忽略，增加了声呐的探测距离。
6.本发明的方法，在成本可控的条件下，可以应用于小型化的单波束声呐，使其适用于绝大多数的场景，易于推广。
附图说明
图1为本发明实施例单波束声呐的水下测绘方法流程图；
图2为本发明实施例中信号处理流程示意图；
图3为本发明实施例中脉冲压缩流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明实施例提供一种基于单波束声呐的水下测绘方法，首先，对目标进行初始化采集，建立电路噪声和环境噪声为主的噪声模型，对初始化采集数据进行补正。更具体的，将声呐放置于水面上，将传感器对准水底之后进行初始化采集，建立由电路噪声和环境噪声为主的噪声模型，对后续采集进行补正。其次，设定载波频率，发射现行调频信号，接收回拨信号，并对回拨信号进行时间增益补偿。更具体的，通过传感器发射一定带宽的线性调频信号，发射信号经由物体反射传给传感器，传感器对接收信号进行时间增益补偿。接着，对补偿后的信号进行傅里叶检波处理，以转为为频域模型，进行滤波处理，对处理后的信号进行频域波束形成。即补偿之后对采集到的回波信号进行傅里叶检波，转化为频域模型之后通过巴特沃斯低通滤波器来处理，过滤可能出现的其他噪声，对处理后信号进行频域波束形成，在频域内只对带宽内频率对应的线谱进行波束域处理。接着，通过频域波束形成实现确定方位的测绘，经过匹配滤波实现脉冲压缩去除回波信号中频域的二次相位。更具体的，通过频域波束形成实现确定方位的测绘，然后经过匹配滤波实现脉冲压缩，去除回波信号中频域的二次相位。最后，对脉冲压缩结果进行逆傅里叶变换得到时域能量，并将相应的能量值对应于同一色系下不同深浅的对比值，得到当前测绘信息显示图。本发明充分利用线性调频信号的特性，在相对应的环节减小干扰信号对接收信号的影响，维持了单波束声呐测绘性能的精准性和稳定性，维持单波束声呐的远范围和高精度；同时采用波束形成的方法，使得声呐不再受限于传感器开角的影响，在不影响成本的情况下成功从一维的使用场景突破到了二维。
具体而言，本发明方法包括以下步骤：
步骤一：声呐开始工作，在不发射信号的前提下进行初始化采集，采集足够多的噪 声能量值，建立噪声模型，噪声模型主要由电路噪声和环境噪声组成，将建立的噪声数学模 型定义为
Figure 462662DEST_PATH_IMAGE039
。
步骤二：规定声呐系统的载波频率
Figure 557657DEST_PATH_IMAGE001
，其中
Figure 475935DEST_PATH_IMAGE040
可通过声呐系统修改。确定载波频率
Figure 376895DEST_PATH_IMAGE001
后，然后通过声呐系统中的传感器发射线性调频信号，传感器的主要功能为电信号与声 信号的相互转换。线性调频信号
Figure 64228DEST_PATH_IMAGE005
表达式为：
Figure 595703DEST_PATH_IMAGE041
（1）
其中，T为时宽，
Figure 237163DEST_PATH_IMAGE004
， B为脉宽，t为连续时间，j为虚数单位。
步骤三：发射信号
Figure 207393DEST_PATH_IMAGE005
经由物体反射返回给传感器。传感器对信号进行时间增益 补偿，信号补偿方式为通过TVG（Time Variable Gain）函数放大。TVG函数表达式为：
Figure 952495DEST_PATH_IMAGE006
（2）
其中，
Figure 451609DEST_PATH_IMAGE007
是设计的可控最大增益，
Figure 875637DEST_PATH_IMAGE042
是扩展损失，D为扩展系数，D=1 为柱面扩展，D=2为球面扩展，
Figure 852821DEST_PATH_IMAGE008
为海水吸收损失，
Figure 514746DEST_PATH_IMAGE009
是吸收系数，
Figure 184762DEST_PATH_IMAGE043
是TVG的起始码， r为传播距离，t为连续时间。
本发明的方法，引入了时间增益补偿函数，使得远处的回波信号不会由于信号太小而被忽略，增加了声呐的探测距离。
步骤四：如图2所示，包括如下步骤：
S301：消除接收信号中的电路噪声和环境噪声；
S302：对信号进行傅里叶检波，得到频域信号；
S303：在频域信号进行添加巴特沃斯低通滤波处理；
S304：获得频域信号序列的所有值。
具体而言，回波信号中包含着测绘点到传感器的双程时延信息。假设测绘位置距 离传感器距离为
Figure 502611DEST_PATH_IMAGE011
，则经过传感器处理之后上传的接收信号
Figure 782020DEST_PATH_IMAGE012
：
Figure 564031DEST_PATH_IMAGE044
（3）
其中，
Figure 404948DEST_PATH_IMAGE014
为步骤一采集生成的噪声信号。c为水下声速, r为传播距离,
Figure 210093DEST_PATH_IMAGE045
为TVG函数，j为虚数单位，T为时宽，t为连续时间，
Figure 794658DEST_PATH_IMAGE001
为载波频率，
Figure 431176DEST_PATH_IMAGE004
， B为脉宽。
通过傅里叶检波描述信号的特征：
Figure 442994DEST_PATH_IMAGE017
（4）
然后对接收信号的频域
Figure 469856DEST_PATH_IMAGE046
采用巴特沃斯低通滤波处理。公式的化简工程如下：
Figure 858112DEST_PATH_IMAGE047
（5）
其中，
Figure 349137DEST_PATH_IMAGE019
和
Figure 33321DEST_PATH_IMAGE020
均为单位有效数据,
Figure 813058DEST_PATH_IMAGE021
以及
Figure 739426DEST_PATH_IMAGE022
均为常数，c为水下声速，M、N均为滤波器最大阶数，n为序号，x为输入信号，y 为输出信号。
默认条件，当
Figure 84957DEST_PATH_IMAGE048
时，
Figure 704157DEST_PATH_IMAGE049
都为
Figure 705611DEST_PATH_IMAGE050
。例如当n=0时：
Figure 435669DEST_PATH_IMAGE051
（6）
经过迭代，可以求出
Figure 635707DEST_PATH_IMAGE052
序列的所有值。
步骤五：对经过低通滤波的信号进行频域波束形成，对于由于信号具有一定宽带，在频域内只对带宽内频率对应的线谱进行波束域处理，有效线谱对应频率为：
Figure 425808DEST_PATH_IMAGE053
（7）
其中，
Figure 914558DEST_PATH_IMAGE054
是频率间距，
Figure 182729DEST_PATH_IMAGE025
，L是傅里叶变换离散点数，
Figure 1387DEST_PATH_IMAGE026
为采样频率， l是接 收信号在频域内正负频谱的数目
Figure 962389DEST_PATH_IMAGE055
；
最终，处理后波束形成结果为
Figure 672856DEST_PATH_IMAGE056
Figure 744718DEST_PATH_IMAGE057
（8）
其中，
Figure 184926DEST_PATH_IMAGE058
是目标方向，
Figure 51251DEST_PATH_IMAGE030
是基带回波信号的有效频谱，基带回波信号的频域表 达式为
Figure 514593DEST_PATH_IMAGE059
，根据驻定相位原理：
Figure 390146DEST_PATH_IMAGE060
（9）
其中，幅值
Figure 419281DEST_PATH_IMAGE061
，
Figure 456508DEST_PATH_IMAGE062
为频率。
本发明的方法，引入了线性调频的发射信号，同时在接收过程中使用脉冲压缩技术，有效区分同一方位近距离的两个物体，提高了声呐回波信号中的距离分辨率，能够显著提升测绘的质量，提高测绘范围。
步骤六：如图3所示，包括如下步骤：
S401：确定回波目标的方向；
S402：对发射信号进行频域转换；
S403：将发射信号与经过低通处理后的回波信号在频域范围内进行处理并去除回波信号的二次相位；
S404：计算获得脉冲压缩后的频谱；
S405：确定回波目标距离。
通过频域波束形成确定目标方向，
Figure 407146DEST_PATH_IMAGE031
包含距离信息，同时对原来的发射信 号进行频域变化得：
Figure 322275DEST_PATH_IMAGE032
（10）
去除回波信号中频域的二次相位，得到脉冲压缩后频谱：
Figure 471496DEST_PATH_IMAGE033
（11）
其中频域共轭：
Figure 148465DEST_PATH_IMAGE034
，
最终结果为：
Figure 117558DEST_PATH_IMAGE035
（12）
其中，
Figure 334913DEST_PATH_IMAGE036
，脉冲压缩后频谱的线性相位中包含回波时 延信息。
步骤七：对脉冲压缩结果再进行逆傅里叶变换：
Figure 338641DEST_PATH_IMAGE037
（13）
得到时域能量表达式
Figure 920932DEST_PATH_IMAGE038
，然后通过将相应的能量值对应于同一色系下的不同深 浅的对比值，得到当前测绘信息显示图。
步骤八：重复步骤二到步骤七，得到实时测绘信息显示图。
本发明的方法，引入了波束形成的算法处理，可以确定探测物体在传感器相对角度，在包含距离的信息加入之后，物体在距离声呐的位置得到明确，突破了单波束声呐只能在一维场景中使用的情况，并且将其成功运用到二维环境中。在成本可控的条件下，可以应用于小型化的单波束声呐，使其适用于绝大多数的场景，易于推广。
本发明实施例的方法是依托电子设备实现的，因此对相关的电子设备有必要做一下介绍。基于此目的，本发明的实施例提供了一种电子设备，该电子设备包括：至少一个处理器(processor)、通信接口(Communications Interface)、至少一个存储器(memory)和通信总线，其中，至少一个处理器，通信接口，至少一个存储器通过通信总线完成相互间的通信。至少一个处理器可以调用至少一个存储器中的逻辑指令，以执行前述各个方法实施例提供的方法的全部或部分步骤。
此外，上述的至少一个存储器中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。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或者该技术方案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一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本发明各个方法实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器（ROM，Read-Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
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各实施方式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。基于这样的理解，上述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，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种单波束声呐水下测绘方法，其特征在于，包括如下步骤：
S100：对目标进行初始化采集，建立电路噪声和环境噪声为主的噪声模型，对初始化采集数据进行补正；
S200：设定载波频率，发射线性调频信号，接收回波信号，并对回波信号进行时间增益补偿；
S300：对补偿后的信号进行傅里叶检波处理转化为频域模型，进行滤波处理，对处理后的信号进行频域波束形成；
S400：通过频域波束形成实现确定方位的测绘，经过匹配滤波实现脉冲压缩去除回波信号中频域的二次相位；
S500：对脉冲压缩结果进行逆傅里叶变换得到时域能量，并将相应的能量值对应于同一色系下不同深浅的对比值，得到当前测绘信息显示图。
2.根据权利要求1所述的一种单波束声呐水下测绘方法，其特征在于，步骤S200包括：
S201：确定载波频率
Figure 873532DEST_PATH_IMAGE001
，通过声呐系统中的传感器发射线性调频信号
Figure 993934DEST_PATH_IMAGE002
为：
Figure 508092DEST_PATH_IMAGE003
（1）
其中，T为时宽，
Figure 637722DEST_PATH_IMAGE004
， B为脉宽，t为连续时间，j为虚数单位；
S202：线性调频信号
Figure 920936DEST_PATH_IMAGE005
经由物体反射返回给传感器，传感器对返回信号进行时间增 益补偿。
3.根据权利要求2所述的一种单波束声呐水下测绘方法，其特征在于，步骤S202中，所述时间增益补偿通过TVG函数放大，所述TVG函数为：
Figure 477819DEST_PATH_IMAGE006
（2）
其中，
Figure 213694DEST_PATH_IMAGE007
是设计的可控最大增益，D为扩展系数，D=1为柱面扩展，D=2为球面扩展，
Figure 147015DEST_PATH_IMAGE008
为海水吸收损失，
Figure 284735DEST_PATH_IMAGE009
是吸收系数，
Figure 12520DEST_PATH_IMAGE010
是TVG的起始码，r为传播距离，t为连续时间。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种单波束声呐水下测绘方法，其特征在于，步骤S300包括：
S301：消除接收信号中的电路噪声和环境噪声；
假设测绘位置距离传感器距离为
Figure 235691DEST_PATH_IMAGE011
，则经过传感器处理之后上传的接收信号
Figure 707124DEST_PATH_IMAGE012
：
Figure 699350DEST_PATH_IMAGE013
（3）
其中，
Figure 863615DEST_PATH_IMAGE014
为S100采集生成的噪声信号，c为水下声速, r为传播距离,
Figure 839662DEST_PATH_IMAGE015
为TVG函 数，j为虚数单位，T为时宽，t为连续时间，
Figure 583627DEST_PATH_IMAGE016
为载波频率，
Figure 961518DEST_PATH_IMAGE004
， B为脉宽；
S302：对信号进行傅里叶检波，得到频域信号；
Figure 765526DEST_PATH_IMAGE017
（4）
S303：在频域信号进行添加巴特沃斯低通滤波处理；
Figure 963290DEST_PATH_IMAGE018
（5）
其中，
Figure 776525DEST_PATH_IMAGE019
和
Figure 743344DEST_PATH_IMAGE020
均为单位有效数据,
Figure 249411DEST_PATH_IMAGE021
以及
Figure 668891DEST_PATH_IMAGE022
均为常数，c为水下声速，M、N均为滤波器最大阶数，n为序号，x为输入信号，y 为输出信号；
S304：获得频域信号序列的所有值。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的一种单波束声呐水下测绘方法，其特征在于，步骤S400包括：
在频域内对带宽内频率对应的线谱进行波束域处理，有效线谱对应频率为：
Figure 285818DEST_PATH_IMAGE023
（7）
其中，
Figure 372722DEST_PATH_IMAGE024
是频率间距，
Figure 784112DEST_PATH_IMAGE025
，L是傅里叶变换离散点数，
Figure 956467DEST_PATH_IMAGE026
为采样频率，l是接收信号 在频域内正负频谱的数目；
最终，处理后波束形成结果为
Figure 845926DEST_PATH_IMAGE027
：
Figure 52916DEST_PATH_IMAGE028
（8）
其中，
Figure 635208DEST_PATH_IMAGE029
是目标方向，
Figure 294859DEST_PATH_IMAGE030
是基带回波信号的有效频谱，r为传播距离，j为虚数单位，c 为水下声速。
6.根据权利要求5所述的一种单波束声呐水下测绘方法，其特征在于，步骤S400包括：
通过频域波束形成确定目标方向，
Figure 988008DEST_PATH_IMAGE031
包含距离信息，同时对原来的发射信号进 行频域变化得：
Figure 783926DEST_PATH_IMAGE032
（10）
去除回波信号中频域的二次相位，得到脉冲压缩后频谱：
Figure 802698DEST_PATH_IMAGE033
（11）
其中频域共轭：
Figure 684066DEST_PATH_IMAGE034
，
最终结果为：
Figure 446486DEST_PATH_IMAGE035
（12）
其中，
Figure 96910DEST_PATH_IMAGE036
，脉冲压缩后频谱的线性相位中包含回波时延信 息，
Figure 21004DEST_PATH_IMAGE004
， T为时宽，B为脉宽，f为频率， j为虚数单位。
7.根据权利要求6所述的一种单波束声呐水下测绘方法，其特征在于，步骤S400包括：
对脉冲压缩结果再进行逆傅里叶变换：
Figure 389668DEST_PATH_IMAGE037
（13）
得到时域能量表达式
Figure 690199DEST_PATH_IMAGE038
，然后通过将相应的能量值对应于同一色系下的不同深浅的 对比值，得到当前测绘信息显示图。
8.一种单波束声呐水下测绘系统，其特征在于，包括：
噪声模型模块，用于对目标进行初始化采集，建立电路噪声和环境噪声为主的噪声模型，对初始化采集数据进行补正；
信号发射机接收模块，用于设定载波频率，发射线性调频信号，接收回波信号，并对回波信号进行时间增益补偿；
信号处理模块，用于对补偿后的信号进行傅里叶检波处理转化为频域模型，进行滤波处理，对处理后的信号进行频域波束形成；
脉冲压缩模块，用于通过频域波束形成实现确定方位的测绘，经过匹配滤波实现脉冲压缩去除回波信号中频域的二次相位；
测绘信息显示模块，用于对脉冲压缩结果进行逆傅里叶变换得到时域能量，并将相应的能量值对应于同一色系下不同深浅的对比值，得到当前测绘信息显示图。
9.一种可读存储介质，其特征在于，所述可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序在被处理器执行后实现如权利要求1至7任一项所述的单波束声呐水下测绘方法中的各步骤。
10.一种终端设备，其特征在于，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于在执行所述计算机程序时实现如权利要求1至7任一项所述的单波束声呐水下测绘方法中的各步骤。
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