一种多波束测深信号处理方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种多波束测深信号处理方法及装置。所述装置包含接收换能器基阵、模拟前端预处理单元、模数转换单元、多通道数据预处理单元、波束形成单元、初级门限生成单元、初级检波单元、地形预估单元、次级门限生成单元和次级检波单元。其中，初级门限生成单元根据前一帧地形结果进行卡尔曼地形跟踪以生成当前帧地形的检波门限，同时地形预估单元、次级门限生成单元和次级检波单元依次相连共同实现了二次检波，有效地提高了地形检测的准确性。本发明专利技术在实际水下地形勘察中能自动进行地形检测，减少了常规方法中频繁的手动门限调整操作，大大降低了多波束测深装置的外业操作及内业数据处理工作量，可广泛应用于水下地形勘察领域。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于多波束测深领域，尤其涉及一种能够实现高精度地形测量的多波束测深信号处理方法及装置。
技术介绍
多波束探测技术是近些年国际上公认的适用范围最广的水底地形地貌探测技术之一，广泛应用于多个领域，如海洋资源调查、航道测量、海洋环境研究、水下地形和水下建筑物观测等。随着科技的不断进步，人们对海底信息的需求越来越高，一方面希望更加清晰的呈现复杂多样的海底地形地貌细节，另一方面希望单位时间内获得更多的测量结果，因此对多波束测深系统中测深信号的处理能力及效果提出了越来越高的要求。传统多波束测深系统采用的多子阵相位法和WMT方法由于受到二次回波以及鱼类、水草、浮游生物及悬浮物等水体中目标回波的干扰，难免出现异常值而形成虚假地形。为减少异常值产生，在地形测量过程中常采用人工设置深浅门限的方法来限制门限外的异常值。该方法凭借操作者的经验尽管可以有效减少异常值的产生，但其自动化程度较低，对操作者经验要求比较高，工作量较大。同时为了适应地形的快速变化，通常深浅门限范围设置较大，在地形起伏较大的水域，异常值较多，无形中增加了多波束后处理中异常值剔除的工作量。鉴于此，我们迫切需要一种能够在多波束测深装置测量过程中自动进行地形跟踪并输出高精度多波束测深数据的信号处理装置，以适应多波束测深信号自动化处理的需求，提高检波过程中有效数据的数量，简化繁琐的人工操作过程。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种能够实现高精度水底地形测量的多波束测深信号处理方法及装置，用于实现多波束测深装置中回波信号的自动处理及地形跟踪。本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种多波束测深信号处理方法，包括以下步骤：(101)接收水底回波信号：通过M阵元的接收换能器基阵接收水底反向散射的多波束测深条带回波信号并转换为M通道的微弱电回波信号；(102)模拟前端预处理及模数转换：对M通道的微弱电回波信号进行放大、滤波及增益控制并进行模数转换；(103)加窗处理：对M通道回波信号进行加窗处理；(104)正交变换：对加窗后的多通道回波信号进行正交变换，得到M通道的复信号；(105)波束形成：对M通道的复信号进行波束形成生成D个方向的波束输出；(106)初级门限生成：根据前一帧次级检波的D个深度结果生成初级检波的浅门限和深门限；(107)初级检波：按照各自的初级门限对D个方向的波束进行检波得到D个初级检波结果；(108)地形预估：对D个初级检波结果进行帧内异常值剔除并通过拟合来预估当前地形，生成D个预估测深数据；(109)次级门限生成：根据D个预估测深数据分别生成D组次级检波的浅门限和深门限；(110)次级检波并输出检波结果：对D个方向的波束按照各自的次级门限进行检波并输出D个深度结果，并返回步骤(101)继续下一帧的地形测量。本专利技术所公开的一种多波束测深信号处理方法，所述的初级门限生成方法(106)包括以下步骤：(201)获取前一帧次级检波的D个深度结果；(202)将D个深度结果存入数据缓存区；(203)对数据缓存区中的多帧深度数据进行帧间粗估得到当前帧地形；(204)对前一帧次级检波的D个深度结果采用帧间卡尔曼地形跟踪方法估计当前帧地形，并计算卡尔曼地形跟踪的质量；(205)当卡尔曼地形跟踪质量较好时选择卡尔曼地形跟踪的地形数据作为当前帧估计地形，反之则将粗估地形数据作为当前帧估计地形；(206)依据当前估计地形生成初级检波的浅门限和深门限。一种多波束测深信号处理装置，包括接收换能器基阵(301)、模拟前端预处理单元(302)、模数转换单元(303)、多通道数据预处理单元(304)、波束形成单元(305)、初级门限生成单元(306)、初级检波单元(307)、地形预估单元(308)、次级门限生成单元(309)和次级检波单元(310)；所述接收换能器基阵(301)，用于接收水底反向散射的条带回波信号并将声信号转换为M通道的微弱电回波信号；所述模拟前端预处理单元(302)与接收换能器基阵(301)相连，用于对M通道的微弱电回波信号进行放大、滤波及增益控制；所述模数转换单元(303)与模拟前端预处理单元(302)相连，用于将模拟信号转换为数字信号；所述多通道数据预处理单元(304)与模数转换单元(303)相连，用于对M通道数字回波信号进行加窗及正交变换得到M通道的复信号；所述多波束测深信号处理装置中的波束形成单元(305)与多通道数据预处理单元(304)相连，用于对M通道的复信号进行波束形成生成D个方向的波束输出；所述初级门限生成单元(306)与次级检波单元(310)相连，用于根据前一帧次级检波的D个深度结果生成初级检波的浅门限和深门限；所述多波束测深信号处理装置中的初级检波单元(307)与波束形成单元(305)及初级门限生成单元(306)相连，根据各自的初级门限对D个方向的波束进行检波得到D个初级检波结果；地形预估单元(308)与初级检波单元(307)相连，用于对D个初级检波结果进行帧内异常值剔除并通过拟合来预估当前地形，生成D个预估测深数据；所述次级门限生成单元(309)与地形预估单元(308)相连，根据D个预估测深数据分别生成D组次级检波的浅门限和深门限；所述次级检波单元(310)与波束形成单元(305)及次级门限生成单元(309)分别相连，对D个方向的波束按照各自的次级门限进行检波并输出D个深度结果；本专利技术所公开的一种一体化多波束测深装置，所述初级门限生成单元(306)包括数据缓存区(401)、地形粗估模块(402)、卡尔曼地形跟踪器(403)、深度选择模块(404)和门限生成模块(405)；所述数据缓存区(401)与次级检波单元(310)相连，用于缓存次级检波单元(310)生成的D个深度结果；所述地形粗估模块(402)与数据缓存区(401)相连，用于根据数据缓存区(401)的多帧深度数据进行帧间粗估得到当前帧地形；所述卡尔曼地形跟踪器(403)与次级检波单元(310)及地形粗估模块(402)相连，用于对次级检波的D个深度结果进行地形跟踪，并输出跟踪结果与跟踪质量；所述深度选择模块(404)分别与地形粗估模块(402)及卡尔曼地形跟踪器(403)相连，当卡尔曼地形跟踪质量较好时选择卡尔曼地形跟踪的地形数据作为当前帧估计地形，反之则将粗估地形数据作为当前帧估计地形；所述门限生成模块(405)与深度选择模块(404)相连，用于根据当前帧估计地形生成初级检波的浅门限和深门限。相较于现有技术，本专利技术具有以下有益效果：通过采用基于卡尔曼地形跟踪的二次多波束检波技术，可有效的自动跟踪海底地形，更合理的对每个波束方向进行门限设置，有效的排除了二次回波以及鱼类、水草、浮游生物及悬浮物等水体中目标回波的干扰，极大地减少了异常值的产生，一方面减少了测绘中操作人员人机交互的工作量，有效提高了工作效率，另一方面，有效降低了多波束后处理中异常值剔除的工作量，同时提高了有效测深点的数量，从而提高了测绘质量。由此可见，本专利技术设计新颖、技术含量高、易于实现且成本较低，可广泛应用于水下地形勘察领域。附图说明图1为本专利技术所述一种多波束测深信号处理方法的工作流程图。图2为本专利技术所述一种多波束测深信号处理方法中初级门限生成方法的工作流程图。图3为本专利技术所述一种多波束测深信号处理装置的整体结构本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多波束测深信号处理方法，其特征是，包括以下步骤：(101)接收水底回波信号：通过M阵元的接收换能器基阵接收水底反向散射的多波束测深条带回波信号并转换为M通道的微弱电回波信号；(102)模拟前端预处理及模数转换：对M通道的微弱电回波信号进行放大、滤波及增益控制并进行模数转换；(103)加窗处理：对M通道回波信号进行加窗处理；(104)正交变换：对加窗后的M通道回波信号进行正交变换，得到M通道的复信号；(105)波束形成：对M通道的复信号进行波束形成生成D个方向的波束输出；(106)初级门限生成：根据前一帧次级检波的D个深度结果生成初级检波的浅门限和深门限；(107)初级检波：按照各自的初级门限对D个方向的波束进行检波得到D个初级检波结果；(108)地形预估：对D个初级检波结果进行帧内异常值剔除并通过拟合来预估当前地形，生成D个预估测深数据；(109)次级门限生成：根据D个预估测深数据分别生成D组次级检波的浅门限和深门限；(110)次级检波并输出检波结果：对D个方向的波束按照各自的次级门限进行检波并输出D个深度结果，并返回步骤(101)继续下一帧的地形测量。

【技术特征摘要】
1.一种多波束测深信号处理方法，其特征是，包括以下步骤：(101)接收水底回波信号：通过M阵元的接收换能器基阵接收水底反向散射的多波束测深条带回波信号并转换为M通道的微弱电回波信号；(102)模拟前端预处理及模数转换：对M通道的微弱电回波信号进行放大、滤波及增益控制并进行模数转换；(103)加窗处理：对M通道回波信号进行加窗处理；(104)正交变换：对加窗后的M通道回波信号进行正交变换，得到M通道的复信号；(105)波束形成：对M通道的复信号进行波束形成生成D个方向的波束输出；(106)初级门限生成：根据前一帧次级检波的D个深度结果生成初级检波的浅门限和深门限；(107)初级检波：按照各自的初级门限对D个方向的波束进行检波得到D个初级检波结果；(108)地形预估：对D个初级检波结果进行帧内异常值剔除并通过拟合来预估当前地形，生成D个预估测深数据；(109)次级门限生成：根据D个预估测深数据分别生成D组次级检波的浅门限和深门限；(110)次级检波并输出检波结果：对D个方向的波束按照各自的次级门限进行检波并输出D个深度结果，并返回步骤(101)继续下一帧的地形测量。2.根据权利要求1所述的一种多波束测深信号处理方法，其特征是，所述的初级门限生成方法(106)包括以下步骤：(201)获取前一帧次级检波的D个深度结果；(202)将D个深度结果存入数据缓存区；(203)对数据缓存区中的多帧深度数据进行帧间粗估得到当前帧地形；(204)对前一帧次级检波的D个深度结果采用帧间卡尔曼地形跟踪方法估计当前帧地形，并计算卡尔曼地形跟踪的质量；(205)当卡尔曼地形跟踪质量较好时选择卡尔曼地形跟踪的地形数据作为当前帧估计地形，反之则将粗估地形数据作为当前帧估计地形；(206)依据当前估计地形生成初级检波的浅门限和深门限。3.一种多波束测深信号处理装置，其特征是，所述装置包括接收换能器基阵(301)、模拟前端预处理单元(302)、模数转换单元(303)、多通道数据预处理单元(304)、波束形成单元(305)、初级门限生成单元(306)、初级检波单元(307)、地形预估单元(308)、次级门限生成单元(309)和次级检波单元(310)；所述接收换能器基阵(301)，用于接收水底反向散射的条带回波信号并将声信号转换为M通道的微弱电回波信号；所述模拟前端预处理单元(302)与接收换能器基阵(...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲁东，汤云龙，吴霖真，魏玉阔，
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