基于lfm信號(hào)的超寬帶回聲測(cè)深儀及其信號(hào)處理方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于海洋探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種回聲測(cè)深儀，具體指一種基于LFM信號(hào) 的超寬帶回聲測(cè)深儀及其信號(hào)處理方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來(lái)，海洋事業(yè)高速發(fā)展，日益成為世界各國(guó)科技、經(jīng)濟(jì)與軍事競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。我 國(guó)近海大陸架、沿江及湖泊等淺水區(qū)域是主要的海上經(jīng)濟(jì)活動(dòng)區(qū)，海洋開(kāi)發(fā)和海洋工程如 港口建設(shè)及海上采油都集中在近海，而且大部分是淺海。水利工程、港口碼頭等設(shè)施也在不 斷的增多，海底地形測(cè)量是海上交通運(yùn)輸、航道疏浚、海底電纜鋪設(shè)和海底施工等工程必須 的作業(yè)，所以需要一種使用靈活的、低成本、高精度的海底地形測(cè)量?jī)x器。
[0003] 超聲波測(cè)深儀用途十分廣泛，是一種適用于江河湖泊、水庫(kù)航道、港口碼頭、沿海、 深海的水下斷面和水下地形測(cè)量，以及實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航、水下物探等諸多水域的水深和地形測(cè)量。 回聲測(cè)深儀經(jīng)歷了模擬、模擬與數(shù)字結(jié)合以及全數(shù)字化三個(gè)階段。目前國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品很多，市 場(chǎng)上的主流產(chǎn)品是數(shù)字化的測(cè)深儀，其將計(jì)算機(jī)技術(shù)和微處理器技術(shù)應(yīng)用到儀器中，實(shí)現(xiàn) 了高質(zhì)量的回波信號(hào)采集、傳輸信號(hào)處理及顯示，儀器的小型化、智能化、數(shù)字化也趨于成 熟。
[0004] 目前的回聲測(cè)深儀雖然取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但是在某些應(yīng)用場(chǎng)合還是暴露出問(wèn) 題。例如，聲吶接收機(jī)必須有足夠的動(dòng)態(tài)范圍，使得它可檢測(cè)到微弱的回波信號(hào)，并且在接 收最大期望回波以及混響環(huán)境噪聲時(shí)又不致于飽和。而通常12bit的A/D轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)范 圍也只有48dB，而接收到的回波信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍則大于100dB，因此必須采取有效措施壓 縮接收信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍，使得接收機(jī)工作在最大信號(hào)時(shí)A/D轉(zhuǎn)換器不飽和，同時(shí)又使接收 信號(hào)不超過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器的可用范圍。此外，除一次回波外回波信號(hào)通常含有較復(fù)雜的干擾 信號(hào)，經(jīng)使用較多的開(kāi)關(guān)電容濾波器和常規(guī)的信號(hào)處理方法后，信號(hào)的信噪比不高，進(jìn)而影 響測(cè)深儀的測(cè)量結(jié)果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供了一種基于LFM信號(hào)的超寬帶回聲測(cè)深 儀，其能合理壓縮接收信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍，使得接收機(jī)工作在最大信號(hào)時(shí)，接收信號(hào)不超過(guò)A/ D轉(zhuǎn)換器的可用范圍，避免了 A/D轉(zhuǎn)換器飽和失效的問(wèn)題； 本發(fā)明的另一目的是提供一種基于上述回聲測(cè)深儀的信號(hào)處理方法，結(jié)合信號(hào)多子帶 非相干處理方法，大大提高了回波信號(hào)的信噪比。
[0006] 本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)上述目的： 一種基于LFM信號(hào)的超寬帶回聲測(cè)深儀，由干端和濕端兩部分組成，干端包括主機(jī)、 顯控軟件和電子系統(tǒng)，濕端包括換能器；電子系統(tǒng)包括數(shù)字處理板、接收機(jī)和發(fā)射機(jī)，其中 數(shù)字處理板完成信號(hào)的處理和檢測(cè)并發(fā)送給顯控軟件，接收機(jī)和發(fā)射機(jī)完成信號(hào)的收發(fā)， 所述接收機(jī)由依次連接的前級(jí)增益放大模塊、增益調(diào)節(jié)模塊、二級(jí)增益放大模塊、帶通濾波 器和后級(jí)增益放大模塊組成，增益調(diào)節(jié)模塊與DA控壓模塊連接；所述增益調(diào)節(jié)模塊采用 AD604芯片，通過(guò)DA控壓模塊改變控壓，實(shí)現(xiàn)接收信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍壓縮。
[0007] 作為本案的優(yōu)化方案，所述帶通濾波器采用LT1562-2有源濾波器芯片。
[0008] 作為本案的優(yōu)化方案，所述LT1562-2有源濾波器由4級(jí)二階單元組成，其輸出端 連接一加法器，加法器輸出端連接后級(jí)增益放大模塊。
[0009] 作為本案的優(yōu)化方案，所述接收信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍調(diào)節(jié)在0~96dB之間。
[0010] 作為本案的優(yōu)化方案，所述干端由主機(jī)、顯示器和電子系統(tǒng)集成為一體。
[0011] 作為本案的優(yōu)化方案，所述發(fā)射機(jī)采用開(kāi)關(guān)發(fā)射機(jī)。
[0012] 一種基于LFM信號(hào)的超寬帶回聲測(cè)深儀的信號(hào)處理方法，包括以下步驟： (1) 測(cè)深儀發(fā)射機(jī)發(fā)射線性調(diào)頻信號(hào)LFM，通過(guò)換能器變換成聲波在水中傳輸；聲波到 達(dá)海底被反射，反射信號(hào)由換能器變換成電信號(hào)被測(cè)深儀接收機(jī)接收； (2) 接收機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波和預(yù)處理后發(fā)送給數(shù)字處理板； (3) 數(shù)字處理板中對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻率搬移、信號(hào)解調(diào)得到基帶信號(hào)，然后對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行 多子帶非相關(guān)處理和脈沖壓縮處理，得到精確的時(shí)延；因回波信號(hào)可能有很多個(gè)峰，噪聲、 二次回波等干擾信號(hào)，利用信號(hào)時(shí)延可判斷真實(shí)信號(hào)位置 (4) 進(jìn)行參數(shù)判斷，即根據(jù)相關(guān)峰的大小和寬度判斷是否為真正的回波信號(hào)，找出精確 時(shí)刻；并計(jì)算海底深度，測(cè)量出海底的深度和地形起伏。
[0013] 作為本方法的優(yōu)化方案，所述多子帶非相關(guān)處理具體包括以下步驟： a、 將超寬帶LFM基帶信號(hào)按時(shí)間順序分成多個(gè)子帶fl，f2......fn，各子帶信號(hào)分別 通過(guò)濾波器進(jìn)行濾波處理；這里帶通濾波器的階數(shù)要求較高，目的是當(dāng)信號(hào)通過(guò)濾波器時(shí)， 對(duì)某一子帶有輸出時(shí)使其對(duì)其他頻率的輸出最小，使輸出有較低的旁瓣，減少子帶間的干 擾； b、 然后利用低通濾波器對(duì)各個(gè)子帶信號(hào)進(jìn)行檢波處理，提取包絡(luò)和相位信息； c、 再按時(shí)間分割的長(zhǎng)度，通過(guò)加法器對(duì)時(shí)延進(jìn)行非相干累計(jì)；由于相鄰的子帶信號(hào)是 非相干的，這種非相干累計(jì)能使測(cè)深儀檢測(cè)性能隨子帶數(shù)N的增加而增加，進(jìn)而使輸出信 號(hào)的信噪比最大；即子帶分的越多越細(xì)，處理效果越好，但計(jì)算量變大。
[0014] 作為本方法的優(yōu)化方案，步驟a中，進(jìn)行濾波處理的濾波器階數(shù)不低于128。
[0015] 作為本方法的優(yōu)化方案，所述頻率搬移指將信號(hào)的頻率搬移至低頻處理，即以接 收信號(hào)的頻率，乘以由采樣形式和采樣頻率確定的某一頻率的余弦信號(hào)，并進(jìn)行低通濾波， 得到回波的基帶信號(hào)。
[0016] 本發(fā)明的有益效果是： 1、 由AD604芯片組成增益調(diào)節(jié)電路，能有效實(shí)現(xiàn)接收信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍壓縮，使接收信 號(hào)與A/D轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)范圍相匹配，避免接收信號(hào)超過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器的可用范圍，造成A/D轉(zhuǎn) 換器飽和的問(wèn)題； 2、 采用多級(jí)級(jí)聯(lián)的有源帶通濾波器LT1562-2和加法器，在硬件上實(shí)現(xiàn)信高的噪比，并 結(jié)合信號(hào)多子帶非相干處理方法，進(jìn)一步提高了回波信號(hào)的信噪比和主旁比，完善測(cè)深儀 的測(cè)深性能和抗干擾能力； 3、 對(duì)測(cè)深發(fā)射信號(hào)進(jìn)行頻率搬移，將信號(hào)的頻率搬移至低頻處理，能有效降低數(shù)據(jù)運(yùn) 算量，提升工作效率。
【附圖說(shuō)明】
[0017] 圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本發(fā)明的另一結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為AD604芯片的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4為發(fā)射機(jī)的工作原理框圖； 圖5本發(fā)明的信號(hào)處理流程圖； 圖6為L(zhǎng)FM多子帶非相干處理流程圖； 圖7為L(zhǎng)FM多子帶非相干處理信號(hào)自相關(guān)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018] 下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明及其效果作進(jìn)一步闡述。
[0019] 如圖1所示，一種基于LFM信號(hào)的超寬帶回聲測(cè)深儀，可適用于工作頻點(diǎn)為200KHZ 左右，帶寬為IOOKHz左右的超寬帶回波信號(hào)探測(cè)。由干端和濕端兩部分組成，干端包括主 機(jī)、顯控軟件和電子系統(tǒng)，濕端包括換能器；為提高設(shè)備的集成度，通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)將主機(jī)、 顯控軟件和電子系統(tǒng)集成為一體。電子系統(tǒng)包括數(shù)字信號(hào)處理板、接收機(jī)和發(fā)射機(jī)，其中數(shù) 字處理板完成信號(hào)的處理和檢測(cè)并發(fā)送給顯控軟件，接收機(jī)和發(fā)射機(jī)完成信號(hào)的收發(fā)。測(cè) 深儀的工作過(guò)程如下：（1)干端發(fā)射線性調(diào)頻信號(hào)LMF作為探測(cè)信號(hào)，發(fā)射功率按量程自動(dòng) 調(diào)整，通過(guò)換能器變換成聲波在水中傳輸；（2)聲波到達(dá)海底被反射，反射信號(hào)由換能器接 收變換成電信號(hào)；（3)接收機(jī)接收該電信號(hào)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理、自動(dòng)增益控制和匹配濾 波，提取出海底回波；（4)由回波信號(hào)通過(guò)底檢測(cè)和底跟蹤算法，測(cè)量出海底的深度和地形 起伏。
[0020] 在回波信號(hào)接收過(guò)程中，接收機(jī)必須有足夠的動(dòng)態(tài)范圍調(diào)節(jié)能力，使得它既可檢 測(cè)到微弱的回波信號(hào)，又能在接收最大期望回波以及混響環(huán)境噪聲時(shí)又不致于飽和。因此， 接收機(jī)的輸出必須考慮A/D轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)范圍是否與接收信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍匹配。A/D轉(zhuǎn)換 器的動(dòng)態(tài)范圍取決于它的可用比特?cái)?shù)范圍；一般Sbit A/D轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)范圍是有效的，而 通常12bit的A/D轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)范圍也只有48dB，而接收到的回波信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍則大于 100dB，因此必須采取措施壓縮接收到的信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍，使接收機(jī)工作在最大信號(hào)時(shí)A/D 轉(zhuǎn)換器不飽和，同時(shí)又使接收信號(hào)不超過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器的可用范圍。本發(fā)明中接收機(jī)由依次 連接的前級(jí)增益放大模塊、增益調(diào)節(jié)模塊、二級(jí)增益放大模塊、帶通濾波器和后級(jí)增益放大 模塊組成，增益調(diào)節(jié)模塊與DA控壓模塊連接；增益調(diào)節(jié)模塊采用AD604芯片，通過(guò)DA控壓 模塊改變控壓，實(shí)現(xiàn)接收信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍壓縮。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
[0021] 如圖3所示，在本設(shè)計(jì)中采用AD604芯片實(shí)現(xiàn)接收信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍壓縮，它是一種超 低噪聲、高精度、雙通道和線性增益的壓控放大器。AD604芯片是由兩個(gè)通道組成，每一個(gè) 通道由可編程的超低噪聲前放、差分電阻衰減網(wǎng)絡(luò)、增益控制和固定增益放大器等組成，前 放的輸入阻抗為300kQ，等效短路輸入噪聲為，差分電阻衰減網(wǎng)絡(luò)是基于 七級(jí)R - I. 5R梯形網(wǎng)絡(luò)，每級(jí)之間的衰減量為6. 908dB，梯形網(wǎng)絡(luò)總的衰減量為48. 4dB。 AD604的每個(gè)獨(dú)立通道有48dB的增益調(diào)節(jié)范圍，每個(gè)芯片內(nèi)的兩個(gè)通道可以串聯(lián)使用共 96dB，這樣可以得到更大的增益調(diào)節(jié)范圍；能實(shí)現(xiàn)接收信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍調(diào)節(jié)在0~96dB之 間。
[0022]