探渔声纳及声纳回波信号处理方法技术

本发明专利技术公开了一种探渔声纳及声纳回波信号处理方法，该探渔声纳是在对传统鱼探仪原理分析基础上，在信号采集与处理过程中将压缩感知理论应用于对回波信号处理，具体方法是通过采用将回波信号向低维测量矩阵投影的方式，获取比奈奎斯特采样定理所需测量数据量更少的测量数据，结合回波信号在分数阶傅里叶变换域的稀疏形式构建重构矩阵之后，最后运用压缩感知信号重构方法优化求解目标回波信号参数。一方面该方法可降低信号的采样率，同时有效缓解硬件对数据存储、数据计算和传输的压力。另一方面对回波信号进行稀疏表示，可以提取到回波信号最本质的特征，可以达到去除噪声的效果，提高装置的精确度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种探渔声纳及回波处理方法，尤其涉及一种基于压缩感知进行声纳回波处理的探渔声纳，属于水声工程
。
技术介绍
随着国民经济的发展，人们对海洋资源的需求日益增加，渔业资源的开发越来越受到重视。为了有效提高对海洋渔业资源的捕捞，我们需要不断改进和发展捕捞装置，提高捕鱼的效率。中国专利文献CN1959434A公开了一种多波束超声波探渔仪，该探渔装置采用多通道水声换能器阵提高了接收回波的强度，解决了鱼群的宽度和厚度的正确判断问题，多波束功能的运用能大大提高海底信息的获取功能，但是现有技术在对探渔回波信号处理方面还存在的一些问题:1.该多波束探鱼仪在对回波信号进行采集的过程中采用的是传统的奈奎斯特采样方式，需要很高的采样频率和计算资源，对硬件的存储和计算处理能力都有很高的要求。2.探测的目标回波信号夹杂着很多的干扰和噪声信号，如混响和系统噪声等，不利于通过反射回来的回波信号对鱼群信息的探测，会导致很多错误的探测信息，降低了探测的效率。该多波束探渔装置对回波信号进行滤波处理，来消除噪声的干扰，但是当噪声跟信号频率相近时，仅通过滤波并不能很好的去噪，所以探渔装置的精确度受到了影响。因此，针对传统探渔装置的不足，对探渔声纳系统装置进行改进，研究一种新的探渔声纳回波处理方法，以节约探渔装置的成本和探测时间，具有广阔的应用价值。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种，在传统探渔装置对回波信号滤波的基础上，继续对回波信号进行稀疏重构，从根本上实现去噪，提取目标回波信号最本质的特征，同时降低采样频率，从而提高装置捕捞的准确性，降低了对硬件需求。本专利技术的目的通过以下技术方案予以实现:一种探渔声纳，包括水上控制机1、收发转换开关11以及水声换能器10 ;所述水上控制机I包括嵌入式工控机29、发射模块3、信号产生模块4、接收模块5、信号采集与处理模块6、电源模块9、显示器30 ;所述发射模块3包括功率放大器17和阻抗匹配器18 ;所述信号产生模块4包括第一 DSP处理器12、第一存储器13、第一 Flash闪存14、第一 PCI接口控制器15、D/A转换器16 ;所述接收模块5包括模拟信号预处理放大器19、滤波器20 ；所述信号采集与处理模块6包括第二 DSP处理器21、第二 Flash闪存22、第三DSP处理器23、第三Flash闪存24、总线接口 25、第二存储器26、中央逻辑控制器27、第二 PCI接口控制器28 ;所述收发转换开关11与水声水声换能器10双向相连，所述收发转换开关11与模拟信号预处理放大器19相连输入信号，所述模拟信号预处理放大器19与滤波器20相连，所述滤波器20与第二 DSP处理器21相连，所述第二 DSP处理器21与第二 Flash闪存22相连，所述第三DSP处理器23和第三Flash闪存24相连，所述第二 DSP处理器21与第三DSP处理器23相连，所述总线接口 25分别与第三DSP处理器23、第二存储器26、中央逻辑控制器27相连，所述嵌入式工控机29和显示器30相连，并通过第一 PCI接口控制器15与第一 DSP处理器12相连，通过第二 PCI接口控制器28与中央逻辑控制器27相连；所述第一 DSP处理器12与第一 Flash闪存14、第一存储器13和D/A转换器16相连；所述D/A转换器16与功率放大器17相连接，所述功率放大器17与阻抗匹配器18相连，所述阻抗匹配器18与收发转换开关11连接输出信号，所述电源模块9为发射模块3、接收模块5、信号产生模块4、信号米集与处理模块6和嵌入式工控机29提供电源。一种探渔声纳回波信号处理方法，包括以下步骤:I)发射模块3发射出探测信号为线性脉冲信号X (t)，接收模块5接收到的回波信号为SJt)，在分数阶傅里叶变换域对回波信号SJt)进行测量，所用的MXN维测量矩阵O是NXN维分数阶傅里叶阵I；和MXN维高斯随机测量矩阵0的乘积，即? = 其中M为测量数据量，由稀疏度K决定，即与目标数目有关，N为以奈奎斯特采样率对回波信号进行测量所需要的测量数量的点数，用压缩感知对回波信号进行测量所需的测量数量满足K<M < N，T；表示分数阶傅里叶变换矩阵，其中a = arccot (_2 Kr)，Kr表示分数阶傅里叶变换核；2)根据上一步骤得出测量矩阵O，然后将回波信号SJt)投影到该测量矩阵O上面，对其进行测量，得出测量信号Y(n) (u)，K ⑷(W) = O) + n ⑷(U)其中(n)表示第n个信号接收点，n= 1，…，N，N为信号接收点数目，(U)代表在分数阶傅里叶变换域，欠表示在分`数阶傅里叶变换域无噪的的回波信号，n(n) (u)表示在分数阶傅里叶变换域的噪声混响；3)根据上一步骤得出的测量信号Yw (U)，利用稀疏重构算法重构出稀疏回波信号，min S°,}(u) s.t Y(,,}(u)-OS0,)(u) </3 k) h其中||.||/q 表示 I。-范数；||.||,2 表示 I2-范数；S.t表示使得满足的条件；P表示预设的噪声存在时优化收敛的门限值；4)由于上一步骤求解是N-Phard问题，对于S(n) (u)重构的算法采用平滑Itl范数求解，即为求解下式所示问题:min{N-Fcj(Sin^u)) s.t< J3其中需定义一个函数类似于高斯函数，如下式所示:本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种探渔声纳，其特征在于，包括水上控制机（1）、收发转换开关（11）以及水声换能器（10）；所述水上控制机（1）包括嵌入式工控机（29）、发射模块（3）、信号产生模块（4）、接收模块（5）、信号采集与处理模块（6）、电源模块（9）、显示器（30）；所述发射模块（3）包括功率放大器（17）和阻抗匹配器（18）；所述信号产生模块（4）包括第一DSP处理器（12）、第一存储器（13）、第一Flash闪存（14）、第一PCI接口控制器（15）、D/A转换器(16)；所述接收模块（5）包括模拟信号预处理放大器（19）、滤波器（20）；所述信号采集与处理模块（6）包括第二DSP处理器（21）、第二Flash闪存（22）、第三DSP处理器（23）、第三Flash闪存（24）、总线接口（25）、第二存储器（26）、中央逻辑控制器（27）、第二PCI接口控制器（28）；所述收发转换开关（11）与水声水声换能器（10）双向相连，所述收发转换开关（11）与模拟信号预处理放大器（19）相连输入信号，所述模拟信号预处理放大器（19）与滤波器（20）相连，所述滤波器（20）与第二DSP处理器（21）相连，所述第二DSP处理器（21）与第二Flash闪存（22）相连，所述第三DSP处理器（23）和第三Flash闪存（24）相连，所述第二DSP处理器（21）与第三DSP处理器（23）相连，所述总线接口（25）分别与第三DSP处理器（23）、第二存储器（26）、中央逻辑控制器（27）相连，所述嵌入式工控机（29）和显示器（30）相连，并通过第一PCI接口控制器（15）与第一DSP处理器（12）相连，通过第二PCI接口控制器（28）与中央逻辑控制器（27）相连；所述第一DSP处理器（12）与第一Flash闪存（14）、第一存储器（13）和D/A转换器(16)相连；所述D/A转换器（16）与功率放大器（17）相连接，所述功率放大器（17）与阻抗匹配器（18）相连，所述阻抗匹配器（18）与收发转换开关（11）连接输出信号，所述电源模块（9）为发射模块（3）、接收模块（5）、信号产生模块（4）、信号采集与处理模块（6）和嵌入式工控机（29）提供电源。...

【技术特征摘要】
1.一种探渔声纳，其特征在于，包括水上控制机(I)、收发转换开关(11)以及水声换能器(10);所述水上控制机(I)包括嵌入式工控机(29)、发射模块(3)、信号产生模块(4)、接收模块(5)、信号采集与处理模块(6)、电源模块(9)、显示器(30);所述发射模块(3)包括功率放大器(17)和阻抗匹配器(18);所述信号产生模块(4)包括第一 DSP处理器(12)、第一存储器(13)、第一 Flash闪存(14)、第一 PCI接口控制器(15)、D/A转换器(16);所述接收模块(5)包括模拟信号预处理放大器(19)、滤波器(20);所述信号采集与处理模块(6)包括第二 DSP处理器(21)、第二 Flash闪存(22)、第三DSP处理器(23)、第三Flash闪存(24)、总线接口(25)、第二存储器(26)、中央逻辑控制器(27)、第二 PCI接口控制器(28);所述收发转换开关(11)与水声水声换能器(10)双向相连，所述收发转换开关(11)与模拟信号预处理放大器(19)相连输入信号，所述模拟信号预处理放大器(19)与滤波器(20)相连，所述滤波器(20)与第二 DSP处理器(21)相连，所述第二 DSP处理器(21)与第二 Flash闪存 (22)相连，所述第三DSP处理器(23)和第三Flash闪存(24)相连，所述第二 DSP处理器(21)与第三DSP处理器(23)相连，所述总线接口( 25)分别与第三DSP处理器(23)、第二存储器(26 )、中央逻辑控制器(27 )相连，所述嵌入式工控机(29 )和显示器(30 )相连，并通过第一 PCI接口控制器(15)与第一 DSP处理器(12)相连，通过第二 PCI接口控制器(28)与中央逻辑控制器(27)相...

【专利技术属性】
技术研发人员：王彪，朱志慧，曾庆军，
申请(专利权)人：江苏科技大学，
类型：发明
国别省市：