CN110716202B - 基于重采样的调频连续波声呐测距方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于重采样的调频连续波声呐测距方法及装置，所述测距方法包括：通过超声信号发生模块产生非线性调频连续电磁波，利用功率放大模块将非线性调频连续电磁波进行功率放大，分别驱动水下超声波发射换能器和气室中超声波发射换能器；分别利用水下接收换能器和气室中接收换能器接收两路返回来的调频连续超声波；接收回来的两路调频连续超声波信号再与原始的激励信号进行混频、带通滤波，得到两路频率不同的窄带信号；以气室中超声波信号为触发信号，对水下超声波信号进行过零采样；对于重新采样后的再做频谱分析，提取出主频，即可换算出水下的被测距离。本发明可以保证声呐测距探测的安全性，提高测距准确性。
Description
技术领域
本发明涉及声呐测距技术领域，尤其涉及调频连续波声呐测距技术领域，具体是指一种可消除调频连续波声呐非线性误差的测距方法，特别适用于水下或水面航器对水下目标距离的高精度主动探测中。
背景技术
随着现代潜艇技术的发展，潜艇的隐身性能显著提高，其辐射噪声级越来越小，现役潜艇探测声呐主要为脉冲式主动声呐。航道测绘中也主要采用脉冲主动声呐，然而其发射脉冲的脉宽较短，对目标的照射时间短，并且要经过一段较长时间才能侦听到回波信号，目标重访率很低。另外传统的脉冲主动声呐安全性较低，被测目标可通过声呐阵列接收声脉冲，再根据不同声呐收到的脉冲信号时间差容易计算出脉冲辐射源的位置。也即，脉冲主动声呐探测目标的同时也容易暴露自身的位置。
为了克服脉冲主动声呐的不足，近年来人们开始将注意力转移到调频连续波声呐，并取得一定进展。调频连续波主动声呐利用连续发射的调频超声信号对目标进行探测，相比于传统脉冲主动声呐具有连续跟踪、处理增益高、抗干扰性能强等优势，是现代反潜战的热点和发展趋势。无论何种原理的声呐，其测距精度是其可靠性的最重要指标，调频连续波激励源的调频非线性是连续波主动声呐测距方法测量误差的主要来源。调频连续波主动声呐虽具有很好的目标重访率，但也容易被敌方潜艇发现，敌方潜艇只需利用按一定拓扑结构排布的接收声呐阵列，通过分析不同位置声呐接收到我方调频连续声波信号的时延可估算出该声波的发射源位置。因而，传统的调频连续波声呐的安全性较差，很少应用到军事领域。
发明内容
针对现有技术的不足，针对激励源调频非线性因素影响连续波主动声呐测距方法测量精度问题及安全性问题，本发明提供了一种基于重采样的调频连续波声呐测距方法及装置，解决了现有技术中的测量精度不足以及安全性不高的问题。
为了实现上述目的，本发明具有如下构成：
该基于重采样的调频连续波声呐测距方法，所述方法采用重采样的调频连续波声呐测距装置实现，所述装置包括水下超声波发射换能器和接收换能器、气室中超声波发射换能器和接收换能器、低压消声气室、超声信号发生模块、功率放大模块、信号采集与处理模块；
所述测距方法包括如下步骤：
(1)通过超声信号发生模块产生非线性调频连续电磁波，利用功率放大模块将非线性调频连续电磁波进行功率放大，分别驱动水下超声波发射换能器和低压消声气室中的气室中超声波发射换能器；
(2)气室中超声波发射换能器发出的调频连续超声波在低压消声气室内传播，而水下超声波发射换能器发出的调频连续超声波则作为声呐测距声波在水下传播，气室中超声波的传播时间远大于水下传播的时间；
(3)分别利用水下超声波接收换能器和低压消声气室中的气室中超声波接收换能器接收两路返回来的调频连续超声波，将超声波信号转化为两路电磁波信号；
(4)利用信号采集与处理模块接收回来的两路调频连续超声回波信号再与原始的调频连续电磁波信号进行混频、带通滤波，得到两路频率不同的窄带信号：气室中超声波窄带信号和水下超声波窄带信号，相同传播距离条件下气室超声回波信号混频滤波后的频率远大于水下超声回波混频滤波信号频率；
(5)以混频滤波后气室中超声波窄带信号为触发信号，对混频滤波后的水下超声波窄带信号进行过零采样；
(6)对于重新采样后的水下超声窄带波信号再做频谱分析，提取出主频，换算出水下的被测距离。
可选地，所述超声信号发生模块产生调频连续电磁波，其频率调制类型为线性扫频或三角波扫频，允许调频存在非线性误差；其频率调制类型也可为任意的非线性调频方式，例如正弦扫频。
可选地，所述气室包括：
以碳素钢等材料制成截面为矩形或圆形的气室主体；
在气室的左侧内壁和中间内壁上装贴消声尖劈；
气室左侧内壁安装超声波发射换能器、超声波接收换能器，并对安装孔密封处理；
气室右侧内壁安装材质为氧化铝(或其他具有较大声阻抗的材料)超声波反射板；
在气室内充以CO2(或其他声速较低的气体)，使其气压控制在较低水平(40kPa以内)。可选地，所述相同传播距离条件下气室中超声波的传播时间远大于水下传播的时间，包括如下步骤：
由于气室内充低压CO2气体，在40kPa条件下CO2气体的声速约为160m/s；
水中超声波的传播速度约为1500m/s；
相同传播距离条件下气室中超声波的传播的时间约为水中超声波传播时间的9倍。
可选地，所述信号采集与处理模块包括前置放大器、高精度数据采集卡和信息处理单元，所述步骤(4)，包括如下步骤：
利用所述前置放大器对两路返回来的超声波转化的两路电磁波信号进行放大；
利用所述高精度数据采集卡对放大后的电磁波信号进行采集并传送到信息处理单元；
利用高精度数据采集卡对原始的调频连续电磁波信号进行采集并传送到信息处理单元；
所述信息处理单元对两路放大后的电磁波信号分别与原始调频连续波电磁波信号进行数字混频，得到两路混频后的信号；
所述信息处理单元对两路混频后的信号进行数字带通滤波，滤除混频信号中的高频分量以及低频干扰。
可选地，所述步骤(5)，包括如下步骤：
为满足奈奎斯特采样定律，气室内超声波的传播时间要至少大于2倍的水下超声波传播时间；
所述信息处理单元提取出混频后气室中超声波窄带信号的每一个零点；
所述信息处理单元计算混频后气室中超声波窄带信号零点之间的平均时间间隔，平均时间间隔的倒数即为过零采样的采样频率；
按照这些零点的序列号从另一路混频滤波后的水下超声波窄带信号提取出相应的数据点；
以从水下超声波窄带信号提取的数据点和所述平均时间间隔为依据重构水下超声波信号。
可选地，所述步骤(6)，包括如下步骤：
对重新采样后的水下超声波信号进行快速傅里叶变换；
计算水下超声波窄带信号的幅频分布；
从水下超声波窄带信号的幅频分布中提取出幅度最强的谱线所对应的频率；
所述幅度最强的谱线所对应的频率与原始调频连续波电磁波信号的平均频率调制速度相除，得到水下超声波信号的时延；
将所述时延与水中声传播速度的乘积得到所测距离。
可选地，所述原始调频连续波电磁波信号的平均频率调制速度，是指调频连续波电磁波信号的频率调制的起始频率与终止频率之差与频率调制的周期之比。
本发明实施例还提供一种基于重采样的调频连续波声呐测距装置，应用于所述基于重采样的调频连续波声呐测距方法，所述装置包括水下超声波发射换能器和接收换能器、气室中超声波发射换能器和接收换能器、低压消声气室、超声信号发生模块、功率放大模块和信号采集与处理模块。
可选地，所述信号采集与处理模块包括前置放大器、高精度数据采集卡和信息处理单元。
可选地，所述气室包括：
以碳素钢等材料制成截面为矩形或圆形的气室主体；
在气室的左侧内壁和中间内壁上装贴消声尖劈；
气室左侧内壁安装超声波发射换能器、超声波接收换能器，并对安装孔密封处理；
气室右侧内壁安装材质为氧化铝(或其他具有较大声阻抗的材料)超声波反射板；
在气室内充以CO2(或其他声速较低的气体)，使其气压控制在较低水平(40kPa以内)。
采用了本发明的测距方法和装置，可以实现高精度的水下目标距离测量，包括实现对潜艇等水下航器、海床、航道深度等目标的探测。本发明所述测距方法和装置，能够实现调频连续波声呐测距中调制源非线性误差的修正，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明一实施例的基于重采样的调频连续波声呐测距装置的结构示意图；
图2为本发明一实施例的基于重采样的调频连续波声呐测距装置中低压消声气室的结构示意图；其中：M为低压消声气室，M1为超声波接收换能器，M2为超声波发射换能器，M3为参考声波，M4为消声尖劈，M5为声波反射板；
图3为本发明一实施例的基于重采样的调频连续波声呐测距方法的流程图；
图4a和图4b分别为混频滤波后水下超声波回波仿真信号时域和频域分布；
图4c和图4d分别为混频滤波后消声气室中超声波回波仿真信号；
图5a和图5b为重采样后的水下超声波回波仿真信号的时域和频域分布。
具体实施方式
为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。
为了解决现有技术中的技术问题，本发明提供了一种基于重采样的调频连续波声呐测距方法及装置。如图1所示为本发明所述调频连续波声呐测距装置的***原理构成示意图。图2所示为所述调频连续波声呐测距装置中低压消声气室的结构示意图，低压消声气室用于尽可能降低参考声波的传播速率：其中消声尖劈(可用海绵等吸声材料制作)用于消除杂散声波的反射；声波反射板用声阻抗较大的材料制作而成(例如氧化铝)用于尽可能将入射的超声波完全反射回去；气室中充有压强较低的CO2气体(也可以是其他声速较低的气体)，在低压的CO2气体中声传播速度可控制在150m/s以下；低压消声气室可使声速与水中的声速差异最大化，使参考声波尽可能多的获得传播延时。气体中的声速计算公式如下：
式中，c为声速，p为压强，k为气体的比热比，ρ为气体的密度。对于CO2气体来说比热比约为1.29，密度约为1.98kg/m3，假设压强p为30kPa，则此时CO2气体的声速c约为140m/s。
如图3所示，为本发明的基于重采样的调频连续波声呐测距方法的流程图。其测量过程简述如下：
首先利用超声信号发生模块输出调频连续波并使其调频存在非线性；
利用功率放大器对所述调频连续波进行放大，然后分别驱动水下超声波发射换能器和气室中超声波发射换能器，水下超声波发射换能器发出的超声波作为声呐测量声波，气室中的发射换能器发出的超声波则作为参考声波；
声呐测量声波经被测目标反射后被水下接收换能器接收，水下接收换能器将测量超声波信号转换为第一超声波电信号；气室中的参考声波经声波反射板的反射后被气室中接收换能器接收，气室中接收换能器将参考超声波信号转换为第二超声波电信号；
两路超声波电信号都通过前置放大器进行信号幅值的放大；利用信号采集卡采集放大后的两路超声波电信号，并将它们传送给计算机；
在计算机平台下利用专用软件算法对两路超声波电信号做相关数字处理。其处理过程如下：
首先对两路超声波信号分别与超声信号发生模块输出的激励信号进行混频，再进行低通滤波；
然后以处理后的参考声波为触发信号对处理后的测量声波信号进行过零点触发采样；
以处理后参考声波零点的平均时间间隔作为重采样后每个采样点的时间间隔重构测量声波信号；
对重构后的测量声波信号进行FFT变换(快速傅里叶变换)，获得信号的频谱分布；从信号的频谱分布中提取出主频；
根据平均调频速率和测量声波信号主频计算出被测目标的距离。
假设超声信号发生模块发出的非线性调频连续波的调频速率B为：
B＝10000+15000t+1500t2
式中，t为时间。并设超声信号发生模块输出的原始调频激励信号的起始频率为10kHz，也即原始激励信号S0可表示为：
式中，A0为原始激励信号的输出增益系数，
为原始激励信号的初相位。利用功率放大器将该信号的功率放大驱动水下和气室中的超声波发射换能器。
假设气室中超声波的传播时间为τr，水中超声波的传播时间为τm，那么这两路超声波被接收换能器接收，经过前置放大器放大，由信号采集卡采集，再与原始激励信号混频，最后经过低通滤波后，可得到如下两路信号：
式中，t为时间，Sm为经过前述处理后的声呐测量超声波信号，Am和
分别为其增益系数和初相位；Sr为经过前述处理后的参考超声波信号，Ar和
分别为其增益系数和初相位。设被测距离Dm＝1.5m，取水中的声速为1500m/s，此时τm为0.001s；设低压消声气室的腔长为1.4m，消声气室中声速取140m/s，则此时τr为0.01s，满足奈奎斯特采样定律。取两路信号的增益系数Am和Ar均为10，取两路信号的初相位均为0.1π。则两路信号的时域分布和频域分布如图4a～图4d所示。由图4a和图4b可知测量信号在时域上明显疏密分布不均匀，在频域上呈现一定的带宽分布，其主频并不明显，信号的频谱不具有单峰性。因此，我们无法从该信号的频域直接提取信号主频来计算被测距离。图4a和图4b所示测量信号的频谱最大值对应的频率为14Hz，而信号源的平均调频速率为26500Hz/s，若以该频率来求测量信号时延，则计算得其时延为0.00053s，对应被测距离为0.79m，这与预设的值相去甚远。可见由信号源调频的非线性对调频连续波法声呐测距的精度影响极大。
利用图4c和图4d所示参考信号对图4a和图4b所示测量信号进行过零触发采样，并以参考信号零点的平均间隔时间作为采样的时间间隔重构测量信号。如图5a和图5b所示为重构后测量信号的时域分布和频域分布，由其时域分布可知，重构后的信号疏密分布均匀，可以推测其频域具有单峰性，它是一个接近单频信号。而该信号的频谱分布则完全反映了前述推测，该信号具有单峰性，其峰值频率为26Hz，若以该频率来求测量信号时延，则计算得其时延为0.00098s，对应被测距离为1.47m，这与预设的值几乎完全相符；若以该信号频域3dB带宽的中心频率来计算测量信号时延和被测距离，则可与预设值完全相符。可见，本发明所述的声呐测距方法很好的消除了信号源调频非线性所引起的测距误差。
从另一个角度说，在信号源存在非线性调频的前提下，若没有参考声波信号则无法对测量信号进行解调。这对于主动声呐测距来说是有利的，敌方舰艇只能用接收声呐阵列接收到我方的测量声波信号，无法获得参考声波信号，因此在强非线性调频作用下，仅凭测量声波信号无法准确解调出我方信号源的位置。可见，本发明所述声呐测距方法具有很好的探测安全性。
本发明所提供基于重采样的调频连续波声呐测距方法及装置，具有如下有益效果：
采用了本发明的方法和装置可以消除调频连续波声呐信号源调频非线性因素对测距的影响，大幅提高调频连续波主动声呐测距的精度。在信号源人为引入非线性调频的条件下，本发明所述方法和装置可以准确解调出被测目标的距离，而敌方潜艇则因无法获得参考信号而无法估算我方信号源的位置，从而保证声呐探测的安全性，在民用和军用领域都具有非常广阔的应用前景。
在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。
Claims (9)
1.一种基于重采样的调频连续波声呐测距方法，其特征在于，采用调频连续波声呐测距装置，所述调频连续波声呐测距装置包括水下超声波发射换能器和接收换能器、气室中超声波发射换能器和接收换能器、低压消声气室、超声信号发生模块、功率放大模块和信号采集与处理模块；所述方法包括如下步骤：
（1）通过超声信号发生模块产生非线性调频连续电磁波，利用功率放大模块将非线性调频连续电磁波进行功率放大，分别驱动水下超声波发射换能器和气室中超声波发射换能器；
（2）气室中超声波发射换能器发出的调频连续超声波作为参考声波在气室内传播，水下超声波发射换能器发出的调频连续超声波作为声呐测距声波在水下传播；
（3）分别利用水下超声波接收换能器和气室中超声波接收换能器接收两路返回来的调频连续超声波，将返回来的两路调频连续超声波分别转化为两路电磁波信号；
（4）利用信号采集与处理模块将返回来的超声波转化的两路电磁波信号分别与原始的调频连续电磁波信号进行混频，得到两路频率不同的窄带信号：气室中超声波窄带信号和水下超声波窄带信号；
（5）以混频后气室中超声波窄带信号为触发信号，对混频后的水下超声波窄带信号进行过零采样；
（6）对于重新采样后的水下超声波窄带信号进行频谱分析，提取出主频，换算出水下的被测距离。
2.根据权利要求1所述的基于重采样的调频连续波声呐测距方法，其特征在于，所述信号采集与处理模块包括前置放大器、高精度数据采集卡和信息处理单元，所述步骤（4），包括如下步骤：
利用所述前置放大器对两路返回来的超声波转化的两路电磁波信号进行放大；
利用所述高精度数据采集卡对放大后的电磁波信号进行采集并传送到信息处理单元；
利用高精度数据采集卡对原始的调频连续电磁波信号进行采集并传送到信息处理单元；
所述信息处理单元对两路放大后的电磁波信号分别与原始调频连续波电磁波信号进行数字混频，得到两路混频后的信号；
所述信息处理单元对两路混频后的信号进行数字带通滤波，滤除混频信号中的高频分量以及低频干扰。
3.根据权利要求2所述的基于重采样的调频连续波声呐测距方法，其特征在于，所述步骤（5），包括如下步骤：
所述信息处理单元提取出混频后气室中超声波窄带信号的每一个零点；
所述信息处理单元计算混频后气室中超声波窄带信号零点之间的平均时间间隔，平均时间间隔的倒数即为过零采样的采样频率；
按照这些零点的序列号从另一路混频滤波后的水下超声波窄带信号提取出相应的数据点；
以从水下超声波窄带信号提取的数据点和所述平均时间间隔为依据重构水下超声波窄带信号。
4.根据权利要求1所述的基于重采样的调频连续波声呐测距方法，其特征在于，所述步骤（6），包括如下步骤：
对重新采样后的水下超声波信号进行快速傅里叶变换；
计算水下超声波窄带信号的幅频分布；
从水下超声波窄带信号的幅频分布中提取出幅度最强的谱线所对应的频率；
所述幅度最强的谱线所对应的频率与原始调频连续波电磁波信号的平均频率调制速度相除，得到水下超声波信号的时延；
将所述时延与水中声传播速度的乘积得到所测距离。
5.根据权利要求4所述的基于重采样的调频连续波声呐测距方法，其特征在于，所述原始调频连续波电磁波信号的平均频率调制速度，为调频连续波电磁波信号的频率调制的起始频率与终止频率之差与频率调制的周期之比。
6.根据权利要求1所述的基于重采样的调频连续波声呐测距方法，其特征在于，所述气室包括：
气室主体；
在所述气室主体的左侧内壁和中间内壁上装贴的消声尖劈；
在所述气室主体的左侧内壁安装的气室中超声波发射换能器和气室中超声波接收换能器，且所述气室中超声波发射换能器和气室中超声波接收换能器的安装孔经过密封处理；
在所述气室主体的右侧内壁安装的超声波反射板；
在所述气室主体内充以声速小于预设声速阈值的气体，使所述气室的气压控制在小于预设气压阈值。
7.一种基于重采样的调频连续波声呐测距装置，其特征在于，应用于权利要求1至6中任一项所述的基于重采样的调频连续波声呐测距方法，所述装置包括水下超声波发射换能器和接收换能器、气室中超声波发射换能器和接收换能器、低压消声气室、超声信号发生模块、功率放大模块和信号采集与处理模块。
8.根据权利要求7所述的基于重采样的调频连续波声呐测距装置，其特征在于，所述信号采集与处理模块包括前置放大器、高精度数据采集卡和信息处理单元。
9.根据权利要求7所述的基于重采样的调频连续波声呐测距装置，其特征在于，所述气室包括：
气室主体；
在所述气室主体的左侧内壁和中间内壁上装贴的消声尖劈；
在所述气室主体的左侧内壁安装的气室中超声波发射换能器和气室中超声波接收换能器，且所述气室中超声波发射换能器和气室中超声波接收换能器的安装孔经过密封处理；
在所述气室主体的右侧内壁安装的超声波反射板；
在所述气室主体内充以声速小于预设声速阈值的气体，使所述气室的气压控制在小于预设气压阈值。
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