一种基于单波束声呐的高精度水下扫描方法及系统与流程

本发明属于声呐测绘优化，更具体地，涉及一种基于单波束声呐的高精度水下扫描方法及系统。

背景技术：

1、声呐领域极其重视目标探测的准确性与稳定性，这也是衡量声呐性能的一个标准。声呐在波束方面的类型分类主要分为两类，单波束声呐和多波束声呐，它们基于传感器数目的不同实现不同需求的环境扫描。其中，多波束声呐采用复数的声波传感器进行信号的发射和接收，通常用于二、三维场景下的水下扫描，但是由于多波束声呐传感器成阵复杂、实时数据量大、成本昂贵等问题，并不利于某些环境下的推广。单波束声呐则采用单个传感器进行声波的发射和接收，用来探测水底的深度以及水下是否有物体，功能比较单一，成本低，通常用于较简单的一维场景下的水下测绘。不过由于单波束声呐受限于传感器的数量的影响，只能在单个方向进行测绘，通常声呐多采用普通脉冲信号作为发射信号，频率信号单一，测绘范围受限于发射信号频率并且满足不了较高的扫描精度。同时，在遭受波浪起伏或者水下浑浊的环境下，单波束声呐更是容易受到各种干扰噪声的影响，制约了声呐探测的精准性和稳定性，从而使得扫描效果不佳，导致判断出现问题。因此，如何克服单波束声呐在上述相关技术中的缺陷，就成了业界亟待解决的问题。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种基于单波束声呐的高精度水下扫描方法及系统，通过采集包含电路噪声以及环境噪声的噪声能量值，建立噪声误差模型，有效降低了电路噪声以及环境噪声对声呐接收信号的影响；通过引入线性调频的发射信号，同时在接收过程中对声波使用脉冲压缩技术，有效区分同一方位近距离的两个物体，提高声呐回波信号中的距离分辨率，显著提升扫描的质量和扫描范围；通过引入时间增益补偿函数，使得远处的回波信号不会由于探测距离的增加而导致信号衰减而被忽略；通过回波接收后的巴特沃斯低通滤波处理，有效降低了偶尔出现的干扰信号对声呐接收信号的影响，保证了单波束声呐在工作过程中的准确性和稳定性；通过引入波束形成算法对经过低通滤波处理的信号进行处理，可以确定探测物体在传感器相对角度，在包含距离的信息加入之后，物体在距离声呐的位置得到明确，突破了单波束声呐只能在一维场景中使用的情况，并且将其成功运用到二维环境中；进而实现单波束声呐在水下的高精度扫描。

2、为了实现上述目的，本发明的一个方面提供一种基于单波束声呐的高精度水下扫描方法，包括如下步骤：

3、s1:通过单波束声呐系统采集多组包括电路噪声和环境噪声的初始噪声能量值，建立噪声误差模型；

4、s2:设置所述单波束声呐系统的载波频率，通过单波束声呐系统中的传感器向水下物体发射线性调频信号；水下物体接收所述线性调频信号后反射回波信号给所述传感器；

5、s3:对所述回波信号进行时间增益补偿，获得增益补偿后的回波信号；

6、s4:对所述增益补偿后的回波信号进行初步消噪、傅里叶检波、巴特沃斯低通滤波器处理，获得消除干扰信号的频域信号；

7、s5:通过波速形成算法对所述消除干扰信号的频域信号进行频域波束形成，获得波束形成结果；

8、s6:根据所述波束形成结果确定目标方向和距离，通过脉冲压缩技术对步骤s2中的发射线性调频信号和回波信号进行处理，获得脉冲压缩后频谱；

9、s7:对所述脉冲压缩后频谱进行逆傅里叶变换，获得时域能量值；将所述时域能量值中相应的能量值对应于同一色系下的不同深浅的对比值，得到当前扫描信息显示图；

10、s8:重复步骤s2～s7,获得实时的水下扫描信息显示图。

11、进一步地，步骤s4中，对所述增益补偿后的回波信号进行初步消噪、傅里叶检波、巴特沃斯低通滤波器处理，获得消除干扰信号的频域信号；包括：

12、消除对所述增益补偿后的回波信号中的电路和环境噪声，获得初步去噪的回波信号；

13、对所述初步去噪的回波信号进行傅里叶检波，获得频域信号；

14、通过巴特沃斯低通滤波器处理所述频域信号，获得消除干扰信号的频域信号。

15、进一步地，步骤s5中，通过波速形成算法对所述消除干扰信号的频域信号进行频域波束形成，获得波束形成结果；包括：

16、在所述消除干扰信号的频域信号中选择需要的频率范围；

17、在所述频率范围内，识别并提取出对应的线谱；

18、通过波速形成算法对所述线谱进行波束预处理，获得波束形成结果。

19、进一步地，步骤s6中根据所述波束形成结果确定目标方向和距离，通过脉冲压缩技术对步骤s2中的发射线性调频信号和回波信号进行处理，获得脉冲压缩后频谱；包括如下步骤：

20、s61：根据所述波束形成结果确定回波目标的方向和距离；

21、s62：对步骤s2中的所述线性调频信号进行频域转换获得转换为频域信号的线性调频信号，去除步骤s2的回波信号中频域的二次相位，获得去除二次相位的回波信号；

22、s63：将所述转换为频域信号的线性调频信号与去除二次相位的回波信号进行频域共轭处理，得到脉冲压缩后频谱。

23、进一步地，步骤s4中，增益补偿后的回波信号s(t)通过下式表示：

24、

25、其中，t为连续时间，k＝b/t，b为脉宽，t为时宽；r为扫描位置距离传感器的距离；j为虚数单位；w(t)为噪声误差模型；t(t)为tvg函数表达式；c为声速。

26、进一步地，步骤s5中，所述波束形成结果通过式(9)表示：

27、

28、进一步地，步骤s6中，所述脉冲压缩后频谱通过式(13)表示：

29、

30、其中，b为频谱幅值，通过式(14)表示：

31、

32、本发明的第二个方面提供一种基于单波束声呐的高精度水下扫描系统，用于实现所述的基于单波束声呐的高精度水下扫描方法，包括：

33、噪声误差模型构建模块，用于通过单波束声呐系统采集包括电路噪声和环境噪声的初始噪声能量值，建立噪声误差模型；

34、信号发射接收模块，用于设置所述单波束声呐系统的载波频率，通过单波束声呐系统中的传感器向水下物体发射线性调频信号；水下物体接收所述线性调频信号后反射回波信号给所述传感器；

35、回波信号处理模块，用于对所述回波信号进行时间增益补偿，获得增益补偿后的回波信号；

36、干扰信号去除模块，用于对所述增益补偿后的回波信号进行傅里叶检波，获得频域信号；通过巴特沃斯低通滤波器处理所述频域信号，获得消除干扰信号的频域信号；

37、频域波束形成模块，用于通过波速形成算法对所述消除干扰信号的频域信号进行频域波束形成，获得波束形成结果；

38、脉冲压缩处理模块，用于根据所述波束形成结果进行脉冲压缩技术处理，获得脉冲压缩后频谱；

39、扫描信息显示图获取模块，用于对所述脉冲压缩后频谱进行逆傅里叶变换，获得时域能量值；将所述时域能量值中相应的能量值对应于同一色系下的不同深浅的对比值，得到当前扫描信息显示图；

40、实时水下扫描信息获取模块，用于重复步骤s2～s7,获得实时的水下扫描信息显示图。

41、本发明的第三个方面提供一种电子设备，包括：

42、至少一个处理器、至少一个存储器和通信接口；其中，

43、所述处理器、存储器和通信接口相互间进行通信；

44、所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令，以执行所述的方法。

45、本发明的第四个方面提供一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行所述的方法。

46、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

47、本发明的基于单波束声呐的高精度水下扫描方法及系统，通过单波束声呐采集足够多包含电路噪声以及环境噪声的噪声能量值，建立噪声误差模型，通过传感器发射一定带宽的线性调频信号，发射信号经由物体反射传给传感器，传感器对接收信号进行时间增益补偿；对增益补偿后的回波信号进行初步消噪、傅里叶检波、巴特沃斯低通滤波器处理；通过波速形成算法对消除干扰信号的频域信号进行频域波束形成；通过脉冲压缩技术对发射线性调频信号和回波信号进行处理，获得脉冲压缩后频谱；对脉冲压缩后频谱进行逆傅里叶变换，获得当前扫描信息显示图；重复前述步骤,获得实时的水下扫描信息显示图；本发明通过采集包含电路噪声以及环境噪声的噪声能量值，建立噪声误差模型，有效降低了电路噪声以及环境噪声对声呐接收信号的影响；通过引入线性调频的发射信号，同时在接收过程中对声波使用脉冲压缩技术，有效区分同一方位近距离的两个物体，提高声呐回波信号中的距离分辨率，显著提升扫描的质量和扫描范围；通过引入时间增益补偿函数，使得远处的回波信号不会由于探测距离的增加而导致信号衰减而被忽略；通过回波接收后的巴特沃斯低通滤波处理，有效降低了偶尔出现的干扰信号对声呐接收信号的影响，保证了单波束声呐在工作过程中的准确性和稳定性；通过引入波束形成算法对经过低通滤波处理的信号进行处理，可以确定探测物体在传感器相对角度，在包含距离的信息加入之后，物体在距离声呐的位置得到明确，突破了单波束声呐只能在一维场景中使用的情况，并且将其成功运用到二维环境中；本发明能够实现单波束声呐在水下的高精度扫描，在成本可控的条件下，能够应用于小型化的单波束声呐，使其适用于绝大多数的场景，易于推广。