一种海豚仿生声纳信号处理方法技术

本发明专利技术涉及一种海豚仿生声纳信号处理方法，包含如下步骤：１）海豚声信号发射分系统根据系统要求设置系统参数；２）根据设定参数获得的脉冲重复周期ｐｒｔ，每隔ｐｒｔ发射一次海豚声信号同时启动延时采样控制；３）水下目标声信号接收分系统接收发射信号并对目标回波信号进行滤波、放大和模数变换；４）采用目标回波声信号处理分系统计算采集的数字信号的目标回波特征；其中，步骤４）还包含如下子步骤：４－１）首先对目标回波信号进行波束形成；４－２）对波束形成后的目标回波信号进行处理，首先，采用ｇａｍｍａｔｏｎｅ滤波器对目标回波信号进行耳蜗滤波处理；然后，再采用半波整流的方式对目标回波信号进行处理；最后进行低通滤波，得到最终结果。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于水下声纳领域，特别涉及。
技术介绍
海豚生活的水下世界视距有限，有的水域甚至非常混浊，正是这些环境因素造就 了性能优异的海豚声纳系统。通过声纳系统，海豚可以完成种群个体识别和定位、导航、避 障、觅食、躲避天敌(如虎鲸等)多种任务。海豚声纳系统对浅海和混浊水区域适应能力极 强，种群行动的时候，海豚个体之间的声纳系统不会互相干扰，甚至可以捕捉钻入泥沙中躲 避的鱼。相当多的实验研究表明，与人类制造的声纳系统相比，海豚声纳具有非常优异的性 能。海豚声纳具有优异的探测性能，目前对海豚声纳的生理及信号处理模型的研究在 某些方面取得了一定的进展。在此基础上，本专利技术提出一种海豚仿生声纳系统与实施方 法。通过本专利技术提出系统和方法，可以研制一种可用于目标识别的海豚仿生声纳。此仿生 声纳可以应用于UUV前视探测、蛙人手持式、港口反潜等多种不同场合。相关文献WHITL0W W. L. Au. The Sonar of Dolphin. New York =Springer, 1993 :60_66 ；刘维，叶青华，黄海宁， 等·海豚声纳成像模型研究.声学技术，2007，26 (5) :145-147。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，为克服目前没有一个完整的海豚仿生声纳系统及其与之配套 的信号处理方法，从而提出一种海豚仿生声纳系统及信号处理方法。本专利技术是根据海豚动物声纳的工作机理，提出一种海豚仿生声纳系统与实施方 法。通过本专利技术提出系统和方法，可以研制一种可用于目标识别的海豚仿生声纳。此仿生 声纳可以应用于UUV前视探测、蛙人手持式、港口反潜等多种不同场合。为实现上述专利技术目的，本专利技术提出的，所述的方 法包含如下步骤1)海豚声信号发射分系统根据系统要求设置系统参数；所述的系统参数包含海 豚声信号中心频率为4、信号带宽为B、单脉冲宽度为dur、脉冲重复周期为prt、最小采样 距离为rmin、最小采样点数为NR和采样频率fs ；2)根据设定参数获得的脉冲重复周期prt，控制海豚声信号发射分系统，每隔prt 发射一次海豚声信号，发射系统发射海豚声信号的同时启动延时采样控制；3)水下目标声信号接收分系统接收发射信号并对目标回波信号进行滤波放大处 理，并进行模数变换；所述的滤波器，带通范围为；所述的模数变换，根据 设定的采样率fs，对信号进行采样；4)采用目标回波声信号处理分系统计算采集的数字信号的目标回波特征；作为本专利技术的一个改进，步骤4)所述的计算目标的回波特征还包含如下子步骤4-1)首先对目标回波信号进行波束形成；4-2)对波束形成后的目标回波信号进行处理，该处理具体包含首先，采用gammatone滤波器对目标回波信号进行耳蜗滤波处理，所述的 gammatone滤波器的冲击响应如下所示g<formula>formula see original document page 4</formula>其中f为频率，a为幅度，η为滤波器阶数，b为滤波器带宽，t为时间变量；然后，再采用半波整流的方式对目标回波信号进行处理，公式如下<formula>formula see original document page 4</formula>最后，对经过处理的信号Ok进行低通滤波，得到最终结果。步骤1)所述的海豚声信号，表达式如下<formula>formula see original document page 4</formula>所述的目标回波特征，将输出至目标特征显示系统进行显示。本专利技术一种海豚仿生声纳系统及信号处理方法，分别描述如下。海豚仿生声纳系统包括海豚声信号发射分系统，水下目标声信号接收分系统，目 标回波声信号处理系统，目标特征显示系统。其中海豚声信号发射分系统的主要功能是发射海豚声纳声信号，海豚声信号发射 分系统包括发射机和发射换能器两部分。其中发射机用于驱动发射换能器发射声信号，发 射换能器用于将电能转换为声纳发射声信号。水下目标回波声信号接收分系统包括信号放大、滤波以及信号采集三个部分；其 中放大部分用于对水下目标的回波信号的微弱信号进行放大；滤波部分根据对水下目标回 波信号的带宽对其进行滤波，以消除信号带宽外噪声的影响；信号采集部分的主要功能是 对水下目标回波信号进行模数转换，将水下目标回波信号转换为数字信号。目标回波声信号处理系统用于对目标回波声信号进行处理并提取目标的特征。目 标回波声信号处理系统的处理方法依据海豚动物声纳的处理模型建立，通过海豚声纳仿生 的方式对目标回波声信号进行处理，并形成目标的回波特征。具体处理方法参见本专利说 明书下述说明。目标特征显示系统用于对目标回波声信号处理系统得到的目标声特征进行显示， 用于辅助人工对目标的特征进行判定。本专利技术的优点在于，依据海豚动物声纳的声信号形式和声信号处理模型，提供的 一种海豚仿生声纳系统与方法，该系统和方法可以很好的提取水下目标的声特征，并可以 应用于UUV前视探测、蛙人手持式、港口反潜等多种不同场合，具有重要的军事和民用应用 价值和意义。附图说明图1是本专利技术的海豚仿生声纳系统示意图；图2是本专利技术的采用解析表达式生成的海豚声信号(时域)；图3是本专利技术的采用解析表达式生成的海豚声信号(频域)；图4直接录取的海豚声纳信号(时域)；图5直接录取的海豚声纳信号(频域)；图6是本专利技术的海豚声纳信号处理步骤；图7是本专利技术的发射和接收换能器；图8是本专利技术的接收换能器子阵波束成形。图9是基于本专利技术的海豚仿生声纳系统的信号处理方法的步骤流程图。 具体实施例方式下面结合附图对本专利技术的一种海豚仿生声纳系统及方法进行详细说明。具体实施方式以ROV搭载使用的前视海豚仿生声纳系统为例进行说明。ROV搭载使用的前视海豚仿生声纳系统安装在UUV的前部，ROV和母船之间通过电缆或者无线方式 (如水声通信)进行数据传输和控制，回波数据通过电缆或者无线方式传输到母船进行处 理，母船通过电缆或者无线方式控制ROV安装的前视海豚仿生声纳系统。海豚仿生声纳发射分系统安装在ROV上，其中声纳换能器安装在ROV的艏部，声纳 发射机安装在ROV水密舱内，安装在ROV的设备统称为湿端设备，安装与母船之间的设备统 称为干端设备，干端和湿端设备之间通过标准以太网进行数据传输和控制，湿端设备由干 端通过直流供电。供电线通过电缆连接设备，标准以太网通过电缆连接干端和湿端设备。海豚仿生声纳的发射阵采用线阵或者弧形阵(具体根据需要的发射开角确定)， 海豚仿生声纳的接收基阵采用线阵。如图7所示，假设发射开角为θτ，发射阵宽度为Dt，接 收阵由N个接收子阵组成，接收阵子阵开角为θ κ，接收子阵宽度为DK，则海豚仿生声纳系统 的工作及处理步骤为1)设置海豚声信号中心频率为&，信号带宽为B，单脉冲宽度为dur，脉冲重复周 期为prt，最小采样距离为rmin，最小采样点数为NR，采样频率为fs ；2)根据设定的脉冲重复周期prt，控制发射系统，每隔prt发射一次海豚声信号； 发射系统发射海豚声信号的同时启动延时采样控制。3)声信号接收系统对目标回波信号进行滤波放大处理，带通滤波器的带通范围为 ；4)根据设定的采样率fs，当启动延时本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种海豚仿生声纳信号处理方法，所述的方法包含如下步骤：１）海豚声信号发射分系统根据系统要求设置系统参数；２）根据设定参数获得的脉冲重复周期ｐｒｔ，控制海豚声信号发射分系统，每隔ｐｒｔ发射一次海豚声信号，发射系统发射海豚声信号的同时启动延时采样控制；３）水下目标声信号接收分系统接收发射信号并对目标回波信号进行滤波放大处理，并对目标回波信号进行模数变换；４）采用目标回波声信号处理分系统计算采集的数字信号的目标回波特征；其中，步骤４）所述的计算目标的回波特征还包含如下子步骤：４－１）首先对目标回波信号进行波束形成；４－２）对波束形成后的目标回波信号进行处理，该处理具体包含：首先，采用ｇａｍｍａｔｏｎｅ滤波器对目标回波信号进行耳蜗滤波处理，所述的ｇａｍｍａｔｏｎｅ滤波器的冲击响应如下所示：ｇ（ｔ）＝ａｔ↑［ｎ－１］ｅ↑［－２πｂｔ］ｃｏｓ（２πｆｔ＋φ）其中ｆ为频率，ａ为幅度，ｎ为滤波器阶数，ｂ为滤波器带宽，ｔ为时间变量；然后，再采用半波整流的方式对目标回波信号进行处理，公式如下：ｏ↓［ｋ］＝ｍａｘ［ｓ↓［ｋ］０］最后，对经过处理的信号ｏ↓［ｋ］进行低通滤波，得到最终结果。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘维，刘纪元，黄海宁，张春华，
申请(专利权)人：中国科学院声学研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]