【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于计算机领域，尤其涉及一种基于宽带分裂波束测深仪的目标强度估计方法。
技术介绍
1、鱼作为水产资源关键的一部分，为全球的食品安全和营养做出了卓越的贡献。在2019年，全球人均鱼消费量高达20.5kg，为33亿人提供了接近20％的动物蛋白。然而，由于人类的活动，过度捕捞和环境变化，好多鱼种濒临灭绝。使用现代科技手段来监控鱼的丰度，繁衍和行为，以此来支援渔业资源管理和生态保护很有必要。
2、传统的采样方法，比如拖网法和标记重捕法，耗时耗力具有入侵性而且对于濒危物种并不友好。光学摄像头和水声系统是两个主要的非入侵式水下鱼类监控方式。但是光在水中的急剧衰减，导致光学摄像头只能采集水下有限的区域。但是基于水声的探测系统则具有更远的传播距离。声学方法被用来渔业物种丰度估计构成了海洋资源物种资源分析与评估基础的关键。在以往，渔业资源管理一般需要了解种群的年龄和丰度结构。对于大量的鱼种和库存，丰度估计需要使用量化回声探测系统通过测量鱼群背向散射进行空间扩展调查。非常重要的一点就是分裂波束测深仪用于渔业调查时其对于后向散射幅值的测量非常精确，这是应用在其他领域的回声探测仪所忽视的一点，比如单波束测深仪，只关注波束范围内是否有目标。分裂波束对于后向散射幅值的精准测量使其成为了渔业资源评估中目标特性测量所用到的主流的技术，声学背向散射被用来探测，识别，计数和定位水下目标。通常像大部分窄带回声探测仪，发射脉冲只包含单频正弦连续波。作为对比宽带的回声探测仪发射脉冲包含特定频率宽度的信号，一般是线性的频率从低到高的调制信号。结果就是
3、目前，大部分测深仪和鱼探仪的算法只停留在对窄带单频信号的解译上，无法实现宽带条件下的对目标后向散射特性的精准测量，这不利于对目标的识别，进而影响渔业资源的监测和评估。
技术实现思路
1、本专利技术实施例的目的在于提供一种基于宽带分裂波束测深仪的目标强度估计方法，旨在解决上述
技术介绍
中提出的问题。
2、本专利技术实施例是这样实现的，一种基于宽带分裂波束测深仪的目标强度估计方法，所述方法包括以下步骤：
3、测量分裂波束换能器横向和纵向上的宽带波束图，得到宽带下的波束图值
4、将测量得到的宽带波束图在不同频率下以横向俯仰角和纵向俯仰角为自变量，波束图值为因变量进行多项式拟合，得到宽带下的波束图函数
5、使用示波器和信号发生器，通过发射单频cw信号计算有限频点下的发射电路匹配宽带复阻抗ze和换能器宽带复阻抗zt，用样条法对未采集的频率进行插值处理，并计算宽带下的阻抗因子f；
6、
7、rte(f)＝|zt(f)+ze(f)|；
8、rt(f)＝real(zt(f))；
9、测量换能器的在不同频率下的发射灵敏度su和接收灵敏度mu；
10、将上述测量参数录入测量系统，作为计算中的常数；
11、通过分裂波束测深仪系统中包含的ctd设备，采集水体中的温度和盐度计算水体吸收损失系数α；
12、使用分裂波束测深仪在水下空间中发射特定脉宽特定预设功率πt下的的宽带声波信号，宽带声波信号在水下以球面扩展形式到达目标，假定目标表面起伏相较于波长可被视为是粗糙的，此时声波以散射的形式作为回波被分裂波束平面四通道换能器接收；
13、每个通道经过压电转换，放大滤波采样电路被转换为数字信号，得到了原始四路波束；其中四通道波束通过特定的组合形成四路半波束，将半波束和与之互补的另一半波束进行相位差，即可得到以换能器声轴方向为参考下的横向或者纵向的来波角；对其他两路波束做同样的计算即可得到相对于声轴方向下目标的空间方位
14、将四路原始波束直接加和，形成全波束，对全波束进行匹配滤波，并进行时间增益补偿，根据设置门限，将含有目标的原始回波信号加窗截取vr[n]，并根据匹配滤波信号的峰值点获得目标距离r；对截取的信号进行脉冲压缩后，再进行傅里叶变换，得到截取信号频谱；将匹配滤波器vref[-n]与自身进行脉冲压缩得到参考信号，将参考信号同样进行傅里叶变换，得到参考信号频谱；将截取的目标信号频谱与参考信号频谱相除得到宽带电压响应；再乘以归一化功率常数，也就是参考信号的l2范数，得到vr的宽带响应；
15、将以上相关项带入下列公式；
16、
17、即可得到水下目标的目标强度估计值ts。
18、作为本专利技术的进一步方案，vr的宽带响应满足以下公式：
19、
20、作为本专利技术的再进一步方案，测量分裂波束换能器横向和纵向上的宽带波束图是基于基于圆盘式的分裂波束换能器，所述测量分裂波束换能器横向和纵向上的宽带波束图的步骤包括：
21、将分裂波束换能器放置在旋转法兰盘上，使用水听器在分裂波束换能器远场范围内测量不同角度下的声压，以测量声压的最大值为分裂波束换能器声轴方向，将采集到的声压值除以最大值，得到换能器波束图的某一切面；再测量其垂直切面上的波束图，通过多项式拟合得到关于空间方位的波束图函数；通过改变发射信号频率，即可得到宽带下的波束图函数。
22、作为本专利技术的又进一步方案，阻抗因子f通过换能器helmholtz-thevenin等效电路计算得到其本质为单频率下功率比值计算中的常数，在发射时将换能器等效为单复阻抗，通过电路有功功率和匹配阻抗即可得到加载在换能器两端的电压vt：
23、
24、换能器接收电路等效为电压源和复阻抗，其阻抗的值包括匹配阻抗的值被假设为发射电路等同；设换能器开路电压为vo
25、
26、两者的比值的平方即可得到：
27、
28、作为本专利技术的进一步方案，对互补的两路半波束信号进行希尔伯特变换，其中一路半波束取共轭，将两路处理后的信号在时间上对应数据相乘，对相乘的数据进行修正后的反正切计算，即可得到所有距离下的相位差，根据数字信号相位差、波长和子阵等效声中心间距三者之间的关系，得到物理相位差
29、
30、根据得到的两个方向的物理相位差，即可得到球坐标下的目标方位
31、
32、φ＝tan-1(sinθ1/sinθ2)。
33、作为本专利技术的进一步方案，所述将四路原始波束直接加和，形成全波束包括：
34、首先对全部信号脉冲压缩处理，在时域上对脉宽进行压缩，再对其进行球面扩展损失和吸收损失补偿，根据设置的门限，得到目标所在距离和脉宽。
35、作为本专利技术的进一步方案，根据获得的目标信息，再从原始回波信号中加窗截取，并再次进行脉冲压缩，并与参考信号在时域上进行峰值对齐操作，具体包括：先对信号进行取模运算，并找到模值的最大值，返回数据索引，根据两端信号的索引值，对两者本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于宽带分裂波束测深仪的目标强度估计方法，其特征在于，所述方法包括：
2.根据权利要求1所述的基于宽带分裂波束测深仪的目标强度估计方法，其特征在于，VR的宽带响应满足以下公式：
3.根据权利要求1所述的基于宽带分裂波束测深仪的目标强度估计方法，其特征在于，测量分裂波束换能器横向和纵向上的宽带波束图是基于基于圆盘式的分裂波束换能器，所述测量分裂波束换能器横向和纵向上的宽带波束图的步骤包括：
4.根据权利要求1所述的基于宽带分裂波束测深仪的目标强度估计方法，其特征在于，阻抗因子F通过换能器Helmholtz-Thevenin等效电路计算得到其本质为单频率下功率比值计算中的常数，在发射时将换能器等效为单复阻抗，通过电路有功功率和匹配阻抗即可得到加载在换能器两端的电压VT：
5.根据权利要求1或4所述的基于宽带分裂波束测深仪的目标强度估计方法，其特征在于，对互补的两路半波束信号进行希尔伯特变换，其中一路半波束取共轭，将两路处理后的信号在时间上对应数据相乘，对相乘的数据进行修正后的反正切计算，即可得到所有距离下的相位差，根据数字信号相
6.根据权利要求1-3任一所述的基于宽带分裂波束测深仪的目标强度估计方法，其特征在于，所述将四路原始波束直接加和，形成全波束包括：
7.根据权利要求1所述的基于宽带分裂波束测深仪的目标强度估计方法，其特征在于，根据获得的目标信息，再从原始回波信号中加窗截取，并再次进行脉冲压缩，并与参考信号在时域上进行峰值对齐操作，具体包括：先对信号进行取模运算，并找到模值的最大值，返回数据索引，根据两端信号的索引值，对两者进行左右裁剪，当截取信号的有效长度较大时，对参考信号进行补零，以保证两者为同一长度，再同时进行傅里叶变换计算。
8.根据权利要求1-3所述的基于宽带分裂波束测深仪的目标强度估计方法，其特征在于，声散射能力的度量以后向散射截面来描述，
...【技术特征摘要】
1.一种基于宽带分裂波束测深仪的目标强度估计方法，其特征在于，所述方法包括：
2.根据权利要求1所述的基于宽带分裂波束测深仪的目标强度估计方法，其特征在于，vr的宽带响应满足以下公式：
3.根据权利要求1所述的基于宽带分裂波束测深仪的目标强度估计方法，其特征在于，测量分裂波束换能器横向和纵向上的宽带波束图是基于基于圆盘式的分裂波束换能器，所述测量分裂波束换能器横向和纵向上的宽带波束图的步骤包括：
4.根据权利要求1所述的基于宽带分裂波束测深仪的目标强度估计方法，其特征在于，阻抗因子f通过换能器helmholtz-thevenin等效电路计算得到其本质为单频率下功率比值计算中的常数，在发射时将换能器等效为单复阻抗，通过电路有功功率和匹配阻抗即可得到加载在换能器两端的电压vt：
5.根据权利要求1或4所述的基于宽带分裂波束测深仪的目标强度估计方法，其特征在于，对互补的两路半波束信号进行希尔伯特变换，其中一路半波束...
【专利技术属性】
技术研发人员：艾秋明，李海森，姚金，李超，陶江平，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：
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