CN104267403A - 一种浅水多波束测深仪用快速动态聚焦方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种浅水多波束测深仪用快速动态聚焦方法，包括以下步骤：水声换能器阵元采集多波束测深仪的回波声信号，将声信号转换为电信号，再经过处理得到数字信号；将数字信号变换得到回波声信号的复数形式V_m；选择一个预设角度θ_k，根据采样点号N和阵元号m，快速计算出第i个阵元的相移参数τ_mki；将每个阵元的相移参数的复数形式和回波声信号的复数形式V_m，按通道号和采样点号对应乘累加，得到单波束的动态聚焦结果；判断是否存在未被选择的预设角度，如果存在，重复步骤三～步骤四，否则，输出所有单波束的动态聚焦结果。本发明在不损失多波束测深中动态聚焦精度时，具有快速计算的能力，精度高，且结构简单，易于实现。

Description

一种浅水多波束测深仪用快速动态聚焦方法

技术领域

本发明属于多波束测深领域，尤其涉及能够解决近场效应的，一种浅水多波束测深仪用快速动态聚焦方法。

背景技术

我国拥有大面积的海域和江湖内河，且大部分属于浅水环境，为充分的了解水底地形，浅水多波束测深仪发挥着不可替代的作用。随着科技的不断进步，人们对获取水底地形的精度有着越来越高的要求，而常规多波束测深仪中为简化计算，常采用远场近似模型，在满足r＞＞D²/λ时可以保证高精度，其中r为目标离阵元中心的距离，D为基阵的孔径大小，λ为接收信号的波长，而对于不满足该条件的近场情况，测深精度急剧下降。为了确保多波束测深仪在整个探测范围内都保证测深精度，近场情况不容许忽视，特别是在浅水为主的河道等场合，这个问题尤为突出。

为解决近场问题，国内外专家学者开展了许多理论研究，但多限于理论仿真或分段聚焦处理方法。其中理论仿真仅限于测深精度分析，无法应用在浅水多波束测深仪的快速测量中；分段聚焦处理方法虽然可以快速实现但以损失测量精度为代价。谌颖等人在其发表的文章中提出“采用分级聚焦波束形成的快速声成像算法”，谌颖,叶青华,黄海宁.采用分级聚焦波束形成的快速声成像算法[J],应用声学,2008,27(3):207-210。虽然计算速度提高了，但是动态波束聚焦误差较大。因此，急需一种新的快速高精度动态波束聚焦方法。

发明内容

本发明的目的是提供具有高精度的，一种浅水多波束测深仪用快速动态聚焦方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种浅水多波束测深仪用快速动态聚焦方法，包括以下几个步骤：

步骤一：水声换能器阵元采集多波束测深仪的回波声信号，将声信号转换为电信号，再经过处理得到数字信号；

步骤二：将数字信号经过正交变换得到回波声信号的复数形式V_m；

步骤三：选择一个预设角度θ_k，根据采样点号N和阵元号m，计算出第i个阵元的相移参数τ_mki，

其中角度项影响因子距离项影响因子c为声速，f_s为采样率，π为圆周率，d为阵元间距，λ为波长，k为波束数；

将第i个阵元的相移参数τ_mki通过坐标旋转数字计算，得到第i个阵元的相移参数τ_mki的复数形式；

步骤四：将每个阵元的相移参数的复数形式和回波声信号的复数形式V_m，按通道号和采样点号对应乘累加，得到单波束的动态聚焦结果其中M为阵元总数；

步骤五：判断是否存在未被选择的预设角度，如果存在，重复步骤三～步骤四，否则，输出所有单波束的动态聚焦结果。

本发明的有益效果：

提供了一种快速的动态聚焦技术，根据预设目标离基阵距离的不同和阵元号的不同，计算出对应的各阵元的相移参数，然后将相移参数转换为复数形式和回波信号的复数形式按通道号对应乘累加，得到快速动态聚焦结果。同时引入面积与速度互换原则，解决了动态聚焦的快速计算问题。本发明有益的效果是：在不损失多波束测深中动态聚焦精度时，具有快速计算的能力，且结构简单，易于实现，可广泛用于提高浅水多波束测深仪的近场快速测量精度。

附图说明

图1本发明的方法流程图，

图2本发明具体实施例的连接系统框图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步详细说明。

1、一种浅水多波束测深仪用快速动态聚焦方法，包含步骤如下：

步骤一：用水声换能器采集多波束测深仪的回波信号，进行声电转换，再经过放大、滤波、时变增益控制和模数转换降采样得到数字信号；

步骤二：将步骤一的结果经过正交变换得到回波信号的复数形式V_m；

步骤三：根据动态聚焦波束形成的预设角度θ_k、采样点号N和阵元号m，快速计算出各阵元的相移参数其中角度项影响因子距离项影响因子c为声速、f_s为采样率、π为圆周率、d为阵元间距、λ为波长、k为波束数；

将相移参数结果τ_mk通过快速坐标旋转数字计算，分别产生相移参数的正弦结果sin(τ_mk)和余弦结果cos(τ_mk)；

步骤四：将动态聚焦波束形成的预设角度θ_k的相移参数转换为复数形式和经过正交变换后的多波束测深回波信号的复数形式V_m，按通道号和采样点号按对应θ_k角度的M个乘法结果进行累加，得到单个波束的动态聚焦结果即是波束形成的k个θ角度的聚焦波束输出，其中M为阵元总数，V_m代表阵元m的回波信号的复数形式，j代表复数的虚部；

步骤五：按不同θ_k角度重复步骤四，即可得到按等角或等距模式排布的快速动态聚焦的结果。

2、前述的步骤三，包含步骤如下：

第一步：利用自加器循环产生阵元号m，其值从0到(M-1)，其中M为阵元个数，并在发射多波束探测信号时清零；

第二步：将上一步结果输入到平方器产生m²，并将结果与参数存储器输出的结果对应相乘，其中参数c为声速、f_s为采样率、π为圆周率、d为阵元间距、λ为波长、θ_k为第k个聚焦波束角；

第三步：将第一步结果与参数γ_k存储器输出的结果对应相乘，其中π为圆周率、d为阵元间距、λ为波长、θ_k为第k个聚焦波束角；

第四步：以发射多波束探测信号为起始点，以采样周期为间隔，用自加器产生采样点号计数值N，并用除法器产生(2^p)/N，其中16≤p≤64，且p为整数；

第五步：将步骤二的结果乘以步骤四的结果并除以(2^p)或者将定点结果右移p位，产生近场效应影响项；

6)将步骤三和步骤五的结果通过加法器累加，得到相移参数结果其中τ_mk为第k个聚焦波束角在阵元m的相移。

本发明一种浅水多波束测深仪用快速动态聚焦方法，包含快速动态相移计算模块1和快速移相累加求和模块2两部分，其中快速动态相移计算模块1动态依据采样点号和阵元号的变化快速计算出对应的相移后通过电信号连接到快速移相累加求和模块2计算输出动态聚焦的结果。在此以在可编程逻辑门阵列中实施举例说明。

快速动态相移计算模块1，包含阵元号m计数器4，阵元号m平方器3，参数和参数γ_k存储器5、10，采样点号N计数器7，一个除法器8，两个乘法器6、9，一个加法器11和相移结果存储器12；为快速计算动态相移，需用内部逻辑资源设计阵元号m计数器4，用乘法器资源实现阵元号m平方器3，用内部存储器资源设计参数和参数γ_k存储器5、10，用内部逻辑资源设计采样点号N计数器7，用内部乘法器资源设计两个乘法器6、9，用内部逻辑资源设计除法器8，再用内部逻辑资源设计一个加法器11，最后用存储器资源设计相移结果存储器12，其中参数和参数γ_k满足其中c为声速、f_s为采样率、π为圆周率、d为阵元间距、λ为波长、θ_k为第k个聚焦波束角。其中阵元号m计数器4循环产生通道号，通过阵元号m平方器3与参数存储器的预存数据相乘，然后除以采样点号N计数器，可得到同时阵元号m计数器4的输出，直接和参数γ_k存储器的预存数据相乘即可得到mγ_k部分，两部分相加即可得到动态相移具体结构如图2中1所示：

其中m为阵元号、N为采样点号、为第k个聚焦波束角的自定义参数、γ_k为第k个聚焦波束角的自定义参数。每接收到一组多通道原始数据，采样点号N计数器7自增1，然后以电信号的形式送至除法器8；阵元号m计数器4从1自增到阵元数M,然后以电信号形式传输到阵元号m平方器3和乘法器9；

阵元号m平方器3接收到阵元号m值后，完成平方运算，然后送到乘法器6；

乘法器9接收到阵元号的变化后，以阵元号为地址查询参数γ_k存储器10，并将阵元号与查询结果对应相乘，将结果以电信号形式输出到加法器11；乘法器6接收到阵元号平方的变化后，以阵元号为地址查询参数存储器5，并将阵元号平方与查询结果对应相乘，将结果以电信号形式输出到除法器8；

除法器8用乘法器6的结果除以采样点号N计数器7结果，并以电信号形式输出到加法器11；加法器11将除法器8和乘法器9的结果对应相加，即可得到快速动态相移计算结果。

快速移相累加求和模块2，包含坐标旋转数字计算模块13、原始数据存储器14、复数乘法器15、累加器16和动态波束聚焦结果存储器17。

为快速计算动态近场聚焦波束形成结果V(θ_k)，其中

$V\left({\mathrm{\θ}}_k\right)=\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{V}_m(\cos \left({\mathrm{\τ}}_{\mathrm{mk}}\right)-j\sin \left({\mathrm{\τ}}_{\mathrm{mk}}\right))$

式中：V(θ_k)代表波束形成的k个θ角度的聚焦波束输出，V_m代表阵元m的原始数据输入信号，M代表原始数据的总通道数，j代表复数的虚部。需用内部逻辑资源设计坐标旋转数字计算模块13、用内部存储器资源设计原始数据存储器14、用内部乘法器和加法器资源设计复数乘法器15、用内部加法器资源设计累加器16和用内部存储器资源设计动态波束聚焦结果存储器17。其中坐标旋转数字计算模块13在综合考虑快速和精度的问题，可以采用18次迭代的坐标旋转数字计算。将动态相移τ_mk结果送入到坐标旋转数字计算模块13中，经过迭代运算产生对应的正弦和余弦，然后与原始数据存储器14的原始数据通过复数乘法器15，最后由累加器16得到动态近场聚焦波束形成结果，具体结构如图2中2所示。

其中坐标旋转数字计算模块13接收来自快速动态相移计算模块1的相移计算结果，并计算输出正弦和余弦结果；坐标旋转数字计算模块13和原始数据存储器14分别输出电信号连接到复数乘法器15完成原始数据和相移参数的复数乘法，达到移相的目的；复数乘法器15、累加器16和动态波束聚焦结果存储器17，依次按电信号连接，通过将各通道的原始数据经过对应的移相累加后，将动态聚焦结果存放到存储器。坐标旋转数字计算模块13以电信号形式接收来自快速动态相移计算模块1的相移值，通过坐标旋转数字计算，得到对应相移的正弦和余弦结果，并组合成为相移的复数形式，并以电信号形式传送至复数乘法器15；复数乘法器15将坐标旋转数字计算模块13的计算结果和原始数据存储器14中的数据对应复数相乘得到复数结果，以电信号形式传输至累加器16；累加器16将对应阵元号1到M的复数乘法器15结果累加得到动态聚焦结果，并存放到动态波束聚焦结果存储器17。

本发明提供了一种快速的动态聚焦技术，根据预设目标离基阵距离的不同和阵元号的不同，计算出对应的各阵元的相移参数，然后将相移参数转换为复数形式和回波信号的复数形式按通道号对应乘累加，得到快速动态聚焦结果。同时引入面积与速度互换原则，由于未采用分级聚焦和分段聚焦的近似，相对分级聚焦波束形成和分段聚焦波束形成而言具有聚焦波束精度高的特点，解决传统浅水多波束测深仪近场高精度测深的问题，来达到快速计算近场动态波束聚焦波束形成的目的。

Claims (1)

1.一种浅水多波束测深仪用快速动态聚焦方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

步骤一：水声换能器阵元采集多波束测深仪的回波声信号，将声信号转换为电信号，再经过处理得到数字信号；

步骤二：将数字信号经过正交变换得到回波声信号的复数形式V_m；

步骤三：选择一个预设角度θ_k，根据采样点号N和阵元号m，计算出第i个阵元的相移参数τ_mki，

其中角度项影响因子距离项影响因子c为声速，f_s为采样率，π为圆周率，d为阵元间距，λ为波长，k为波束数；

将第i个阵元的相移参数τ_mki通过坐标旋转数字计算，得到第i个阵元的相移参数τ_mki的复数形式；

步骤四：将每个阵元的相移参数的复数形式和回波声信号的复数形式V_m，按通道号和采样点号对应乘累加，得到单波束的动态聚焦结果其中M为阵元总数；

步骤五：判断是否存在未被选择的预设角度，如果存在，重复步骤三～步骤四，否则，输出所有单波束的动态聚焦结果。