一种基于全频谱换能器自然加权的距离向计算方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

A distance calculation method based on natural weighting of full spectrum transducer

The present invention discloses a distance calculation method based on the full spectrum transducer weighting, based on a receiving transducer with high sensitivity near the central frequency f0, and the method includes: Step 1) the sensitivity curve of the receiving transducer is used as the weight coefficient, and the transducer is naturally added at all frequency points. The matching template for the received signal is obtained, and step 2) the received signal is matched and correlated based on the matching template of the received signal to obtain the range to low sidelobe data. The method proposed in this invention can calculate high resolution and low sidelobe distance data and enhance the clarity of acoustic imaging.

【技术实现步骤摘要】
一种基于全频谱换能器自然加权的距离向计算方法
本专利技术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。
技术介绍
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。在声纳系统中，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，造成在声纳系统在接收信号处理时，距离向旁瓣电平较高，最终导致声纳图像模糊。
技术实现思路
本专利技术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系统工作带宽，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，本专利技术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。本专利技术的优势在于：1、本专利技术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、本专利技术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为本专利技术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为本专利技术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专利技术进行详细的说明。如图1所示，本专利技术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)根据声纳系统所要求，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系统，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，接收换能本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫路，许枫，杨娟，崔雷雷，安旭东，
申请(专利权)人：中国科学院声学研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11