CN102353957A - 一种基于可变带宽滤波器的多波束测深数据处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种基于可变带宽滤波器的多波束测深数据处理方法，包括以下步骤：向水下发射信号，对海底反向散射信号进行带通采样，经过正交变换和低通滤波后，得到通道数为M的多波束复信号，根据深度值计算波束形成角度的各波束的带宽；设计一组阶数相同、截止频率不同的滤波器，作为可变带宽滤波器的子滤波器；选取滤波器的截止频率，产生一组滤波器选择系数；采用以上的滤波器系数和选择系数，对各通道信号进行滤波处理，之后对信号进行波束形成，并通过测深算法得到深度值用于下一个周期的深度初始值。本发明既能够弥补固定带宽滤波器原理上的不足，又具有工程可行性的滤波器可以进一步提高多波束测深***的精度。

Description

一种基于可变带宽滤波器的多波束测深数据处理方法

技术领域

本发明涉及的是一种水下的测深方法。

背景技术

在多波束测深***中，海底回波的信噪比直接影响多波束测深结果的精度。为了提高多波束测深精度必须提高信噪比，对信号进行滤波处理是一种有效手段。

目前国内外的多波束测深***广泛采用固定带宽滤波处理，其方法是：根据发射脉冲的长度选取滤波器的带宽，其不足之处是：由于带宽依赖于波束宽度、海底深度、波束和垂直方向夹角、脉冲宽度等很多因素，来自条带上不同波束方向的海底回波信噪比并不相同，因此固定带宽滤波器的效果并不是最优的。

2004年OCEANS会议中Variable Bandwidth Filter for MultibeamEcho-sounding Bottom Detection一文和2010年ICIA会议Estimation ofMultibeam Phase Difference Using Variable Bandwidth Filter一文提出了采用可变带宽滤波器，其方法是：在波束形成之后，针对不同波束具有不同的带宽，采用可变带宽滤波器对相位差序列进行自适应滤波处理，其不足之处是：由于滤波在波束形成之后进行，计算量很大，难以实时实现并应用于工程实际。

发明内容

本发明的目的在于提供一种既能够弥补固定带宽滤波器原理上的不足，又具有工程可行性的滤波器可以进一步提高多波束测深***的精度的一种基于可变带宽滤波器的多波束测深数据处理方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种基于可变带宽滤波器的多波束测深数据处理方法，其特征是：

(1)向水下发射信号，并对海底反向散射信号进行带通采样，经过正交变换和低通滤波后，得到通道数为M的多波束复信号，在下述信号处理步骤中将对信号进行波束形成，波束形成的角度为θ₁，θ₂，·，θ_n，在测量的第一个周期设置默认深度初始值H，根据深度值H计算波束形成角度为θ₁，θ₂，·，θ_n的各波束的带宽；

(2)由步骤(1)各波束的带宽设计一组阶数相同、截止频率不同的滤波器，作为可变带宽滤波器的子滤波器；

(3)对于每一采样时刻回波到达的波束，根据其中的最大带宽选取滤波器的截止频率，产生一组滤波器选择系数，用来选择不同时刻采用的子滤波器；

(4)采用以上的滤波器系数和选择系数，对各通道信号进行滤波处理，之后对信号进行波束形成，并通过测深算法得到深度值用于下一个周期的深度初始值。

本发明还可以包括：

1、所述的波束角度θ₁，θ₂，·，θ_n的选择满足θ₁，θ₂，·，θ_n对波束形成的角度范围全面覆盖。

2、所述的根据深度值H计算波束形成角度为θ₁，θ₂，·，θ_n的各波束的带宽的方法为：c为声速，τ为脉冲宽度，λ为信号的波长，对于阵列长度为L的均匀直线阵，H为深度，β_i为波束指向为θ_i时的-3dB半波束宽度：

2β_i≈2sin^-1(0.443λ/L)secθ_i    (i＝1，2，·，n)，

t_i为-3dB波束宽度内的回波持续时间：

t_i＝2(cos^-1(θ_i+β_i)-cos^-1(θ_i-β_i))H/c+τ    (i＝1，2，·，n)，

θ_i方向波束输出信号的-3dB带宽Δf_i为：Δf_i＝1/t_i    (i＝1，2，·，n)。

3、所述的设计一组阶数相同、截止频率不同的滤波器的方法为：采用FIR低通滤波器，子滤波器的截止频率f_ci根据各波束的带宽选取f_ci＝k×Δf_i，k为常数，k的范围为1到2之间。

4、所述的产生一组滤波器选择系数的方法为：当前周期的深度近似等于前一周期得到的深度值，对波束角度为θ_i得到其-3dB波束宽度β_i，该波束的回波角度范围为[θ_i-β_i，θ_i+β_i]；回波最先到达的时间为t₁＝2Hcos^-1(θ_i-β_i)/c，最后到达的时间为t₂＝2Hcos^-1(θ_i+β_i)/c+τ，采样频率为f_s，则回波持续的采样点为n₁＝t₁/f_s到n₂＝t₂/f_s；在同一采样时刻的波束有效回波中大的带宽选择滤波器的截止频率，按照时间顺序保存采用的滤波器的编号。

本发明的优势在于：考虑到各波束的回波信号来自于不同的角度，回波的到达时间有先后顺序，比如正下方最先收到回波，而外侧波束方向较晚收到回波，因此在波束形成之前，在时间轴上对不同波束方向的回波到达时间进行划分，对某个时间段采用这个波束方向回波的带宽作为滤波器的截止频率、对另一个时间段采用另一个波束方向回波的带宽作为滤波器的截止频率，…，以此类推，这样既能够达到可变带宽滤波的效果，又可以极大程度的减小计算量。

附图说明

图1为本发明的不同波束角度回波信号的带宽；

图2不同时刻滤波器的截止频率；

图3本发明流程图；

图4信号的频谱；

图5相位差曲线对比。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1～5，为实现本发明所述目的，通过以下技术方案实现：

1.多波束测深***向水下发射信号，并对海底反向散射信号进行带通采样，经过正交变换和低通滤波后，得到通道数为M的多波束复信号，在后续信号处理中将对信号进行波束形成，波束形成的角度为θ₁，θ₂，·，θ_n，在测量的第一个周期设置默认深度初始值H，其后的每一个周期，H由前一周期测量得到，根据深度值H计算波束形成角度为θ₁，θ₂，·，θ_n的各波束的带宽；

2.由各波束的带宽设计一组阶数相同，截止频率不同的滤波器，作为可变带宽滤波器的子滤波器；

3.对于每一采样时刻，有若干个波束的回波到达，根据其中的最大带宽选取滤波器的截止频率，产生一组滤波器选择系数，用来选择不同时刻采用的子滤波器；

4.采用以上的滤波器系数和选择系数，对各通道信号进行滤波处理，之后对信号进行波束形成，并通过测深算法得到深度值H用于下一个周期的处理。

本发明还可以包括：

(1)步骤1中的各波束角度θ₁，θ₂，·，θ_n是根据波束形成的角度范围和进行滤波的精度选择，要满足θ₁，θ₂，·，θ_n对波束形成的角度范围全面覆盖。

(2)步骤1中根据前一周期测得的深度值，求当前周期各波束θ₁，θ₂，·，θ_n的带宽方法如下：

设c为声速，τ为脉冲宽度，λ为信号的波长，对于阵列长度为L的均匀直线阵，H为深度，β_i为波束指向为θ_i时的-3dB半波束宽度：

2β_i≈2sin^-1(0.443λ/L)secθ_i    (i＝1，2，·，n)

t_i为-3dB波束宽度内的回波持续时间：

t_i＝2(cos^-1(θ_i+β_i)-cos^-1(θ_i-β_i))H/c+τ    (i＝1，2，·，n)

θ_i方向波束输出信号的-3dB带宽Δf_i为：Δf_i＝1/t_i    (i＝1，2，·，n)。

(3)步骤2中滤波器的设计方法是：采用FIR低通滤波器，子滤波器的截止频率f_ci根据各波束的带宽选取f_ci＝k×Δf_i，其中k根据环境情况选取。

(4)步骤3中滤波器选择系数按如下步骤计算：

(a)假设深度为渐变的，当前周期的深度近似等于前一周期得到的深度值为H，对波束角度为θ_i，由权利要求2中的计算方法可以得到其-3dB波束宽度β_i，该波束的回波角度范围为[θ_i-β_i，θ_i+β_i]；

(b)回波最先到达的时间为t₁＝2Hcos^-1(θ_i-β_i)/c，最后到达的时间为t₂＝2Hcos^-1(θ_i+β_i)/c+τ，采样频率为f_s，则回波持续的采样点为n₁＝t₁/f_s到n₂＝t₂/f_s；

(c)在同一采样时刻可能有若干个波束都有有效回波，根据其中较大的带宽选择滤波器的截止频率，按照时间顺序保存采用的滤波器的编号。

(5)步骤4中的滤波处理是在波束形成之前进行，每个通道的信号滤波处理相同，在每个时刻根据滤波器选择系数中滤波器的编号，采用相应的滤波器系数与信号进行乘累加，得到滤波后的信号。

多波束测深***采用“T”型组合声学基阵，发射基阵为多元弧阵，接收阵为由80个阵元组成的均匀线阵，声源发射脉冲长度1ms，采样率40kHz。对2009年松花湖试验数据进行处理。

1.由前一周期获得水深H＝58.6米，各波束角度θ₁，θ₂，·，θ_n以进行128点波束形成时的波束角度为例，计算当前周期不同波束角度回波信号的带宽如图1，可见随着波束角度增大，信号带宽减小；

2.设计可变带宽滤波器的子滤波器：以100阶FIR低通滤波器为例，子滤波器的截止频率选取f_ci＝k×Δf_i，以k＝1为例；

3.对于每一采样时刻，有若干个波束的回波到达，根据其中的最大带宽选取滤波器的截止频率，产生一组滤波器选择系数，用来选择不同时刻采用的子滤波器，如图2为不同时刻滤波器的截止频率；

4.采用以上的滤波器系数和选择系数，对各通道信号进行滤波处理，流程图如图3。

对信号进行可变带宽滤波后进行波束形成，形成128个波束，由于在回波角度大的方向信号的持续时间长，而角度小的方向回波持续时间较短，在不同波束有回波的范围内，对信号进行频率分析，图4给出了对每个波束的频谱进行归一化结果。从图中可以看到，正下方的波束带宽最大，大约为1kHz，随着波束角度的增大信号的带宽不断减小，与理论分析结果基本一致。

多波束测深***采用本发明的可变带宽滤波器与采用固定带宽滤波器后的相位差序列对比如图5。固定带宽滤波器的截止频率取发射脉冲长度的倒数，即1kHz。图中(a)、(b)是第124号波束，即波束指向为67.2°的相位差曲线，(c)、(d)是第105号波束，即波束指向为38.7°的相位差曲线。

对比以上结果，经过可变带宽滤波后，相位差序列更加平滑，信号的信噪比有明显改善。

Claims (5)

1.一种基于可变带宽滤波器的多波束测深数据处理方法，其特征是：

(1)向水下发射信号，并对海底反向散射信号进行带通采样，经过正交变换和低通滤波后，得到通道数为M的多波束复信号，在下述信号处理步骤中将对信号进行波束形成，波束形成的角度为θ₁，θ₂，·，θ_n，在测量的第一个周期设置默认深度初始值H，根据深度值H计算波束形成角度为θ₁，θ₂，·，θ_n的各波束的带宽；

(2)由步骤(1)各波束的带宽设计一组阶数相同、截止频率不同的滤波器，作为可变带宽滤波器的子滤波器；

(3)对于每一采样时刻回波到达的波束，根据其中的最大带宽选取滤波器的截止频率，产生一组滤波器选择系数，用来选择不同时刻采用的子滤波器；

(4)采用以上的滤波器系数和选择系数，对各通道信号进行滤波处理，之后对信号进行波束形成，并通过测深算法得到深度值用于下一个周期的深度初始值。

2.根据权利要求1所述的一种基于可变带宽滤波器的多波束测深数据处理方法，其特征是：所述的波束角度θ₁，θ₂，·，θ_n的选择满足θ₁，θ₂，·，θ_n对波束形成的角度范围全面覆盖。

3.根据权利要求2所述的一种基于可变带宽滤波器的多波束测深数据处理方法，其特征是：所述的根据深度值H计算波束形成角度为θ₁，θ₂，·，θ_n的各波束的带宽的方法为：c为声速，τ为脉冲宽度，λ为信号的波长，对于阵列长度为L的均匀直线阵，H为深度，β_i为波束指向为θ_i时的-3dB半波束宽度：

2β_i≈2sin^-1(0.443λ/L)secθ_i    (i＝1，2，·，n)，

t_i为-3dB波束宽度内的回波持续时间：

t_i＝2(cos^-1(θ_i+β_i)-cos^-1(θ_i-β_i))H/c+τ    (i＝1，2，·，n)，

θ_i方向波束输出信号的-3dB带宽Δf_i为：Δf_i＝1/t_i    (i＝1，2，·，n)。

4.根据权利要求3所述的一种基于可变带宽滤波器的多波束测深数据处理万法，其特征是：所述的设计一组阶数相同、截止频率不同的滤波器的万法为：采用FIR低通滤波器，子滤波器的截止频率f_ci根据各波束的带宽选取f_ci＝k×Δf_i，k为常数，k的范围为1到2之间。

5.根据权利要求4所述的一种基于可变带宽滤波器的多波束测深数据处理方法，其特征是：所述的产生一组滤波器选择系数的方法为：当前周期的深度近似等于前一周期得到的深度值，对波束角度为θ_i得到其-3dB波束宽度β_i，该波束的回波角度范围为[θ_i-β_i，θ_i+β_i]；回波最先到达的时间为t₁＝2Hcos^-1(θ_i-β_i)/c，最后到达的时间为t₂＝2Hcos^-1(θ_i+β_i)/c+τ，采样频率为f_s，则回波持续的采样点为n₁＝t₁/f_s到n₂＝t₂/f_s；在同一采样时刻的波束有效回波中大的带宽选择滤波器的截止频率，按照时间顺序保存采用的滤波器的编号。

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