CN117269944B - 一种多波束地形声呐回波的时变增益控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及声呐回波数据技术领域，具体涉及一种多波束地形声呐回波的时变增益控制方法，包括：获取同位置多次的多波束地形声呐回波信号，获取多波束地形声呐回波信号的时刻‑能量信号；根据多波束地形声呐回波信号的时刻‑能量信号和底回波能量脉冲的宽度，确定TVG截止时刻；获得任意两个多波束地形声呐回波信号的前分段信号在所述时刻的相似性；根据多波束地形声呐回波信号的相似性获取最优截止时刻；获取多波束地形声呐回波信号的本征模态分量；根据本征模态分量获得综合共性度；根据本征模态分量的综合共性度获取重构后的多波束地形声呐回波信号，根据重构后的多波束地形声呐回波信号进行时变增益控制。

Description

一种多波束地形声呐回波的时变增益控制方法

技术领域

本发明涉及声呐回波数据技术领域，具体涉及一种多波束地形声呐回波的时变增益控制方法。

背景技术

多波束地形测量声呐利用广角度定向发射和多通道接收技术，获得条幅式高密度水底深度数据，是水声技术、计算机技术、导航定位技术和数字化传感器技术等的高度集成，已在海洋工程、海洋开发、海洋研究、海洋调查中发挥重要作用。

由于声波在水下传播过程中会随距离扩展、水体吸收、散射体吸收等而衰减，为了使声呐接收到的幅度不同信号都能够得到充分的放大，就要实时地调整接收机中信号调理电路的放大增益，使得不同时刻接收到的、强弱不同的目标散射信号都能放大到硬件电路允许的较大幅度。通常距离声呐越远处的目标散射信号幅度越小，距离越近处的信号幅度较大。接收机按信号对应的距离或时刻远近调整放大增益，此种技术被称为时变增益控制（Time-Varied Gain, TVG）。常见多波束地形声呐的探测距离范围在数百米量级，水底回波信号的动态范围可达60dB以上，如果没有TVG技术，多波束地形声呐的探测距离和准确度将会被严重削弱。尤其对于多波束地形声呐的边沿波束，其声波传播距离可达中心波束的2倍以上，回波信号动态范围较中心波束大很多，尤其需要TVG控制。在进行多波束地形声呐传播损失分析的过程中，主要包括距离衰减、海水吸收衰减、粘滞衰减和散射衰减等四项，通过TVG技术对多波束地形声呐回波信号进行放大增益，但是其增益的过程中，存在增益控制延迟，并且其声呐信号中的噪声也会被放大，造成其转换后的重叠信号中包含有过多的容易干扰信号，影响其时变增益控制精度。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种多波束地形声呐回波的时变增益控制方法。

本发明的一种多波束地形声呐回波的时变增益控制方法采用如下技术方案：

本发明一个实施例提供了一种多波束地形声呐回波的时变增益控制方法，该方法包括以下步骤：

获取同一个位置的多次的多波束地形声呐回波信号，利用幅度-能量转换方法获取多波束地形声呐回波信号的时刻-能量信号；

获取底回波能量脉冲的宽度，根据多波束地形声呐回波信号的时刻-能量信号和底回波能量脉冲的宽度，确定每次的多波束地形声呐回波信号的TVG截止时刻；

对于TVG截止时刻所在的邻域时间范围内的任意一个时刻，在多波束地形声呐回波信号上截取所述时刻之前的信号分段，记为多波束地形声呐回波信号在所述时刻的前分段信号；

根据任意两次多波束地形声呐回波信号的前分段信号获得任意两个多波束地形声呐回波信号的前分段信号在所述时刻的相似性；

将任意一次多波束地形声呐回波信号记为目标多波束地形声呐回波信号；获取目标多波束地形声呐回波信号与其他所有多波束在所有时刻的相似性的最大值，所述最大值对应的时刻记为目标多波束地形声呐回波信号的最优截止时刻；所述所有时刻是指包含在所述邻域时间范围内的所有时刻；

在目标多波束地形声呐回波信号上截取最优截止时刻之后的信号分段，记作目标多波束地形声呐回波信号的第二分段信号，对第二分段信号进行EMD分解得到多个本征模态分量；

根据目标多波束地形声呐回波信号与其他次的多波束地形声呐回波信号的第二分段信号的本征模态分量获得目标多波束地形声呐回波信号的第二分段信号的本征模态分量的综合共性度；

根据本征模态分量的综合共性度获取重构后的多波束地形声呐回波信号，根据重构后的多波束地形声呐回波信号进行时变增益控制。

进一步的，所述利用幅度-能量转换方法获取多波束地形声呐回波信号的时刻-能量信号，具体的获取方法为：

获取的同一个位置的多次的多波束地形声呐回波信号，将多波束地形声呐回波信号均等划分为个分段，对于第/>个分段的回波信号，该分段信号的时刻-能量信号/>的计算方法为：

其中，表示第/>个分段的回波信号的时刻起点，/>表示发射脉冲的时宽大小，/>表示第/>时刻的回波信号，/>表示共轭复数，/>表示预设分段个数。

进一步的，所述获取底回波能量脉冲的宽度，根据多波束地形声呐回波信号的时刻-能量信号和底回波能量脉冲的宽度，确定每次的多波束地形声呐回波信号的TVG截止时刻，具体的获取方法为：

根据底回波散射理论，底回波能量脉冲的宽度的计算方法为：

其中，表示发射信号脉宽，/>表示水底的垂直深度，/>表示波束中心与竖直方向的夹角，/>表示波束宽度，/>表示水下声速；

从多波束地形声呐回波信号的时刻-能量信号尾部开始，根据预先设置的阈值检测多波束地形声呐回波信号的三角脉冲；

TVG截止时刻确定过程为：（1）如果检测到两个三角脉冲，则首先对比两个三角脉冲的起始时刻是否满足倍数关系；如果满足且时刻靠前的三角脉冲能量高、三角脉冲的脉宽大于等于2倍的发射脉宽，则前三角脉冲的终点为TVG截止时刻；如果不满足或虽然满足但前三角脉冲的能量低则直接将后三角脉冲终点为TVG截止时刻；若满足倍数关系且前三角脉冲能量高，但前三角脉冲宽度小于2倍的发射脉宽，且后三角脉冲的脉宽大于等于2倍的发射脉宽，则将后三角脉冲的终点为TVG截止时刻；（2）如果检测到一个三角脉冲，则需判断三角脉冲的脉宽是否大于2倍的发射脉宽，若大于则此三角脉冲终点为TVG截止时刻。

进一步的，所述对于TVG截止时刻所在的邻域时间范围内的任意一个时刻，在多波束地形声呐回波信号上截取所述时刻之前的信号分段，具体的获取方法为：

根据获取的多次的多波束地形声纳信号中的TVG截止时刻，以所有截至时刻的方差作为时刻范围阈值；

对于同一位置的第次多波束地形声呐回波信号，多波束地形声呐回波信号的TVG截止时刻记为/>，将时刻范围/>记为第/>次多波束地形声呐回波信号的截止时刻所在的邻域时间范围；

对于多波束地形声呐回波信号的截止时刻所在的邻域时间范围内的任意一个时刻，在多波束地形声呐回波信号截取所述时刻之前的信号分段。

进一步的，所述获得任意两个多波束地形声呐回波信号的前分段信号在所述时刻的相似性，具体的获取方法为：

其中，表示目标多波束地形声呐回波信号的前分段信号与第/>次多波束地形声呐回波信号的前分段信号的相似性，/>表示目标多波束地形声呐回波信号的前分段信号，/>表示第/>次多波束地形声呐回波信号的前分段信号，/>表示/>和/>通过DTW算法获取的匹配点对的数量，/>表示第/>对匹配点对之间的时刻-能量信号上的能量值差值的绝对值，/>表示在时刻-能量信号上的所有匹配点对之间的能量值差值的绝对值的最大值，/>表示在所述时刻的多波束地形声呐回波信号上的第/>对匹配点对之间的幅值差值的绝对值，/>表示以自然常数为底的指数函数。

进一步的，所述获得目标多波束地形声呐回波信号的第二分段信号的本征模态分量的综合共性度，具体的获取方法为：

获取同一位置的任意一多波束地形声呐回波信号的第二分段信号的本征模态分量极值点的有效程度；根据极值点的有效程度获取多波束地形声呐回波信号的第二分段信号的本征模态分量的有效的极值点；

根据目标多波束地形声呐回波信号的第二分段信号的本征模态分量的有效的极值点获取极值点趋势分布曲线；

根据极值点趋势分布曲线的相似性来获取任意两个本征模态分量的共性度；根据多波束地形声呐回波信号的不同本征模态分量的共性度获取本征模态分量的综合共性度。

进一步的，所述获取同一位置的任意一多波束地形声呐回波信号的第二分段信号的本征模态分量极值点的有效程度，具体的获取方法为：

所述有效程度包括本征模态分量中极大值点的有效程度或极小值点的有效程度；

对于第次多波束地形声呐回波信号的第/>个本征模态分量为/>的第/>个极大值点的有效程度/>，其计算方法为：

其中，表示目标多波束地形声呐回波信号的第二分段信号中第/>个极大值点所在三角脉冲的面积，/>表示去除第/>个极大值点后，目标多波束地形声呐回波信号的第二分段信号中所在三角脉冲的面积；

获取第次多波束地形声呐回波信号的第二分段信号的本征模态分量中的极小值点的有效程度。

进一步的，所述根据目标多波束地形声呐回波信号的第二分段信号的本征模态分量的有效的极值点获取极值点趋势分布曲线，具体的获取方法为：

预设有效程度阈值，若极值点的有效程度大于有效程度阈值，则表明该极值点为有效的极值点，所有有效的极值点包括本征模态分量中的有效的极大值点或有效的极小值点；

对于多波束地形声呐回波信号第二分段信号的本征模态分量，将相邻的有效的极大值点进行相连得到趋势分布，记为极大值趋势分布，同样将相邻的有效极小值点进行相连得到趋势分布，记为极小值趋势分布；

通过不断的增加极大值趋势分布中的有效极大值点的数量，以及极小值趋势分布中的有效极小值点的数量，比较两次多波束地形声呐回波信号的第二分段信号的本征模态分量的趋势分布的相似性变化获取极大值趋势分布相似性变化曲线和极小值分布相似性变化曲线；

根据任意两个不同多波束地形声纳信号的第二分段信号的本征模态分量之间的不同有效极值点的数量下的趋势分布曲线之间的DTW距离来获取趋势分布相似性，其中趋势分布相似性包括极大值趋势分布相似性以及极小值趋势分布相似性。

进一步的，所述根据极值点趋势分布曲线的相似性来获取任意两个本征模态分量的共性度，具体的获取方法为：

根据目标多波束地形声呐回波信号与第次波束地形声呐信号的前分段信号的相似性值与波动基准阈值获取相似性波动基准；

计算任意两次多波束地形声呐回波信号的第二分段信号的本征模态分量的共性度，其中两个本征模态分量的共性度的计算方法为：

其中，表示目标多波束地形声呐回波信号的第二分段信号第/>个本征模态分量，/>表示第/>次多波束地形声呐回波信号的第二分段信号第/>个本征模态分量，表示目标多波束地形声呐回波信号的第二分段信号第/>个本征模态分量与第/>次多波束地形声呐回波信号的第二分段信号第/>个本征模态分量的极大值趋势分布相似性， 表示目标多波束地形声呐回波信号的第二分段信号第/>个本征模态分量与第/>次多波束地形声呐回波信号的第二分段信号第/>个本征模态分量的极小值趋势分布相似性，/>表示第/>次多波束地形声呐回波信号的前分段信号与第/>次多波束地形声呐回波信号的前分段信号之间的相似性波动基准，/>表示取最大值函数。

进一步的，所述根据本征模态分量的综合共性度获取重构后的多波束地形声呐回波信号，根据重构后的多波束地形声呐回波信号进行时变增益控制，具体的获取方法为：

将本征模态分量的值乘以该本征模态分量对应的归一化后的综合共性度值进行EMD重构，进而重构后的多波束地形声呐回波信号；

根据重构后的多波束地形声呐回波信号构建TVG控制幅度曲线，获取多波束地形声呐的时变增益控制函数，利用时变增益控制函数对多波束地形声呐回波信号进行时变增益控制。

本发明的技术方案的有益效果是：本发明通过对采集的同一个位置的多次多波束地形声呐回波信号进行自适应EMD重构来获取准确的多波束地形声呐回波信号，进行时变增益控制曲线的获取，达到精准TVG增益控制。利用幅度-能量转换方法获取多波束地形声呐回波信号的时刻-能量信号，并根据底回波散射理论获取底回波能量脉冲的宽度，并根据多波束地形声呐回波信号的时刻-能量信号和底回波能量脉冲的宽度，确定每次的多波束地形声呐回波信号的TVG截止时刻。根据任意两次多波束地形声呐回波信号的前分段信号获得任意两个多波束地形声呐回波信号的前分段信号在所述时刻的相似性，获取多波束地形声呐回波信号的最优截止时刻，进而在多波束地形声呐回波信号上截取最优截止时刻之后的信号分段，并对分段信号进行EMD分解得到多个本征模态分量，获取本征模态分量的综合共性度，进而获取重构后的多波束地形声呐回波信号。避免了在获取时变增益控制曲线的过程中受到包括增益控制延迟、噪声等多种因素的干扰，保留了很多有用的地形信息，进而在对TVG增益控制，实现精准控制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的一种多波束地形声呐回波的时变增益控制方法的步骤流程图；

图2为本发明的一种多波束地形声呐回波的时刻-幅值信号；

图3为本发明的一种多波束地形声呐回波的时刻-能量信号；

图4为本发明的换能器接收级随距离变化曲线；

图5为本发明的多波束地形声呐的时变增益控制函数曲线示意图。

具体实施方式

为了更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种多波束地形声呐回波的时变增益控制方法，其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下。在下述说明中，不同的“一个实施例”或“另一个实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构或特点可由任何合适形式组合。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。

下面结合附图具体的说明本发明所提供的一种多波束地形声呐回波的时变增益控制方法的具体方案。

实施例一：

请参阅图1，其示出了本发明一个实施例提供的一种多波束地形声呐回波的时变增益控制方法的步骤流程图，该方法包括以下步骤：

S001．获取同一个位置的多次的多波束地形声呐回波信号，利用幅度-能量转换方法获取多波束地形声呐回波信号的时刻-能量信号。

本实施例的目的是根据获取的同一个位置的多次的多波束地形声呐回波信号，并利用幅度-能量转换方法获取接收回波的分段信号数据，确定施加TVG控制的回波范围，再采用声波衰减的逆向规律确定TVG控制幅度曲线，因此需要获取多波束地形声呐回波信号，并对回波信号进行小波阈值去噪处理来滤除信号中的噪声信号，同时采用幅度-能量转换方法获取接收多波束地形声呐回波信号。

具体的，本实施例中获取的同一个位置的多次的多波束地形声呐回波信号，将多波束地形声呐回波信号均等划分为个分段，每个分段的发射脉冲的时宽记为/>，通过分段内的能量积分函数将时刻-幅度信号转换为时刻-能量信号。以第/>个分段的回波信号为例，该分段信号的时刻-能量信号/>的计算方法为：

其中，表示第/>个分段的回波信号的时刻起点，/>表示发射脉冲的时宽大小，/>表示第/>时刻的回波信号，/>表示共轭复数，/>表示预设分段个数，本实施例分段个数采用10进行叙述。相对于时刻-幅度信号/>，时刻-能量信号/>中多波束地形声呐回波信号以较为规则的三角脉冲形式呈现。幅度-能量转换不仅可以使TVG截止时刻的检测变得简单，而且可以抑制弱信号和噪声的干扰。其中，回波的各个分段之间可以有重叠且重叠的时长可根据接收机的计算能力进行优化。重叠的时长越长则时刻-能量曲线的精细度越高，但是计算量较大，而且TVG控制方法很容易存在增益控制延迟，从而造成其重叠部分的信号更加复杂。

图2示出了多波束地形声呐回波信号，图3表示的是图2中的多波束地形声呐回波信号转换成的时刻-能量信号；

S002．获取底回波能量脉冲的宽度，根据多波束地形声呐回波信号的时刻-能量信号和底回波能量脉冲的宽度，确定每次的多波束地形声呐回波信号的TVG截止时刻。

需要说明的是，幅度-能量信号中幅度最大的三角脉冲的终点即为TVG截止时刻，但实际回波中往往存在水下强散射目标信号，造成能量脉冲的幅度经常会超过底回波，进而导致TVG截止时刻判断错误，因此本实施例中根据底回波散射理论获取底回波能量脉冲的宽度，并利用至多2个三角脉冲和底回波能量脉冲特性确定TVG截止时刻。

具体的，根据获取到时刻-能量信号中，首先从时刻-能量信号的尾部开始检测三角脉冲，通过预先设置的阈值，本实施例阈值采用5进行叙述，将时刻-能量信号中大于阈值的波峰，则该波峰为多波束地形声呐回波信号的三角脉冲，如图3，其中显示了两个三角脉冲。

判断检测至多两个三角脉冲即可确定TVG截止时刻，然后根据底回波能量脉冲的宽度来确定TVG截止时刻。根据底回波散射理论，底回波能量脉冲的宽度的计算方法为：

其中，表示发射信号脉宽，/>表示水底的垂直深度，/>表示波束中心与竖直方向的夹角，/>表示波束宽度，/>表示水下声速。其中，底回波能量脉冲宽度由发射脉宽、水底深度、波束倾角、波束宽度等决定。当以上参数确定时，底回波能量脉宽是可预测的。而水下强散射目标的回波能量脉冲时宽通常与底回波存在较明显的差异。

进一步的，TVG截止时刻确定过程为：（1）如果检测到两个三角脉冲（若超过两个，则选取最后两个三角脉冲进行判断），则首先对比它们的起始时刻是否满足倍数关系。如果满足且时刻靠前的三角脉冲能量高、三角脉冲的脉宽脉宽大于2倍的发射脉宽，则前三角脉冲的终点为TVG截止时刻；如果不满足或虽然满足但前三角脉冲的能量低则直接认定后三角脉冲终点为TVG截止时刻。若满足倍数关系且前三角脉冲能量高，但前三角脉冲宽度小于2倍的发射脉宽，且后三角脉冲的脉宽大于等于2倍的发射脉宽，则将后三角脉冲的终点为TVG截止时刻；（2）如果检测到一个三角脉冲，则需判断三角脉冲的脉宽是否大于2倍的发射脉宽，若大于则此三角脉冲终点为TVG截止时刻，否则需要重新调整时刻-能量信号中检测三角脉冲的阈值，本实施例中每次调整后的阈值为前一次设置的阈值减去0.05，并重新进行TVG截止时刻估计。

至此，获得了同一个位置的每次多波束地形声呐回波信号对应的TVG截止时刻。

S003．对获得多波束地形声呐回波信号进行EMD分解，获取若干个IMF分量；对每个IMF分量进行小波阈值去噪，并将去噪后的IMF分量进行重构，获取重构后的得多波束地形声呐回波信号。

S004．根据重构后的多波束地形声呐回波信号进行时变增益控制。

具体的，采用获取的同一个位置的经过重构后的多次多波束地形声呐回波信号以及TVG截止时刻获取多条TVG控制幅度曲线。根据水声传播理论，多波束地形测量的声纳方程可由等式表示，其中该声纳方程为公知技术，在本实施例中不再赘述。其中/>表示换能器接收级，/>表示声源级，/>表示单程传播损失，/>表示目标强度级。/>、/>和/>的计算方法分别为：（1）/>，其中/>表示发射功率，/>表示发射换能器的声学直径，/>表示发射声波的波长；（2）/>，其中，可由Richards和Fisher等的经验公式计算得到。（3）/>，其中/>表示海底介质的面积散射系数，/>表示波束宽度。将上述三式带入声呐方程中，并把与传播距离无关的项目合并，得到接收换能器的接收级/>的计算方法为：

其中，表示测量距离，/>表示声波在水中的衰减系数，/>表示所有与传播距离无关求和项的合并项且/>，其中/>表示发射功率，/>表示发射换能器的声学直径，/>表示发射声波的波长，/>表示海底介质的面积散射系数，/>表示波束宽度。

进一步的，声呐接收换能器的接收灵敏度记为，其中接收灵敏度是在声呐接收换能器出厂时检测出来的一个指标参数，用来表示声呐接收换能器对多波束地形声呐回波信号的灵敏程度，则/>与换能器输出端电压/>的关系公式为：

其中，表示换能器接收级，/>表示声呐接收换能器的接收灵敏度。

进一步的，多波束地形声呐的时变增益控制（Time-Varied Gain, TVG）函数为，其计算方法为：

其中，表示换能器输出端电压，/>表示接收机电路系统允许的最大输入电压峰峰值。

利用多波束地形声呐的时变增益控制函数实现多波束地形声呐的时变增益控制。

实施例二：

在实施例一的基础上，针对实施例一中的步骤S003，本实施例提供一种多波束地形声呐回波信号的重构方法，具体如下：

需要说明的是，对于同一个位置的多次多波束地形声呐回波信号，根据声波在水下衰减的逆规律确定TVG控制幅度曲线。经研究发现，发射声波在水中传播时，近距离按对数规律衰减，中远距离按线性规律衰减。对于一个已经确定工作参数（包括发射功率、接收机带宽、换能器尺寸、换能器指向性、发射脉宽等）的多波束地形声呐，对其回波进行TVG控制时应采用近距离按对数规律、远距离按线性规律的策略。

进一步需要说明的是，影响多波束地形声呐回波信号的回波强度与多个因素有关，包括发射功率、传播损失和目标强度，同时由于在增益的过程中，存在增益控制延迟，并且其声呐信号中的噪声也会被放大，造成其转换后的重叠信号中包含有过多的容易干扰信号，因此会造成实时采集的多波束地形声呐回波信号中受到多种因素的干扰。本实施例中通过EMD分解算法，将多波束地形声呐回波信号分解为多个本征模态分量。在采集的同一个位置的多次多波束地形声呐回波信号，在截止时刻前的多波束地形声呐回波信号分布具有一定的相似性，同时其相应的控制增益同样具有一定的相似性，并且在所有的本征模态分量中表征其原本的地形信息的本征模态分量之间具有一定的相似性，因此本实施例中根据多次多波束地形声呐回波信号的相似性，来获取本征模态分量之间的相似性基准并结合本征模态分量的有效极值点的分布来获取本征模态分量之间的共性度，进而获取本征模态分量的综合共性度。根据本征模态分量之间的综合共性度来进行EMD重构，保证在构建增益控制延迟损失模型时使用的为准确的排除多种干扰下的多波束地形声呐回波信号。

具体的，根据获取的同一个位置的多次多波束地形声呐回波信号进行相似性分析。在计算同一个位置的多次多波束地形声呐回波信号的多个本征模态分量之间的相似性时，根据获取的多次的多波束地形声纳信号中的TVG截止时刻，以这些截至时刻的方差作为时刻范围阈值（该值四舍五入取整）。

将第次多波束地形声呐回波信号记为目标多波束地形声呐回波信号，多波束地形声呐回波信号的TVG截止时刻记为/>，将时刻范围/>记为目标多波束地形声呐回波信号的截止时刻所在的邻域时间范围。在同一个位置的多次多波束地形声呐回波信号的截止时刻的时刻范围内进行遍历，计算每次遍历下的多次多波束地形声呐回波信号之间的相似性，其中遍历的过程为：

依次遍历上述截止时刻所在的邻域时间范围内的所有时刻，任意一次所遍历到时刻会将多波束地形声呐回波信号分割为两段，这两段中时刻小的分段记为第次多波束地形声呐回波信号的前分段信号。

同理获得除第次之外的其它次波束地形声呐信号的前分段信号；

其中对目标多波束地形声呐回波信号与第次波束地形声呐信号的前分段信号利用动态时间规整算法（Dynamic Time Warping，DTW）进行匹配得到若干匹配点对，进而计算第/>次多波束地形声呐回波信号与第/>次波束地形声呐信号的前分段信号的相似性，其计算方法为：

其中，表示目标多波束地形声呐回波信号的前分段信号与第/>次多波束地形声呐回波信号的前分段信号的相似性，/>表示目标多波束地形声呐回波信号的前分段信号，/>表示第/>次多波束地形声呐回波信号的前分段信号，/>表示/>和/>通过DTW算法获取的匹配点对的数量配点对的数量，/>表示第/>对匹配点对之间的时刻-能量信号上的能量值差值的绝对值，/>表示在时刻-能量信号上的所有匹配点对之间的能量值差值的绝对值的最大值，/> 在所述时刻的多波束地形声呐回波信号上的第/>对匹配点对之间的幅值差值的绝对值，/>表示以自然常数为底的指数函数，本实施例通过函数来呈现反比例关系及归一化处理，实施者可根据实际情况设置反比例函数及归一化函数。其中，在经过DTW算法匹配之后的匹配点对，其幅值的变化容易受到噪声和其他因素的干扰，因此本实施例中通过以/>来表征在能量值分布上的差异，若匹配点对的能量值差异较大，则表明该匹配点对之间在计算相似性时所使用的幅值差异的权重值越小；若匹配点对的幅值差异越小，则表明匹配点对之间越相近，目标多波束地形声呐回波信号的前分段信号与第/>次多波束地形声呐回波信号的前分段信号的相似性之间的相似性越大。

至此，通过对目标多波束地形声呐回波信号的截止时刻所在的邻域时间范围内的时刻进行遍历，每次遍历后即可获得目标多波束地形声呐回波信号与第次波束地形声呐信号的前分段信号之间的相似性；那么在所有次遍历后，得到了若干个相似性，记为第/>次多波束地形声呐回波信号与第/>次波束地形声呐信号的相似性集合；

同理获得目标多波束地形声呐回波信号与其它所有次波束地形声呐信号的相似性集合，这些相似性集合中获取最大相似性对应的时刻记为目标多波束地形声呐回波信号的最优截止时刻。

进一步的，在目标多波束地形声呐回波信号上截取最优截止时刻之后的信号分段，记作目标多波束地形声呐回波信号的第二分段信号。对所有多波束地声呐信号的第二分段信号进行EMD分解得到多个本征模态分量，其中EMD分解为公知技术，在本实施例中不再赘述，记目标多波束地形声呐回波信号的第二分段信号第个本征模态分量为/>，其中每个本征模态分量表示的为不同频率下的信息干扰，包括增益控制延迟、噪声干扰等。其中根据计算得到的最优时刻时所获取的多波束地形声呐回波信号之间的相似性表征为之后信号的增益控制的相似性基准，因此在相似性基准下本实施中计算两两多波束地声呐信号的第二分段信号之间的本征模态分量之间的共性度。其中目标多波束地形声呐回波信号的第二分段信号第/>个本征模态分量为/>的第/>个极大值点的有效程度/>的计算方法为：

其中，表示目标多波束地形声呐回波信号的第二分段信号中第/>个极大值点所在三角脉冲的面积，/>表示去除第/>个极大值点后，目标多波束地形声呐回波信号的第二分段信号中所在三角脉冲的面积。若去除该极大值点后，在时刻-能量信号中脉冲发生较大的变化，则表明该极大值点的有效程度越大。按照上述方法获取目标多波束地形声呐回波信号的第二分段信号第/>个本征模态分量为/>的所有极大值点和极小值点的有效程度，以及其他多波束地形声纳信号的第二分段信号的本征模态分量的所有极大值点和极小值点的有效程度。

进一步的，本实施例中预先设置极值点的有效程度阈值，本实施例有效程度阈值采用0.5进行叙述，若极值点的有效程度大于该阈值，则表明该极值点为有效的极值点，是用于构建趋势分布的极值点。其中构建极值点趋势分布曲线的过程为：

从左到右相邻的两个极大值点相连构成一个极大值趋势分布，相邻的三个极大值点相连也构成一个极大值趋势分布，相邻的四个极大值点相连也构成一个极大值趋势分布，依次类推，不断的增加极大值趋势分布中的有效极大值点的数量，得到每个有效极大值点的数量下的极大值趋势分布曲线；同理获得每个有效极值点的数量下的极小值趋势分布曲线。其中极值点趋势分布曲线的横坐标为有效极值点的数量，纵坐标为趋势分布相似性，趋势分布相似性采用两个不同多波束地形声纳信号的第二分段信号的本征模态分量之间的相同有效极值点的数量下的趋势分布曲线之间的DTW距离记为，将/>记为极值点的趋势分布相似性。

其中本案预先设置的波动基准阈值，本实施例波动基准阈值采用0.5进行叙述，目标多波束地形声呐回波信号与第次波束地形声呐信号的前分段信号的相似性波动基准为两个前分段信号相似性与波动基准阈值的乘积，记作/>。

进一步的，根据两次多波束地形声呐回波信号的第二分段信号的本征模态分量获取的极值点趋势分布曲线获取两次多波束地形声呐回波信号的第二分段信号的本征模态分量的共性度，以目标多波束地形声呐回波信号的第二分段信号第个本征模态分量为，与第/>次多波束地形声呐回波信号的第二分段信号第/>个本征模态分量/>为例，两个本征模态分量的共性度/>的计算方法为：/>

其中，表示目标多波束地形声呐回波信号的第二分段信号第/>个本征模态分量与第/>次多波束地形声呐回波信号的第二分段信号第/>个本征模态分量的极大值趋势分布相似性，/> 表示目标多波束地形声呐回波信号的第二分段信号第/>个本征模态分量与第/>次多波束地形声呐回波信号的第二分段信号第/>个本征模态分量的极小值趋势分布相似性，/>表示目标多波束地形声呐回波信号的前分段信号与第/>次多波束地形声呐回波信号的前分段信号之间的相似性波动基准，/>表示取最大值函数。其中通过获取不同次多波束地形声呐回波信号的第二分段信号的本征模态分量之间的极大值趋势分布相似性和极小值趋势分布相似性，并结合多波束地形声呐回波信号截止时刻之前的信号的相似性波动基准，若两个之间的差值越大，表明两个本征模态分类含有的共性信息越多，也即共性度越大。按照上述方法，获取其他次多波束地形声呐回波信号的不同本征模态分量的共性度，对于第/>次多波束地形声呐回波信号的第二分段信号第/>个本征模态分量/>，该本征模态分量的综合共性度为所有包含该本征模态分量的组合的共性度的均值。

进一步的，根据多波束地形声呐回波信号的本征模态分量的综合共性度来进行EMD重构，其中在EMD重构的过程中，对该多波束地形声呐回波信号的所有本征模态分量的综合共性度进行函数归一化处理，得到该多波束地形声呐回波信号的每个本征模态分量的归一化后的综合共性度，在EMD重构过程中，将原本的本征模态分量的值乘以该本征模态分量对应的归一化后的综合共性度值得到更新后的本征模态分量，根据更新后的本征模态分量进行重构，进而得到重构后的多波束地形声呐回波信号。

实施例三：

在实施例一的基础上，本实施例通过如下示例获得时变增益控制函数。

假设多波束地形声呐的工作频率为600kHz，波束宽度，待测水底介质的面积散射系数/>，海水对声波的衰减系数/>，多波束换能器的接收灵敏度，接收机允许最大输入电压/>，测量深度范围/>，则由计算式/>可得换能器接收级如图4所示。再由公式计算出多波束地形声呐的时变增益控制函数曲线如图5所示。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多波束地形声呐回波的时变增益控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

获取同一个位置的多次的多波束地形声呐回波信号，利用幅度-能量转换方法获取多波束地形声呐回波信号的时刻-能量信号；

获取底回波能量脉冲的宽度，根据多波束地形声呐回波信号的时刻-能量信号和底回波能量脉冲的宽度，确定每次的多波束地形声呐回波信号的TVG截止时刻；

对于TVG截止时刻所在的邻域时间范围内的任意一个时刻，在多波束地形声呐回波信号上截取所述时刻之前的信号分段，记为多波束地形声呐回波信号在所述时刻的前分段信号；

根据任意两次多波束地形声呐回波信号的前分段信号获得任意两个多波束地形声呐回波信号的前分段信号在所述时刻的相似性；

将任意一次多波束地形声呐回波信号记为目标多波束地形声呐回波信号；获取目标多波束地形声呐回波信号与其他所有多波束在所有时刻的相似性的最大值，所述最大值对应的时刻记为目标多波束地形声呐回波信号的最优截止时刻；所述所有时刻是指包含在所述邻域时间范围内的所有时刻；

在目标多波束地形声呐回波信号上截取最优截止时刻之后的信号分段，记作目标多波束地形声呐回波信号的第二分段信号，对第二分段信号进行EMD分解得到多个本征模态分量；

根据目标多波束地形声呐回波信号与其他次的多波束地形声呐回波信号的第二分段信号的本征模态分量获得目标多波束地形声呐回波信号的第二分段信号的本征模态分量的综合共性度；

根据本征模态分量的综合共性度获取重构后的多波束地形声呐回波信号，根据重构后的多波束地形声呐回波信号进行时变增益控制。

2.根据权利要求1所述的一种多波束地形声呐回波的时变增益控制方法，其特征在于，所述利用幅度-能量转换方法获取多波束地形声呐回波信号的时刻-能量信号，包括的具体步骤如下：

获取的同一个位置的多次的多波束地形声呐回波信号，将多波束地形声呐回波信号均等划分为个分段，对于第/>个分段的回波信号，该分段信号的时刻-能量信号/>的计算方法为：

其中，表示第/>个分段的回波信号的时刻起点，/>表示发射脉冲的时宽大小，/>表示第/>时刻的回波信号，/>表示共轭复数，/>表示预设分段个数。

3.根据权利要求1所述的一种多波束地形声呐回波的时变增益控制方法，其特征在于，所述获取底回波能量脉冲的宽度，根据多波束地形声呐回波信号的时刻-能量信号和底回波能量脉冲的宽度，确定每次的多波束地形声呐回波信号的TVG截止时刻，包括的具体步骤如下：

根据底回波散射理论，底回波能量脉冲的宽度的计算方法为：

其中，表示发射信号脉宽，/>表示水底的垂直深度，/>表示波束中心与竖直方向的夹角，/>表示波束宽度，/>表示水下声速；

从多波束地形声呐回波信号的时刻-能量信号尾部开始，根据预先设置的阈值检测多波束地形声呐回波信号的三角脉冲；

TVG截止时刻确定过程为：（1）如果检测到两个三角脉冲，则首先对比两个三角脉冲的起始时刻是否满足倍数关系；如果满足且时刻靠前的三角脉冲能量高、三角脉冲的脉宽大于等于2倍的发射脉宽，则前三角脉冲的终点为TVG截止时刻；如果不满足或虽然满足但前三角脉冲的能量低则直接将后三角脉冲终点为TVG截止时刻；若满足倍数关系且前三角脉冲能量高，但前三角脉冲宽度小于2倍的发射脉宽，且后三角脉冲的脉宽大于等于2倍的发射脉宽，则将后三角脉冲的终点为TVG截止时刻；（2）如果检测到一个三角脉冲，则需判断三角脉冲的脉宽是否大于2倍的发射脉宽，若大于则此三角脉冲终点为TVG截止时刻。

4.根据权利要求1所述的一种多波束地形声呐回波的时变增益控制方法，其特征在于，所述对于TVG截止时刻所在的邻域时间范围内的任意一个时刻，在多波束地形声呐回波信号上截取所述时刻之前的信号分段，包括的具体步骤如下：

根据获取的多次的多波束地形声纳信号中的TVG截止时刻，以所有截至时刻的方差作为时刻范围阈值；

对于同一位置的第次多波束地形声呐回波信号，多波束地形声呐回波信号的TVG截止时刻记为/>，将时刻范围/>记为第/>次多波束地形声呐回波信号的截止时刻所在的邻域时间范围；

对于多波束地形声呐回波信号的截止时刻所在的邻域时间范围内的任意一个时刻，在多波束地形声呐回波信号截取所述时刻之前的信号分段。

5.根据权利要求1所述的一种多波束地形声呐回波的时变增益控制方法，其特征在于，所述获得任意两个多波束地形声呐回波信号的前分段信号在所述时刻的相似性，包括的具体步骤如下：

其中，表示目标多波束地形声呐回波信号的前分段信号与第/>次多波束地形声呐回波信号的前分段信号的相似性，/>表示目标多波束地形声呐回波信号的前分段信号，/>表示第/>次多波束地形声呐回波信号的前分段信号，/>表示/>和/>通过DTW算法获取的匹配点对的数量，/>表示第/>对匹配点对之间的时刻-能量信号上的能量值差值的绝对值，/>表示在时刻-能量信号上的所有匹配点对之间的能量值差值的绝对值的最大值，/>表示在所述时刻的多波束地形声呐回波信号上的第/>对匹配点对之间的幅值差值的绝对值，/>表示以自然常数为底的指数函数。

6.根据权利要求1所述的一种多波束地形声呐回波的时变增益控制方法，其特征在于，所述获得目标多波束地形声呐回波信号的第二分段信号的本征模态分量的综合共性度，包括的具体步骤如下：

获取同一位置的任意一多波束地形声呐回波信号的第二分段信号的本征模态分量极值点的有效程度；根据极值点的有效程度获取多波束地形声呐回波信号的第二分段信号的本征模态分量的有效的极值点；

根据目标多波束地形声呐回波信号的第二分段信号的本征模态分量的有效的极值点获取极值点趋势分布曲线；

根据极值点趋势分布曲线的相似性来获取任意两个本征模态分量的共性度；根据多波束地形声呐回波信号的不同本征模态分量的共性度获取本征模态分量的综合共性度。

7.根据权利要求6所述的一种多波束地形声呐回波的时变增益控制方法，其特征在于，所述获取同一位置的任意一多波束地形声呐回波信号的第二分段信号的本征模态分量极值点的有效程度，包括的具体步骤如下：

所述有效程度包括本征模态分量中极大值点的有效程度或极小值点的有效程度；

对于第次多波束地形声呐回波信号的第/>个本征模态分量为/>的第/>个极大值点的有效程度/>，其计算方法为：

其中，表示目标多波束地形声呐回波信号的第二分段信号中第/>个极大值点所在三角脉冲的面积，/>表示去除第/>个极大值点后，目标多波束地形声呐回波信号的第二分段信号中所在三角脉冲的面积；

获取第次多波束地形声呐回波信号的第二分段信号的本征模态分量中的极小值点的有效程度。

8.根据权利要求6所述的一种多波束地形声呐回波的时变增益控制方法，其特征在于，所述根据目标多波束地形声呐回波信号的第二分段信号的本征模态分量的有效的极值点获取极值点趋势分布曲线，包括的具体步骤如下：

预设有效程度阈值，若极值点的有效程度大于有效程度阈值，则该极值点为有效的极值点，所有有效的极值点包括本征模态分量中的有效的极大值点或有效的极小值点；

对于多波束地形声呐回波信号第二分段信号的本征模态分量，将相邻的有效的极大值点进行相连得到趋势分布，记为极大值趋势分布，同样将相邻的有效极小值点进行相连得到趋势分布，记为极小值趋势分布；

通过不断的增加极大值趋势分布中的有效极大值点的数量，以及极小值趋势分布中的有效极小值点的数量，比较两次多波束地形声呐回波信号的第二分段信号的本征模态分量的趋势分布的相似性变化获取极大值趋势分布相似性变化曲线和极小值分布相似性变化曲线；

根据任意两个不同多波束地形声纳信号的第二分段信号的本征模态分量之间的不同有效极值点的数量下的趋势分布曲线之间的DTW距离来获取趋势分布相似性，其中趋势分布相似性包括极大值趋势分布相似性以及极小值趋势分布相似性。

9.根据权利要求6所述的一种多波束地形声呐回波的时变增益控制方法，其特征在于，所述根据极值点趋势分布曲线的相似性来获取任意两个本征模态分量的共性度，包括的具体步骤如下：

根据目标多波束地形声呐回波信号与第次波束地形声呐信号的前分段信号的相似性值与波动基准阈值获取相似性波动基准；

计算任意两次多波束地形声呐回波信号的第二分段信号的本征模态分量的共性度，其中两个本征模态分量的共性度的计算方法为：

其中，表示目标多波束地形声呐回波信号的第二分段信号第/>个本征模态分量，表示第/>次多波束地形声呐回波信号的第二分段信号第/>个本征模态分量，表示目标多波束地形声呐回波信号的第二分段信号第/>个本征模态分量与第/>次多波束地形声呐回波信号的第二分段信号第/>个本征模态分量的极大值趋势分布相似性，/> 表示目标多波束地形声呐回波信号的第二分段信号第/>个本征模态分量与第/>次多波束地形声呐回波信号的第二分段信号第/>个本征模态分量的极小值趋势分布相似性，/>表示第/>次多波束地形声呐回波信号的前分段信号与第/>次多波束地形声呐回波信号的前分段信号之间的相似性波动基准，/>表示取最大值函数。

10.根据权利要求1所述的一种多波束地形声呐回波的时变增益控制方法，其特征在于，所述根据本征模态分量的综合共性度获取重构后的多波束地形声呐回波信号，根据重构后的多波束地形声呐回波信号进行时变增益控制，包括的具体步骤如下：

将本征模态分量的值乘以该本征模态分量对应的归一化后的综合共性度值进行EMD重构，进而重构后的多波束地形声呐回波信号；

根据重构后的多波束地形声呐回波信号构建TVG控制幅度曲线，获取多波束地形声呐的时变增益控制函数，利用时变增益控制函数对多波束地形声呐回波信号进行时变增益控制。