專利名稱：一種基于可變帶寬濾波器的多波束測深數(shù)據(jù)處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種水下的測深方法。
背景技術(shù)：
在多波束測深系統(tǒng)中，海底回波的信噪比直接影響多波束測深結(jié)果的精度。為了提高多波束測深精度必須提高信噪比，對信號進(jìn)行濾波處理是一種有效手段。目前國內(nèi)外的多波束測深系統(tǒng)廣泛采用固定帶寬濾波處理，其方法是根據(jù)發(fā)射脈沖的長度選取濾波器的帶寬，其不足之處是由于帶寬依賴于波束寬度、海底深度、波束和垂直方向夾角、脈沖寬度等很多因素，來自條帶上不同波束方向的海底回波信噪比并不相同，因此固定帶寬濾波器的效果并不是最優(yōu)的。2004 ^ OCEANS ^^ Variable Bandwidth Filter for Multibeam Echo-sounding Bottom Detection 一文禾口 2010 年 ICIA 會議 Estimation of Multibeam Phase Difference Using Variable Bandwidth Filter—文提出了采用可變帶寬濾波器， 其方法是在波束形成之后，針對不同波束具有不同的帶寬，采用可變帶寬濾波器對相位差序列進(jìn)行自適應(yīng)濾波處理，其不足之處是由于濾波在波束形成之后進(jìn)行，計算量很大，難以實時實現(xiàn)并應(yīng)用于工程實際。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種既能夠彌補固定帶寬濾波器原理上的不足，又具有工程可行性的濾波器可以進(jìn)一步提高多波束測深系統(tǒng)的精度的一種基于可變帶寬濾波器的多波束測深數(shù)據(jù)處理方法。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的本發(fā)明一種基于可變帶寬濾波器的多波束測深數(shù)據(jù)處理方法，其特征是(1)向水下發(fā)射信號，并對海底反向散射信號進(jìn)行帶通采樣，經(jīng)過正交變換和低通濾波后，得到通道數(shù)為M的多波束復(fù)信號，在下述信號處理步驟中將對信號進(jìn)行波束形成， 波束形成的角度為θ2， ，θ η，在測量的第一個周期設(shè)置默認(rèn)深度初始值H，根據(jù)深度值H計算波束形成角度為θ” θ2， ，θ η的各波束的帶寬；(2)由步驟(1)各波束的帶寬設(shè)計一組階數(shù)相同、截止頻率不同的濾波器，作為可變帶寬濾波器的子濾波器；(3)對于每一采樣時刻回波到達(dá)的波束，根據(jù)其中的最大帶寬選取濾波器的截止頻率，產(chǎn)生一組濾波器選擇系數(shù)，用來選擇不同時刻采用的子濾波器； (4)采用以上的濾波器系數(shù)和選擇系數(shù)，對各通道信號進(jìn)行濾波處理，之后對信號進(jìn)行波束形成，并通過測深算法得到深度值用于下一個周期的深度初始值。本發(fā)明還可以包括1、所述的波束角度θ2， ，θ η的選擇滿足θ2， ，θ η對波束形成的角度范圍全面覆蓋。
2、所述的根據(jù)深度值H計算波束形成角度為θ ” θ 2， ，θ n的各波束的帶寬的方法為c為聲速，τ為脈沖寬度，λ為信號的波長，對于陣列長度為L的均勻直線陣，H為深度，β i為波束指向為θ i時的-3dB半波束寬度2 β i ^ 2sin_1 (0. 443 λ /L) sec θ j (i = 1,2, · , η),、為_3dB波束寬度內(nèi)的回波持續(xù)時間tj = 2 (cos-1 ( θ j+ β j) -cos-1 ( θ j- β j)) H/c+ τ (i = 1,2, · , η),Qi方向波束輸出信號的-3dB帶寬Afi為Afi = 1/、 (i = l，2，*，n)。3、所述的設(shè)計一組階數(shù)相同、截止頻率不同的濾波器的方法為采用HR低通濾波器，子濾波器的截止頻率f。i根據(jù)各波束的帶寬選取4 = kX Af^k為常數(shù)，k的范圍為 1到2之間。4、所述的產(chǎn)生一組濾波器選擇系數(shù)的方法為當(dāng)前周期的深度近似等于前一周期得到的深度值，對波束角度為Qi得到其-3dB波束寬度，該波束的回波角度范圍為 [θ「β” θ,+ β,]；回波最先到達(dá)的時間為、=2^0^( Qi-β J/c，最后到達(dá)的時間為t2 =2HCOS-1 ( θ # i)/c+ τ，采樣頻率為fs，則回波持續(xù)的采樣點為H1 = Vfs到n2 = t2/fs ； 在同一采樣時刻的波束有效回波中大的帶寬選擇濾波器的截止頻率，按照時間順序保存采用的濾波器的編號。本發(fā)明的優(yōu)勢在于考慮到各波束的回波信號來自于不同的角度，回波的到達(dá)時間有先后順序，比如正下方最先收到回波，而外側(cè)波束方向較晚收到回波，因此在波束形成之前，在時間軸上對不同波束方向的回波到達(dá)時間進(jìn)行劃分，對某個時間段采用這個波束方向回波的帶寬作為濾波器的截止頻率、對另一個時間段采用另一個波束方向回波的帶寬作為濾波器的截止頻率，…，以此類推，這樣既能夠達(dá)到可變帶寬濾波的效果，又可以極大程度的減小計算量。


圖1為本發(fā)明的不同波束角度回波信號的帶寬；圖2不同時刻濾波器的截止頻率；圖3本發(fā)明流程圖；圖4信號的頻譜；圖5相位差曲線對比。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細(xì)地描述結(jié)合圖1 5，為實現(xiàn)本發(fā)明所述目的，通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)1.多波束測深系統(tǒng)向水下發(fā)射信號，并對海底反向散射信號進(jìn)行帶通采樣，經(jīng)過正交變換和低通濾波后，得到通道數(shù)為M的多波束復(fù)信號，在后續(xù)信號處理中將對信號進(jìn)行波束形成，波束形成的角度為θ2， ，θ η，在測量的第一個周期設(shè)置默認(rèn)深度初始值H，其后的每一個周期，H由前一周期測量得到，根據(jù)深度值H計算波束形成角度為Θ” θ2， ，θ η的各波束的帶寬；2.由各波束的帶寬設(shè)計一組階數(shù)相同，截止頻率不同的濾波器，作為可變帶寬濾波器的子濾波器；3.對于每一采樣時刻，有若干個波束的回波到達(dá)，根據(jù)其中的最大帶寬選取濾波器的截止頻率，產(chǎn)生一組濾波器選擇系數(shù)，用來選擇不同時刻采用的子濾波器；4.采用以上的濾波器系數(shù)和選擇系數(shù)，對各通道信號進(jìn)行濾波處理，之后對信號進(jìn)行波束形成，并通過測深算法得到深度值H用于下一個周期的處理。本發(fā)明還可以包括(1)步驟1中的各波束角度θ” θ2， ，θ 是根據(jù)波束形成的角度范圍和進(jìn)行濾波的精度選擇，要滿足θ2， ，θ η對波束形成的角度范圍全面覆蓋。(2)步驟1中根據(jù)前一周期測得的深度值，求當(dāng)前周期各波束θ ” θ 2， ，θ η的帶寬方法如下設(shè)c為聲速，τ為脈沖寬度，λ為信號的波長，對于陣列長度為L的均勻直線陣， H為深度，β i為波束指向為θ i時的-3dB半波束寬度2 β i ^ 2sin_1 (0. 443 λ /L) sec θ j (i = 1,2, · , η)、為_3dB波束寬度內(nèi)的回波持續(xù)時間tj = 2 (cos-1 ( θ j+ β j) -cos-1 ( θ j- β j)) H/c+ τ (i = 1,2, · , η)Qi方向波束輸出信號的-3dB帶寬Afi為Afi = 1/、 (i = l，2，*，n)。(3)步驟2中濾波器的設(shè)計方法是采用HR低通濾波器，子濾波器的截止頻率f。i 根據(jù)各波束的帶寬選取f。i = kX Afi，其中k根據(jù)環(huán)境情況選取。(4)步驟3中濾波器選擇系數(shù)按如下步驟計算(a)假設(shè)深度為漸變的，當(dāng)前周期的深度近似等于前一周期得到的深度值為H，對波束角度為Qi，由權(quán)利要求2中的計算方法可以得到其-3dB波束寬度β”該波束的回波角度范圍為[θ「β" θ +β」；(b)回波最先到達(dá)的時間為、=？?。、荿⑶廠^八，最后到達(dá)的時間為、= 2^08^(0 i+β i)/c+ τ，采樣頻率為fs，則回波持續(xù)的采樣點為H1 = Vfs到n2 = t2/fs ；(c)在同一采樣時刻可能有若干個波束都有有效回波，根據(jù)其中較大的帶寬選擇濾波器的截止頻率，按照時間順序保存采用的濾波器的編號。(5)步驟4中的濾波處理是在波束形成之前進(jìn)行，每個通道的信號濾波處理相同， 在每個時刻根據(jù)濾波器選擇系數(shù)中濾波器的編號，采用相應(yīng)的濾波器系數(shù)與信號進(jìn)行乘累加，得到濾波后的信號。多波束測深系統(tǒng)采用“T”型組合聲學(xué)基陣，發(fā)射基陣為多元弧陣，接收陣為由80 個陣元組成的均勻線陣，聲源發(fā)射脈沖長度1ms，采樣率40kHz。對2009年松花湖試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。1.由前一周期獲得水深H = 58. 6米，各波束角度θ π θ 2， ，θ η以進(jìn)行128點波束形成時的波束角度為例，計算當(dāng)前周期不同波束角度回波信號的帶寬如圖1，可見隨著波束角度增大，信號帶寬減小；2.設(shè)計可變帶寬濾波器的子濾波器以100階HR低通濾波器為例，子濾波器的截止頻率選取f。i = kX Δ &，以k = 1為例；3.對于每一采樣時刻，有若干個波束的回波到達(dá)，根據(jù)其中的最大帶寬選取濾波器的截止頻率，產(chǎn)生一組濾波器選擇系數(shù)，用來選擇不同時刻采用的子濾波器，如圖2為不同時刻濾波器的截止頻率；4.采用以上的濾波器系數(shù)和選擇系數(shù)，對各通道信號進(jìn)行濾波處理，流程圖如圖 3。對信號進(jìn)行可變帶寬濾波后進(jìn)行波束形成，形成1 個波束，由于在回波角度大的方向信號的持續(xù)時間長，而角度小的方向回波持續(xù)時間較短，在不同波束有回波的范圍內(nèi)，對信號進(jìn)行頻率分析，圖4給出了對每個波束的頻譜進(jìn)行歸一化結(jié)果。從圖中可以看到，正下方的波束帶寬最大，大約為1kHz，隨著波束角度的增大信號的帶寬不斷減小，與理論分析結(jié)果基本一致。多波束測深系統(tǒng)采用本發(fā)明的可變帶寬濾波器與采用固定帶寬濾波器后的相位差序列對比如圖5。固定帶寬濾波器的截止頻率取發(fā)射脈沖長度的倒數(shù)，即1kHz。圖中(a)、 (b)是第124號波束，即波束指向為67. 2°的相位差曲線，(c)、(d)是第105號波束，即波束指向為38. 7°的相位差曲線。對比以上結(jié)果，經(jīng)過可變帶寬濾波后，相位差序列更加平滑，信號的信噪比有明顯改善。
權(quán)利要求
1.一種基于可變帶寬濾波器的多波束測深數(shù)據(jù)處理方法，其特征是(1)向水下發(fā)射信號，并對海底反向散射信號進(jìn)行帶通采樣，經(jīng)過正交變換和低通濾波后，得到通道數(shù)為M的多波束復(fù)信號，在下述信號處理步驟中將對信號進(jìn)行波束形成，波束形成的角度為θ2， ，θ η，在測量的第一個周期設(shè)置默認(rèn)深度初始值H，根據(jù)深度值H 計算波束形成角度為θ2， ，θ η的各波束的帶寬；(2)由步驟(1)各波束的帶寬設(shè)計一組階數(shù)相同、截止頻率不同的濾波器，作為可變帶寬濾波器的子濾波器；(3)對于每一采樣時刻回波到達(dá)的波束，根據(jù)其中的最大帶寬選取濾波器的截止頻率， 產(chǎn)生一組濾波器選擇系數(shù)，用來選擇不同時刻采用的子濾波器；(4)采用以上的濾波器系數(shù)和選擇系數(shù)，對各通道信號進(jìn)行濾波處理，之后對信號進(jìn)行波束形成，并通過測深算法得到深度值用于下一個周期的深度初始值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于可變帶寬濾波器的多波束測深數(shù)據(jù)處理方法，其特征是所述的波束角度θ” θ2， ，θ η的選擇滿足θ” θ2， ，θ 對波束形成的角度范圍全面覆蓋。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于可變帶寬濾波器的多波束測深數(shù)據(jù)處理方法，其特征是所述的根據(jù)深度值H計算波束形成角度為θ ” θ 2， ，θ η的各波束的帶寬的方法為 c為聲速，τ為脈沖寬度，λ為信號的波長，對于陣列長度為L的均勻直線陣，H為深度，I 為波束指向為θ i時的_3dB半波束寬度2β i ^ 2sin_1 (0. 443 λ/L) sec Qi (i = 1,2, · , η),、為_3dB波束寬度內(nèi)的回波持續(xù)時間ti = 2 (cos"1 ( θ j+ β j) -cos"1 (Oi-^i)) H/c+ τ (i = 1,2, ，η)，Gi方向波束輸出信號的_3dB帶寬Afi為Afi = IAi (i = 1，2，·，n)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于可變帶寬濾波器的多波束測深數(shù)據(jù)處理萬法，其特征是所述的設(shè)計一組階數(shù)相同、截止頻率不同的濾波器的萬法為采用^R低通濾波器， 子濾波器的截止頻率4根據(jù)各波束的帶寬選取4 = kX Afi, k為常數(shù)，k的范圍為1到 2之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于可變帶寬濾波器的多波束測深數(shù)據(jù)處理方法，其特征是所述的產(chǎn)生一組濾波器選擇系數(shù)的方法為當(dāng)前周期的深度近似等于前一周期得到的深度值，對波束角度為Qi得到其-3dB波束寬度，該波束的回波角度范圍為 [θ「β” θ,+ β,]；回波最先到達(dá)的時間為、=2^0^( Qi-β J/c，最后到達(dá)的時間為t2 =2HC0S-1 ( θ # i)/c+ τ，采樣頻率為fs，則回波持續(xù)的采樣點為H1 = Vfs到n2 = t2/fs ； 在同一采樣時刻的波束有效回波中大的帶寬選擇濾波器的截止頻率，按照時間順序保存采用的濾波器的編號。
全文摘要
本發(fā)明的目的在于提供一種基于可變帶寬濾波器的多波束測深數(shù)據(jù)處理方法，包括以下步驟向水下發(fā)射信號，對海底反向散射信號進(jìn)行帶通采樣，經(jīng)過正交變換和低通濾波后，得到通道數(shù)為M的多波束復(fù)信號，根據(jù)深度值計算波束形成角度的各波束的帶寬；設(shè)計一組階數(shù)相同、截止頻率不同的濾波器，作為可變帶寬濾波器的子濾波器；選取濾波器的截止頻率，產(chǎn)生一組濾波器選擇系數(shù)；采用以上的濾波器系數(shù)和選擇系數(shù)，對各通道信號進(jìn)行濾波處理，之后對信號進(jìn)行波束形成，并通過測深算法得到深度值用于下一個周期的深度初始值。本發(fā)明既能夠彌補固定帶寬濾波器原理上的不足，又具有工程可行性的濾波器可以進(jìn)一步提高多波束測深系統(tǒng)的精度。
文檔編號G01S7/539GK102353957SQ20111027334
公開日2012年2月15日 申請日期2011年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月15日
發(fā)明者周天, 李海森, 李珊, 李若, 陳寶偉, 魏玉闊 申請人:哈爾濱工程大學(xué)