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
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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
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:
xT(t)=Acos(2π(f0-B0/2)t+Kπt2)
其中,xT(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:
xtep(t)=xT(t).*F(f)
其中,xtep(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*fs],其中,P=[·]表示向下取整运算;Tp为发射信号的时间宽度,fs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fi和fi+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fP,F(fi0)为频率fi0对应的频率幅值,F(fi)为频率fi对应的频率幅值,F(fi+1)为频率fi+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:
xrm(t)=δxT(t-τrm)+n(t)
其中,m=1,2,…,M,M为阵元个数;δ为目标散射强度,τrm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:
ym(t)=xrm(t)*xtep(t)
其中,ym(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ym(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
xT(t)=Acos(2π(f0-B0/2)t+Kπt2)
其中,xT(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Tp,接收信号的采样率为fs,则接收信号的发射头的采样点P=[Tp*fs],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fi和fi+1之间插值,则可以表示为
其中,F(fi0)为频率fi0对应的频率幅值,F(fi)为频率fi对应的频率幅值,F(fi+1)为频率fi+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。
xtep(t)=xT(t).*F(f)
其中,xtep(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
xrm(t)=δxT(t-τrm)+n(t)
其中,δ为目标散射强度,τrm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
ym(t)=xrm(t)*xtep(t)
其中,ym(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ym(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:
xT(t)=Acos(2π(f0-B0/2)t+Kπt2)
其中,xT(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:
xtep(t)=xT(t).*F(f)
其中,xtep(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*fs],其中,P=[·]表示向下取整运算;Tp为发射信号的时间宽度,fs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fi和fi+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fP,F(fi0)为频率fi0对应的频率幅值,F(fi)为频率fi对应的频率幅值,F(fi+1)为频率fi+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:
xrm(t)=δxT(t-τrm)+n(t)
其中,m=1,2,…,M,M为阵元个数;δ为目标散射强度,τrm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:
ym(t)=xrm(t)*xtep(t)
其中,ym(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ym(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。
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