一种多波束测深声纳回波信号增益控制系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种多波束测深声纳回波信号增益控制系统及方法，该增益控制系统包括上位机软件(101)、信号处理单元(102)、发射换能器基阵(103)、接收换能器基阵(104)、前置放大器(105)、可变增益控制器(106)、带通滤波器(107)和模拟数字转换器(108)。能够跟踪输入信号幅度变化并自动调整增益，当输入信号变大时，控制接收机增益变小；当输入信号变小时，控制接收机增益变大，以使海底回波信号的输出电平始终保持在稳定区间上。解决了常规多波束测深系统中增益控制效果不佳，调节精度差等问题，保证了多波束测深声纳测量复杂海底地形的准确性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及水声工程和水声探测领域，尤其涉及的是一种多波束测深声纳回波信号增益控制系统及方法。
技术介绍
多波束测深声纳可以实现超宽范围的高精度海底深度测量，是一种测量效率高、测量精度高、分辨率高的海底地形测量设备，单次发射就能获取海底一个测深剖面，在海洋测绘领域有着广泛的应用。在平海底假设情况下，一般认为海底回波信号是按指数衰减规律变化的，常采用和回波信号变化规律相反的方式，通过时变增益控制使回波信号稳定在合理范围之内。受到声波传播衰减，水体及水底底质不同等因素的影响，海底回波信号往往具有更复杂的分布特性，不能用确定的规律变化予以准确表述。例如，实际海底存在粗糙不平的硬沙底，静止水域的软泥底，沉积物材料不同形成的分层结构，且地形起伏情况是不确定的。同时，海底存在水草、岩石块等干扰物。这些情况将导致海底在某些掠射角和频率下产生强弱不一的反射，无法预测回波信号的具体变化情况。因此，时变增益控制无法适应海底回波信号的复杂变化。回波信号过强时增益放大过大引起输出电平限幅，回波信号过弱时输出电平不满足模拟数字转换器采样分辨率的要求或被系统噪声淹没。多波束测深声纳采集到的信息出现缺失或错误，无法准确地获取真实地形。常规多波束测量时，声纳信号控制单元常根据前一个测量周期的回波信号强度变化情况来调整当前测量周期的发射功率、时变增益曲线的初始增益等参数。该方法对多个测量周期中水底地形变化有一定的适应能力，但仍然无法解决在单个测量周期中由于地形的复杂性和声波传播衰减等因素导致的回波信号强度不符合指数衰减规律的问题。导致多波束测深声纳无法准确采集到复杂海底的地形特征。专利
技术实现思路
本专利技术的目的在于，为解决多波束测深声纳发射声波信号后，由于水体环境多变，水底地形复杂，回波信号衰减程度不一，接收机不能准确接收回波信号的问题。提出一种响应时间短，输出电平稳定的多波束测深声纳回波信号增益控制系统及方法。本专利技术采用了自动增益控制方法，通过闭环控制方式，对模拟数字转换器的输出值与参考值进行比较，输出值变大时，减小可变增益控制器的增益，以保证接收机能够正常工作。输出值变小时，增大可变增益控制器的增益，以保证微弱信号能够被检测到。接收机通过跟踪输入信号幅度波动而自动调整增益，保证接收机在输入信号动态范围很大时输出电平能够稳定在合适的范围。本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种多波束测深声纳回波信号增益控制系统，包括以下结构：上位机软件(101)，用于控制信号处理单元(102)开始测量，并接收检波结果数据；发射换能器基阵(103)，用于进行电声转换并发射声波信号；接收换能器基阵(104)，用于接收回波声信号，并将回波声信号转换为电信号；前置放大器(105)，用于对信号进行初步放大；可变增益控制器(106)，用于接收前置放大器(105)输出的电信号，并根据信号处理单元(102)的增益控制命令调整增益；带通滤波器(107)，用于对信号进行带通滤波处理；模拟数字转换器(108)，用于完成模拟信号到数字信号的模数转换并将数字信号发送至信号处理单元(102)；信号处理单元(102)，用于对模拟数字转换器(108)输出的数字信号进行平滑求包络处理并根据增益控制方法向可变增益控制器(106)发出增益调整命令使回波信号的输出电平保持在预设范围内，同时对多阵元回波信号进行波束形成和检波处理并将结果反馈至上位机软件(101)。所述的信号处理单元(102)包括：包络生成器(201)，用于接收多个阵元的回波信号并输出k时刻的包络c(k)；自动增益调整模块(202)，根据参考信号REF与包络信号c(k)的偏差e(k)计算出增益码，并向可变增益控制器(106)输出增益调整命令；检波模块(203)，用于接收经预处理的多阵元回波信号，进行信号检波处理。一种多波束测深声纳回波信号增益控制方法，包括以下几个步骤：步骤一：信号处理单元(102)接收上位机软件(101)开始命令并设置可变增益控制器(106)的初始增益，然后控制换能器基阵发射声波信号并开始采集回波信号；步骤二：接收换能器基阵(104)将回波声信号转换为电信号；步骤三：前置放大器(105)对信号进行初步放大；步骤四：可变增益控制器(106)对信号进行增益调整；步骤五：带通滤波器(107)滤除带外噪声；步骤六：模拟数字转换器(108)完成模拟信号到数字信号的模数转换并将数字信号发送至信号处理单元(102)；步骤七：信号处理单元(102)接收多阵元回波信号后通过包络生成器(201)输出k时刻的包络信号c(k)，并根据k时刻包络信号c(k)和预期信号REF的偏差值e(k)、偏差值的累积项ei(k)及偏差值的差分项(e(k)-e(k-1))估算出k时刻的增益码g(k)；步骤八：增益码g(k)作用于可变增益控制器(106)；步骤九：重复执行步骤二～步骤八，直至测量周期完成。相较于现有技术，本专利技术具有以下有益效果：1、解决了采用时变增益控制对海底回波信号增益调整效果不佳，调节精度差等问题。使回波信号的动态范围很大而输出电平稳定在合适范围内，提高了接收机的信噪比性能。2、该方法具有硬件实现简单，性能好，便于操作等特点。在保证测绘工作能够高效、精准进行的同时，确保了多波束测深声纳测量复杂海底地形的准确性。符合现代测量技术的发展趋势。附图说明为了使本方法的内容更利于相关专业技术人员理解，下面对附图进行简单说明。图1为本专利技术所述多波束测深声纳回波信号增益控制系统的结构框图。图2为本专利技术所述自动增益控制过程的结构框图。图3为本专利技术所述多波束测深声纳回波信号增益控制系统自动增益调整模块的结构框图。图4为本专利技术所述多波束测深声纳回波信号增益控制方法的工作流程图。具体实施方案下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步阐述。1.一种多波束测深声纳回波信号增益控制系统，包括以下结构：上位机软件(101)，用于控制信号处理单元(102)开始测量，并接收检波结果数据；发射换能器基阵(103)，与信号处理单元(102)相连，用于进行电声转换并发射声波信号；接收换能器基阵(104)，用于接收回波声信号，并将回波声信号转换为电信号；前置放大器(105)，与接收换能器基阵(104)相连，用于对信号进行初步放大；可变增益控制器(106)，分别与前置放大器(105)及信号处理单元(102)相连，用于接收前置放大器(105)输出的电信号，并根据信号处理单元(102)的增益控制命令调整增益；带通滤波器(107)，与可变增益控制器(106)相连，用于对信号进行带通滤波处理；模拟数字转换器(108)，与带通滤波器(107)相连，用于完成模拟信号到数字信号的模数转换并将数字信号发送至信号处理单元(102)；信号处理单元(102)，分别与上位机软件(101)及模拟数字转换器(108)相连，用于对模拟数字转换器(108)输出的数字信号进行平滑求包络处理并根据增益控制方法向可变增益控制器(106)发出增益调整命令使回波信号的输出电平保持在预设范围内，同时对多阵元回波信号进行波束形成和检波处理并将结果反馈至上位机软件(101)。2.所述信号处理单元(102)包括：包络生成器(201)，用于接收多个阵元的回波信号并输出k时刻的包络c(k)；自动增益调整模块(202)，与包络本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多波束测深声纳回波信号增益控制系统，其特征在于，包括以下结构：上位机软件(101)，用于控制信号处理单元(102)开始测量，并接收检波结果数据；发射换能器基阵(103)，用于进行电声转换并发射声波信号；接收换能器基阵(104)，用于接收回波声信号，并将回波声信号转换为电信号；前置放大器(105)，用于对信号进行初步放大；可变增益控制器(106)，用于接收前置放大器(105)输出的电信号，并根据信号处理单元(102)的增益控制命令调整增益；带通滤波器(107)，用于对信号进行带通滤波处理；模拟数字转换器(108)，用于完成模拟信号到数字信号的模数转换并将数字信号发送至信号处理单元(102)；信号处理单元(102)，用于对模拟数字转换器(108)输出的数字信号进行平滑求包络处理并根据增益控制方法向可变增益控制器(106)发出增益调整命令使回波信号的输出电平保持在预设范围内，同时对多阵元回波信号进行波束形成和检波处理并将结果反馈至上位机软件(101)。

【技术特征摘要】
1.一种多波束测深声纳回波信号增益控制系统，其特征在于，包括以下结构：上位机软件(101)，用于控制信号处理单元(102)开始测量，并接收检波结果数据；发射换能器基阵(103)，用于进行电声转换并发射声波信号；接收换能器基阵(104)，用于接收回波声信号，并将回波声信号转换为电信号；前置放大器(105)，用于对信号进行初步放大；可变增益控制器(106)，用于接收前置放大器(105)输出的电信号，并根据信号处理单元(102)的增益控制命令调整增益；带通滤波器(107)，用于对信号进行带通滤波处理；模拟数字转换器(108)，用于完成模拟信号到数字信号的模数转换并将数字信号发送至信号处理单元(102)；信号处理单元(102)，用于对模拟数字转换器(108)输出的数字信号进行平滑求包络处理并根据增益控制方法向可变增益控制器(106)发出增益调整命令使回波信号的输出电平保持在预设范围内，同时对多阵元回波信号进行波束形成和检波处理并将结果反馈至上位机软件(101)。2.根据权利要求1所述的一种多波束测深声纳回波信号增益控制系统，其特征在于，所述的信号处理单元(102)包括：包络生成器(201)，用于接收多个阵元的回波信号并输出k时刻的包络c(k)；自动增益调整模块(202)，根据参考信号REF与包络信号c(k)的偏差e(k)计算出增益码，并向可变增益控制器(106)输出增益调整命令；检波模块(203)，用于接收经预处理的多阵元回波信号，进行信号检波处理。3.根据权利要求2所述的一种多波束测深声纳回波信号增益控制系统，其特征在于，所述的包络生成器(201)包括：通道平均单元(301)，用于计算多个阵元信号的平均值；时间平滑单元(302)，用于平滑计算并输出k时刻的回波包络c(k)。4.根据权利要求2所述的一种多波束测深声纳回波信号增益控制系统，其特征在于，所述的自动增益调整模块(202)包括：预期信号存储器(401)，用于保存预期信号REF；减法器(402)，用于输出包络信号c(k)与预期信号REF的偏差值e(k)＝c(k)-REF；累加器(403)，用于累加偏差值e(k)并输出累加结果ei(k)，其中，ei(k)＝ei(k-1)+e(k)，ei(1)＝e(1)；数据暂存器(404)，用于暂存当前时刻的偏差值e(k)；减法器(405)，用于计算减法器(4...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲁东，吴霖真，汤云龙，王尔迅，金旗林，
申请(专利权)人：北京海卓同创科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11