CN108318883A - 一种基于全频谱换能器自然加权的距离向计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于全频谱换能器加权的距离向计算方法，基于在中心频率f₀附近具有较高灵敏度的接收换能器实现，所述方法包括：步骤1)将接收换能器的灵敏度曲线作为权重系数，对发射信号在所有频点进行换能器自然加权处理，获得接收信号的匹配模板；步骤2)基于接收信号的匹配模板对接收信号进行匹配相关处理，获得距离向低旁瓣数据。本发明的提出的方法可以计算出高分辨率、低旁瓣的距离向数据，能够增强声成像的清晰度。

Description

一种基于全频谱换能器自然加权的距离向计算方法

技术领域

本发明涉及一种海洋领域的水声信号处理方法，具体涉及一种基于全频谱换能器自然加权的距离向计算方法。

背景技术

近些年，随着海洋声学技术的发展，水声探测和识别技术得到了迅速提高，使得水下探测和识别技术在水中目标探测、石油管道检测、水下航行器避碰等众多军事及国民经济领域得到了广泛的应用。在声纳***中，相比于传统的窄带信号处理，宽带信号含有目标更丰富的信息，因此对高性能的超宽带换能器具有一定的需求。

在实际工程应用中，为了设计大带宽换能器，只是利用换能器频率响应曲线中的-3dB频率宽度作为工作带宽，此类型换能器的频率响应幅值与-3dB频率宽度较窄的换能器相比，最大频率影响幅值低，工作带宽内的频率变化曲线缓慢，品质因数(Q)值较低，造成在声纳***在接收信号处理时，距离向旁瓣电平较高，最终导致声纳图像模糊。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述缺陷，提出了一种基于全频谱换能器自然加权的距离向计算方法，根据工程需求，在高灵敏度换能器的全频带范围内选取合适的***工作带宽，对发射信号进行利用换能器的自然加权，对接收信号进行相关处理，得到接收信号的距离向数据，不仅能够实现距离向的高分辨率，而且能够实现距离向的低旁瓣。该方法不仅能够获得较高的距离分辨率，并且能够获得距离向的低旁瓣，与满足-3dB大带宽相比，大大的降低了换能器制造工艺的复杂度，易于工程实现。

为了实现上述目的，本发明提出了一种基于全频谱换能器自然加权的距离向计算方法，基于在中心频率f₀附近具有较高灵敏度的接收换能器实现，所述方法包括：

步骤1)将接收换能器的灵敏度曲线作为权重系数，对发射信号在所有频点进行换能器自然加权处理，获得接收信号的匹配模板；

步骤2)基于接收信号的匹配模板对接收信号进行匹配相关处理，获得距离向数据。

作为上述方法的一种改进，所述步骤1)具体包括：

步骤1-1)在接收换能器的全频带范围内，选取工作带宽B0；

步骤1-2)基于工作带宽B0将发射信号表示为：

x_T(t)＝Acos(2π(f₀-B₀/2)t+Kπt²)

其中，x_T(t)为发射信号，t为时刻值，K为调频率，A为发射信号的幅度值；

步骤1-3)构造换能器的灵敏度曲线F(f)；

步骤1-4)将灵敏度曲线F(f)作为权重系数与发射信号做点乘运算进行自然加权，获得接收信号的匹配模板：

x_tep(t)＝x_T(t).*F(f)

其中，x_tep(t)为接收信号的匹配模板，.*为点乘运算。

作为上述方法的一种改进，所述步骤1-3)具体包括：

步骤1-3-1)计算接收信号的发射头的采样点P＝[Tp*f_s]，其中，P＝[·]表示向下取整运算；T_p为发射信号的时间宽度，f_s为接收信号的采样率；

步骤1-3-2)对频率曲线单位dB转化为数值之后由F(f)表示频率响应曲线幅值，并进行线性插值处理进行频率曲线平滑，获得P个点的频率响应曲线；

在f_i和f_i+1之间插值，表示为：

其中，接收换能器工作的频率范围内起始频率为f₁，终止频率为f_P，F(f_i0)为频率f_i0对应的频率幅值，F(f_i)为频率f_i对应的频率幅值，F(f_i+1)为频率f_i+1对应的频率幅值，经过线性插值处理获得P个采样点的频率响应曲线为F(f)。

作为上述方法的一种改进，所述步骤2)具体包括：

步骤2-1)接收换能器的第m个接收阵元接收的经过目标散射的回波信号表示为：

x_rm(t)＝δx_T(t-τ_rm)+n(t)

其中，m＝1,2,…,M，M为阵元个数；δ为目标散射强度，τ_rm为目标散射时延，n(t)为加性噪声；

步骤2-2)回波信号与匹配模板进行相关处理后，第m个接收阵元的处理结果表示为：

y_m(t)＝x_rm(t)*x_tep(t)

其中，y_m(t)为第m个阵元匹配相关处理之后得到的信号，*为卷积运算。

步骤2-3)利用数据y_m(t)的时间信息t，根据距离与时间的关系r＝ct/2，c为声波传播速度，将时间信息转换为距离向信息数据。

本发明的优势在于：

1、本发明的提出的方法可以计算出高分辨率、低旁瓣的距离向，能够增强声成像的清晰度；

2、本发明的提出方法大大的降低了换能器制作工艺的复杂度，易于工程实现。

附图说明

图1为本发明的基于全频谱换能器加权的距离向计算方法的流程图；

图2为本发明的换能器灵敏度曲线和其工作带宽示意图；

图3为两组换能器灵敏度曲线；

图4为两组接收数据距离向处理结果曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细的说明。

如图1所示，本发明的一种基于全频谱换能器加权的距离向计算方法，所述方法包括以下步骤：

1)根据工程需要的带宽和频率要求，设计出某工作频率的高灵敏度换能器，高灵敏度换能器的特征为在中心频率附近具有较高的接收灵敏度，即中心频率附近的频率响应具有较高的幅值，其频率响应曲线在中心频率附近比较尖锐，其自相关特性曲线具有较窄的主瓣和较低的旁瓣，设计出高品质因数(Q)值的换能器；如图2所示；

2)根据声纳***所要求，在满足距离向分辨率指标的情况下，设计出换能器，距离向分辨率可以表示为：

其中，Δr为距离向分辨率，c为声波传播速度，B为信号带宽。

在设计出的换能器的全频带范围内，选取一定的工作带宽，可以选择灵敏度曲线的-3dB带宽，也可以选择-10dB带宽，甚至可以选择-20dB带宽，这样就可以形成了超工作带宽***，换能器灵敏度曲线示意图如图3所示，实线灵敏度曲线为低Q值灵敏度曲线，虚线为高Q值灵敏度曲线，B0为低Q值灵敏度曲线的-3dB带宽，B1为高Q值灵敏度曲线的-20dB带宽，可以看出B1的带宽远大于B0的带宽，并且所选带宽范围内的灵敏度曲线，高Q值得较陡；

3)对换能器接收的信号进行处理，将换能器的灵敏度曲线作为权重系数，对发射信号在所有频点进行自然加权处理，获得接收信号的匹配模板；

根据步骤2中选择的工作带宽，假设工作带宽选定为B0，换能器的中心频率为f₀，则发射换能器的发射信号可以表示为

x_T(t)＝Acos(2π(f₀-B₀/2)t+Kπt²)

其中，x_T(t)为发射信号，t为时刻值，K为调频率，A为发射信号的幅度值。

换能器以B0为工作带宽，工作的频率范围内起始频率为f₁，终止频率为f₂，换能器的工作频率范围内的频率曲线幅值为F(f)。

发射信号的时间宽度为T_p，接收信号的采样率为f_s，则接收信号的发射头的采样点P＝[Tp*f_s]，其中，P＝[·]表示向下取整运算；为了给发射头信号加权时，发射头信号点数与频率响应曲线点数相同。

灵敏度曲线的单位是dB，频率响应曲线将单位转换为dB值，即是灵敏度曲线，其实是一个参数不同的叫法；对频率曲线单位是dB转化为数值之后由F(f)来表示频率响应曲线幅值，并进行线性插值处理进行频率曲线平滑，获得P点的频率响应曲线，在f_i和f_i+1之间插值，则可以表示为

其中，F(f_i0)为频率f_i0对应的频率幅值，F(f_i)为频率f_i对应的频率幅值，F(f_i+1)为频率f_i+1对应的频率幅值，经过线性插值处理获得P个采样点的频率响应曲线为F(f)。

将频率响应曲线F(f)作为权重系数与发射信号做点乘运算进行自然加权，获得接收信号的匹配模板。

x_tep(t)＝x_T(t).*F(f)

其中，x_tep(t)为接收信号的匹配模板，.*为点乘运算。

4)通过换能器自然加权的发射信号作为接收信号的匹配模板，接收换能器的阵元个数为M，对换能器接收的信号进行匹配相关处理，获得距离向数据；

忽略介质吸收等损失等，第m个接收阵元经过目标散射的回波信号可以表示为

x_rm(t)＝δx_T(t-τ_rm)+n(t)

其中，δ为目标散射强度，τ_rm为目标散射时延，n(t)为加性噪声。

换能器接收的回波信号与匹配模板进行相关处理，第m个接收阵元相关处理结果表示为

y_m(t)＝x_rm(t)*x_tep(t)

其中，y_m(t)为第m个阵元匹配相关处理之后得到的信号，*为卷积运算。

对接收信号进行相关处理，获得y_m(t)(m＝1,2,…,M)，回波信号数据的时间信息t，根据距离与时间的关系r＝ct/2，c为声波传播速度，时间信息可以转换为距离向信息数据，即通过匹配相关处理，获得距离向数据。

5)通过换能器自然加权和相关处理，最终实现距离向高分辨率和距离向低旁瓣图像。

由于高灵敏度换能器在中心频率附近的频率响应曲线，具有尖锐的峰值，其自相关曲线具有较窄的主瓣和较低的旁瓣，即通过对换能器接收信号进行自然加权和匹配相关处理，能够实现距离向数据较窄主瓣，和距离向低旁瓣，最终获得距离向高分辨率和距离向低旁瓣图像。

实施例1

在本实施例中，***工作频率为80kHz，分别设计一组低Q值-3dB宽带换能器，一组高Q值-3dB带宽较窄的换能器，发射信号脉宽为5ms，***要求距离向分辨率为3cm，声速c＝1500m/s。

1)根据***指标需要，利用公式分别设计出低Q值换能器，-3dB宽带换能器的带宽约为30kHz，设计高Q值换能器时，其-3dB带宽基本无考虑。

其中，低Q值换能器的-3dB带宽为32kHz，高Q值换能器的-13dB带宽为60kHz。如图3所示。

2)选择低Q值换能器-3dB内的灵敏度曲线为各个频点的加权系数，选择高Q值换能器-13dB内的灵敏度曲线为各个频点的加权系数，对发射信号分别加权获得两组匹配模板。

3)对两组换能器接收信号，分别利用匹配模板做相关处理获得距离向数据。

由图4的距离向处理结果可知，低Q值换能器处理得到的距离向分辨率为2.4cm，其第一旁瓣电平约为-18dB，而高Q值换能器处理得到的距离向分辨率为1.9cm,而其第一旁瓣电平约为-45dB。

分析可知，选取高Q值的-13dB带宽，充分利用换能器的自然加权特性，可以实现距离向的高分辨率和距离向的低旁瓣。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种基于全频谱换能器加权的距离向计算方法，基于在中心频率f₀附近具有较高灵敏度的接收换能器实现，其特征在于，所述方法包括：

步骤1)将接收换能器的灵敏度曲线作为权重系数，对发射信号在所有频点进行换能器自然加权处理，获得接收信号的匹配模板；

步骤2)基于接收信号的匹配模板对接收信号进行匹配相关处理，获得距离向数据。

2.根据权利要求1所述的基于全频谱换能器加权的距离向计算方法，其特征在于，所述步骤1)具体包括：

步骤1-1)在接收换能器的全频带范围内，选取工作带宽B0；

步骤1-2)基于工作带宽B0将发射信号表示为：

x_T(t)＝Acos(2π(f₀-B₀/2)t+Kπt²)

其中，x_T(t)为发射信号，t为时刻值，K为调频率，A为发射信号的幅度值；

步骤1-3)构造换能器的灵敏度曲线F(f)；

步骤1-4)将灵敏度曲线F(f)作为权重系数与发射信号做点乘运算进行自然加权，获得接收信号的匹配模板：

x_tep(t)＝x_T(t).*F(f)

其中，x_tep(t)为接收信号的匹配模板，.*为点乘运算。

3.根据权利要求2所述的基于全频谱换能器加权的距离向计算方法，其特征在于，所述步骤1-3)具体包括：

步骤1-3-1)计算接收信号的发射头的采样点P＝[Tp*f_s]，其中，P＝[·]表示向下取整运算；T_p为发射信号的时间宽度，f_s为接收信号的采样率；

步骤1-3-2)对频率曲线单位dB转化为数值之后由F(f)表示频率响应曲线幅值，并进行线性插值处理进行频率曲线平滑，获得P个点的频率响应曲线；

在f_i和f_i+1之间插值，表示为：

其中，接收换能器工作的频率范围内起始频率为f₁，终止频率为f_P，F(f_i0)为频率f_i0对应的频率幅值，F(f_i)为频率f_i对应的频率幅值，F(f_i+1)为频率f_i+1对应的频率幅值，经过线性插值处理获得P个采样点的频率响应曲线为F(f)。

4.根据权利要求2所述的基于全频谱换能器加权的距离向计算方法，其特征在于，所述步骤2)具体包括：

步骤2-1)接收换能器的第m个接收阵元接收的经过目标散射的回波信号表示为：

x_rm(t)＝δx_T(t-τ_rm)+n(t)

其中，m＝1,2,…,M，M为阵元个数；δ为目标散射强度，τ_rm为目标散射时延，n(t)为加性噪声；

步骤2-2)回波信号与匹配模板进行相关处理后，第m个接收阵元的处理结果表示为：

y_m(t)＝x_rm(t)*x_tep(t)

其中，y_m(t)为第m个阵元匹配相关处理之后得到的信号，*为卷积运算；

步骤2-3)利用数据y_m(t)的时间信息t，根据距离与时间的关系r＝ct/2，c为声波传播速度，将时间信息转换为距离向信息数据。