CN115307584A - 一种灵巧型三维水下物体尺度估计系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种灵巧型三维水下物体尺度估计系统，该多系统包括用于向全系统供电的电源板、由压电陶瓷元件组成的用于将电能转换成声信号的发射换能器、由压电陶瓷元件组成的用于将声能转换成电信号的接收水听器阵、用于放大发射脉冲信号的功放板、用于算法处理、输出高度、波束指向性、横向宽度及纵向宽度的信号处理板。算法利用水下声纳接收到的主动直达波信息和近似水平海底物体前向散射信息，提出主被动散射信息联合水下物体三维尺度估算方法。
Description
技术领域
本发明涉及水声探测领域，具体涉及一种灵巧型三维水下物体尺度估计系统。
背景技术
随着无人海洋装备的迅猛发展以及应用场景的不断扩大，对水下物体的尺寸确认需求显得更加迫切。但因受限于无人装备的载荷和能源供应，亟需发展一种灵巧型的三维水下物体尺度估计系统，为海洋探测提供设备支持，具有重要意义。
主动声纳系统在海洋环境中具有检测水下物体信号、水下物体估计定位与分类识别、水下物体跟踪等功能。考虑多普勒频移，利用波束形成，在剔除海底混响情况下能够对水下物体进行识别、定位与分类。但是，这种情况只能对水下物体与声纳系统相对的两个维度进行识别。现在考虑能否基于镜像原理，利用聚焦波束形成对水下物体进行三维尺度确认。通俗地讲，就是同时利用直达散射波和海底反射散射波信息进行聚焦波束形成来确认水下物体横向宽度、纵向宽度，距离维长度。
发明内容
鉴于背景技术存在的不足，本发明涉及一种灵巧型三维水下物体尺度估计系统，根据上述问题，设计了一种利用水下声纳接收到的直达散射波信息和近似水平海底水下物体反射散射信息，提出直达波散射信息和海底反射散射信息联合聚焦波束形成对水下物体三维尺度确定的方法，基于该方法研制灵巧型水下物体尺度估计系统。
本发明涉及一种灵巧型三维水下物体尺度估计系统，包括：发射换能器：所述换能器由一个独立的压电陶瓷换能器组成，将功放单元输入的电压信号转化成声波信号，向海水中发射；接收水听器阵：所述接收水听器阵与信号采集传输单元相连，将水听器接收到的水声信号转化成电压信号，以便后续电路的信号采集和处理；功放板：所述功放板放大、滤波输出并驱动发射换能器和接收水听器阵；信号处理板：所述信号处理板配置算法模块并发射两路互补的PWM信号给功放板，并对采集到的回波数据进行信号处理算法运算，得到水下物体三维尺寸信息，将处理后的结果通过RS232串口发送给显控模型送显；信号调理板：接收发射换能器和接收水听器阵的回波信号，并将其滤波、放大并进行模数转换，将采集的数据发送给信号处理板；电源板：系统上电后，所述电源板给系统的其他模块供电；显控模块：显示信号处理板处理的结果；利用水下声纳接收到的主动直达波信息和近似水平海底物体前向散射信息，提出主被动散射信息联合水下物体三维尺度估算方法：利用主被动信息进行波束形成，得到波束指向图，利用窄角度波束指向图可确认与声纳系统相对面的二维信息，利用宽角度波束指向图可以确认海底散射椭圆参数，根据散射椭圆参数以及其他高程参数可以计算水下物体第三维度的尺寸。
进一步的，对海底混响建模，利用所建立海底混响模型，基于主动直达波信息及被动物体前向海底散射信息对海底混响进行消除。
进一步的，所述波束指向图通过考虑多普勒频移，对主动直达波及被动海底散射波进行宽带波束形成。
进一步的，所述二维信息是利用波束指向图确认、声纳系统相对面的水下物体二维尺寸以及海底散射面的尺寸汇总而成。
进一步的，所述第三维度的尺寸通过海底散射面积参数，以及距离海底高程信息来计算实际水下物体第三维度尺寸。
进一步的，所述显控模块通过算法处理模块基于算法来进行快速计算处理，并将三维尺寸信息显示出来。
进一步的，所述的接收水听器阵由200路声通道组成，分为两列一百行，两列之间的距离为5mm，每列中相邻两个声通道的间距为5mm，每个声通道引出一根“+”信号线和一根地线，共引出400根线。
进一步的，所述的信号采集传输单元由5块FPGA组成，其中的四块FPGA每个完成50路声通道的信号放大和采集。
本发明的有益效果是：
本发明设计是一种基于利用主动声纳直达散射波信息和近似水平海底反射散射信息的聚焦波束形成方法，对水下物体三维尺度确认的灵巧型三维水下物体尺度估计系统。经多次仿真实验与实地验证。该系统稳定有效，可为水下物体探测，横向、纵向尺度及距离维尺度确定提供精确信息。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的适用场景图。
图2是本发明中海底混响示意图。
图3是本发明中3D散射模型几何图。
图4是本发明中距离和等值线图。
图5是本发明中散射等时间椭圆图。
图6是本发明中实际情景图。
图7是本发明中算法流程图。
具体实施方式
以下将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述和讨论，显然，这里所描述的仅仅是本发明的一部分实例，并不是全部的实例，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的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
为了便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例作进一步的解释说明，且各个实施例不构成对本发明实施例的限定。
本发明的实施例1参照图1-7所示，本发明的一种灵巧型三维水下物体尺度估计系统，包括发射换能器、接收水听器阵、功放板、信号处理板、信号调理板、非声传感器板、电源板以及显控模块。系统上电，所述电源板给系统的其他模块供电；工作人员通过显控模块将控制指令通过RS232发送给信号处理模块；所述信号处理板配置算法模块并发射两路互补的PWM信号给功放板；所述功放板放大、滤波输出并驱动发射换能器和接收水听器阵；所述发射换能器和接收水听器阵发射窄带或者宽带声波信号，并接收回波信号将其发送给信号调理板；信号调理板将回波信号滤波、放大并进行模数转换，将采集的数据发送给信号处理板；信号处理板对采集到的回波数据进行信号处理算法运算，得到水下物体三维尺寸信息，将处理后的结果通过RS232串口发送给显控模型送显。
所述的换能器由一个独立的压电陶瓷换能器组成，换能器将功放单元输入的电压信号转化成声波信号，向海水中发射。
所述的接收水听器阵由200路声通道组成，分为两列一百行，两列之间的距离为5mm，每列中相邻两个声通道的间距为5mm每个声通道引出一根“+”信号线和一根地线，共引出400根线。所述接收水听器阵与信号采集传输单元相连。所述的信号采集传输单元由5块FPGA组成，其中的四块FPGA每个完成50路声通道的信号放大和采集。
海底混响及抗混响：
海底界面混响是限制主动声纳系统探测性能的一个重要因素。与噪声干扰不同，混响伴随着主动声纳发射信号而产生，具有非平稳的统计特性，并且多数情况下与水下物体回波混为一体，难以区分。本发明利用主动声纳获取的直达波散射信息来确认水下物体的横向宽度及纵向宽度，利用主动声纳接收水下物体在近似水平海底的反射散射信息来获取水下物体的距离维长度信息。需要考虑海底混响的影响。
参照图2海底混响信号形成过程示意图所示，海底混响的数值模拟是理论分析混响特性的基础。在近场条件下，发射声源具有指向性，海底混响信号模型不考虑海面，只考虑海底一次散射，海水是均匀无吸收的。
发射信号为：
(1)
其中，S表示发射信号，A表示发射信号振幅，ω为角频率。
入射声波按球面波扩展，其球心是辐射声中心，当发射信号到达海底散射单元时可表示为：
强度为I i 的声波到入射到单位面积的散射单元上，入射角为θ，根据Lambert散射定律，在φ方向上单位距离处的散射强度为：
其中，μ为比例常数。
由于声强和声压幅值的平方成比例，则散射声压的幅值为：
令第i个海底散射单元的海底声压散射系数为：
其中幅值A服从均值为μ的高斯分布，相位
服从（0~2π）的均匀分布。
将式（3）、（4）和（5）相乘得到入射声波在第i个海底散射单元散射后的信号：
此信号到达接收水听器时，海底散射单元的散射声波同样以该散射单元为球心按球面扩展：
最后，将所有海底散射单元散射的信号叠加，得到在此接受点的混响信号为：
主分量反转算法是一种特殊的子空间分解方法，它通过对混响子空间估计来达到分离混响和目标回波信号目的。PCI混响背景下弱信号检测算法的主要假设是将混响看成许多与发射信号强相关的散射回波之和，期望信号则因多普勒而产生频率偏移，并且混响的能量大于信号与噪声的能量。在这些假设中，将混响当成强信号进行分析，通过主分量分析（PCA），利用混响子空间与信号加噪声子空间的正交性，通过特征子空间滤波将混响进行抑制。因此，这类方法特别适用于运动水下物体的探测。对于PCI的方法，不同的数据观测矩阵可以得到不同主分量分离的办法。时域PCI观测矩阵构建方法如下。
假设对某个指向波束形成输出得到的观测时间序列X，其长度为N。通过延时方法构造下列前向矩阵：
其中，参数l的取值可以根据实际情况选取。将
矩阵进行奇异值分解，然后根据主分量反演技术得到混响估计，最后从测量信号中减去这个估计的混响信号，送去匹配滤波。要强调一点的是，每个矩阵都是只根据单个波束的输出序列来构成，没有利用不同波束输出的信息。在浅海环境下探测沉底或掩埋目标时，多是低（零）多普勒微弱目标。而时域PCI在检测低（零）多普勒目标回波时性能受到限制。如果前向矩阵是基于各个波束输出的序列，则称之为时空主分量反演（STPCI）。
弧形阵的聚焦波束形成：
基于所设计的接收阵结构，在纵向上具有较高的分辨率，在水平方向上具有相对低的分辨率，利用聚焦波束形成技术，可确定水下的横向、纵向尺度及距离维尺度。
基于Fresnel近似，位于xOy平面内的一个弧形阵的近场指向性函数（波束图）由下列二维空域傅里叶变换给出：
式（10）中，
是基阵的复频率响应（复孔径函数）；
和
分别是x轴和y轴上的空间频率。
为计算基阵的近场指向性，首先必须确定其复孔径函数的一个函数形式。
考虑一个位于xOy平面内，由M×N（奇数）个相同且等间距分布的复加权各向同性点阵元构成的弧形阵。该基阵的复孔径函数为：
式（11）中，
是复加权系数。
将式（11）代入式（10）并利用脉冲函数的筛选特性，得到该基阵的近场指向性函数的表达式为：
下面看一下如果相位权值由下式给出时，由式（11）给出的近场波束图将出现什么情况：
式（13）中，m=-M’,…,0,…,M’,n=-N’,…,0,…, N’。
式（13）等号右端的前两项代表在基阵的整个尺度上的线性相位变化（在m和n上是线性的），它引起波束扫描，而第三项代表一个二次型相位变化（在
和
上是二次的），对应于聚焦。如果将式（13）代入式（12），则
并且，如果在近场距离
上计算式（14），则有
式中
是基阵仅有幅度加权时的远场波束图。式（15）表明，幅度加权
的远场波束图已经聚焦到了基阵的近场距离
上，并在方向余弦空间中扫描到了方向余弦
上，这等效于将波束扫描到了方向
上。
根据所得到的波束指向图确定水下物体的横向尺度、纵向尺度、距离维度尺度及距海底深度。
海底散射信号传播分析：
水下物体经过海底的前向散射到达接收阵，在各向同性的环境噪声背景下，海底散射范围是以收、发点为焦点的卵形线所围的面积。海底地貌复杂，海底散射强度受到海底介质中的声速、介质密度、反射衰减、海底界面粗糙度等众多海底地声参数的影响。在接收阵接收到较强的海底前向和侧向散射。
假设海底界面是由一系列随机分布的、相对光滑的倾斜小平面组成，则海底散射强度大小和这些面的分布相关。利用Ellis和Crowe建立的三维海底散射模型，如图3所示，有3个角度的约束。
海底散射强度表达式为：
式中：
,
。
在镜像平面内，镜反射方向散射强度最大，并在该方向附近一定范围内成对称分布，在镜像平面外散射强度的最大值并不是出现在
位置，且随着角度的增加，整个侧向散射平面内的散射强度随之减小；海底越平坦，则在镜像平面内的指向性越明显，在镜像平面外的侧向散射下降得越快。
海底散射强度大小还取决于在
时刻对散射有贡献的海底散射面积。定义体、海底散射和接收阵所确定的平面为双基地平面。回波在
时刻到达接受阵的海底散射点必然出现在以接收阵、水下物体为焦点的椭圆上，如图5所示。随着时间的增加。椭圆的离心率变小，椭圆越接近于圆。图中
和
的夹角称为基地分置角。
在t时刻散射声波能到达接收阵的所有散射点均落在长半轴为
的椭圆面被海底界面所截而得的椭圆上，称为散射等时椭圆。该椭圆方程表示为：
参数如图4标识。F与S的连线称为基线，
和
分别是接受阵和水下物体到海底的距离。式中：
,
,
，
，
。
，
，如图6所示。
在t时刻对散射有贡献的散射面积是长半轴差为
的椭球壳被海底界面所截而得的椭圆环上的一部分。
水下物体距离维尺度确认：
在t时刻声波是散射点在长半轴为
的椭圆面散射而来。其焦点为声源和接收阵元的位置。这样我们利用接收到的信号进行聚焦波束形成之后，我们能在图中不同的时延确定水下物体的横向和纵向尺度，这个图是随时间t在扩展的。这样就得到了一个带有两个中心焦点的类椭圆图。
波束方向图几何分析：
如图6所示，根据所得波束方位图及接受阵位置来估算水下物体纵向长度：
解得：
其中，
为接收阵元距离海底深度，
为主动声纳探测到横向中心位置距离海底深度。
为主动声纳探测得到的波束指向图中水下物体纵向长度，
为待求纵向长度。
参照图7所示，为具体信号处理板内部的部分信号处理算法流程，采集回波信号，累积一定的采样数据才能对数据进行有效处理，累积长度为NT=266240。设
为累积的回波采样数据，第一维表示采样点，第二维表示阵元号。
本实施例1参照上述推论，得出如下结果：
海底混响模拟及去除：
1.海底混响建模：
2.时间域主分量反演（PCI）去除混响：
构建观测矩阵：
将X矩阵进行奇异值分解，根据主分量反演技术得到混响估计，从测量信号中减去这个估计的混响信号，送去匹配滤波。
弧形阵的聚焦波束形成：
式中，
是基阵的复频率响应（复孔径函数）；
和
分别是x轴和y轴上的空间频率。
确定其复孔径函数的一个函数形式。
平面内，由M×N（奇数）个相同且等间距分布的复加权各向同性点阵元构成的弧形阵。该基阵的复孔径函数为：
式中，
是复加权系数。
得到该基阵的近场指向性函数的表达式为：
相位权值由下式给出时，场波束图中：
式中，m=-M’,…,0,…,M’,n=-N’,…,0,…, N’
并且，如果在近场距离
上计算，则有
式中
是基阵仅有幅度加权时的远场波束图。
距离维尺度确认及椭圆参数确定：
如图6，去除水下物体经过海底反射散射波中的混响成分，利用聚焦波束形成对海底反射散射区域进行成像，可以得到随时间变大的椭圆形图，在图中可以看到声源的形状，我们测得图中的几何关系，可求出相应的纵向长度
。
利用：
解得：
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种灵巧型三维水下物体尺度估计系统，其特征在于：包括：
发射换能器：所述换能器由一个独立的压电陶瓷换能器组成，将功放单元输入的电压信号转化成声波信号，向海水中发射；接收水听器阵：所述接收水听器阵与信号采集传输单元相连，将水听器接收到的水声信号转化成电压信号，以便后续电路的信号采集和处理；
功放板：所述功放板放大、滤波输出并驱动发射换能器和接收水听器阵；信号处理板：所述信号处理板配置算法模块并发射两路互补的PWM信号给功放板，并对采集到的回波数据进行信号处理算法运算，得到水下物体三维尺寸信息，将处理后的结果通过RS232串口发送给显控模型送显；信号调理板：接收发射换能器和接收水听器阵的回波信号，并将其滤波、放大并进行模数转换，将采集的数据发送给信号处理板；电源板：系统上电后，所述电源板给系统的其他模块供电；显控模块：显示信号处理板处理的结果；利用水下声纳接收到的主动直达波信息和近似水平海底物体前向散射信息，提出主被动散射信息联合水下物体三维尺度估算方法：利用主被动信息进行波束形成，得到波束指向图，利用窄角度波束指向图可确认与声纳系统相对面的二维信息，利用宽角度波束指向图可以确认海底散射椭圆参数，根据散射椭圆参数以及其他高程参数可以计算水下物体第三维度的尺寸，对海底混响建模，利用所建立海底混响模型，基于主动直达波信息及被动物体前向海底散射信息对海底混响进行消除，所述波束指向图通过考虑多普勒频移，对主动直达波及被动海底散射波进行宽带波束形成。
2.根据权利要求1所述的一种灵巧型三维水下物体尺度估计系统，其特征在于：所述二维信息是利用波束指向图确认、声纳系统相对面的水下物体二维尺寸以及海底散射面的尺寸汇总而成。
3.根据权利要求1所述的一种灵巧型三维水下物体尺度估计系统，其特征在于：所述第三维度的尺寸通过海底散射面积参数，以及距离海底高程信息来计算实际水下物体第三维度尺寸。
4.根据权利要求1所述的一种灵巧型三维水下物体尺度估计系统，其特征在于：所述显控模块通过算法处理模块基于算法来进行快速计算处理，并将三维尺寸信息显示出来。
5.根据权利要求1所述的一种灵巧型三维水下物体尺度估计系统，其特征在于：所述的接收水听器阵由200路声通道组成，分为两列一百行，两列之间的距离为5mm，每列中相邻两个声通道的间距为5mm，每个声通道引出一根“+”信号线和一根地线，共引出400根线。
6.根据权利要求1所述的一种灵巧型三维水下物体尺度估计系统，其特征在于：所述的信号采集传输单元由5块FPGA组成，其中的四块FPGA每个完成50路声通道的信号放大和采集。
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| CN202210953498.8A CN115307584A (zh) | 2022-08-10 | 2022-08-10 | 一种灵巧型三维水下物体尺度估计系统 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210953498.8A CN115307584A (zh) | 2022-08-10 | 2022-08-10 | 一种灵巧型三维水下物体尺度估计系统 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN115307584A true CN115307584A (zh) | 2022-11-08 |
Family
ID=83861676
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202210953498.8A Pending CN115307584A (zh) | 2022-08-10 | 2022-08-10 | 一种灵巧型三维水下物体尺度估计系统 |
Country Status (1)
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-
2022
- 2022-08-10 CN CN202210953498.8A patent/CN115307584A/zh active Pending
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