宽带相控声学多普勒测速系统信号处理方法
【专利摘要】本发明涉及一种宽带相控声学多普勒测速系统的信号处理方法。现有方法实现结构较为复杂，且须对各路信号并行处理，硬件资源开销极大。本发明首先采用基于频域的频谱搬移与正交化处理方式，完成回波信号的正交解调，并构造出一种复包络信号波束合成方法，并行完成信号实部与虚部的波束合成，最后利用复相关技术计算出信号相角，从而推导出所测速度。本发明在保证性能的前提下简化了信号处理流程，实现架构较为简单，较大程度地降低了系统的处理复杂度和硬件资源的规模。
【专利说明】
宽带相控声学多普勒测速系统信号处理方法
技术领域
[0001] 本发明属声学多普勒测速信号处理技术领域，具体设及一种宽带相控声学多普勒 测速系统的信号处理方法，用于声学多普勒水流剖面仪和计程仪等相对于水层或水底运动 速度信息的提取。
【背景技术】
[0002] 声学多普勒测速系统利用水声换能器向水介质发射一个定向的声脉冲信号，然后 接收从海水中的散射体上反射的回波信号，利用声传播路径的时间差异转换成不同的深度 单元，测量各层回波信号的频率信息，分析多普勒频移变化，换算得到相对运动速度。目前， 采用伪随机序列进行相位编码调制技术的宽带相控声学多普勒测速系统，因具有测量精度 高、范围广、抗干扰能力强等优点，受到了日益广泛的应用。
[0003] 传统的宽带相控声学多普勒测速系统对水声换能器接收到的多路回波进行采样 后的信号处理方法为:首先通过频谱搬移及低通滤波器进行基带解调，然后对解调后的多 路基带信号进行波束合成，对合成后的信号进行希尔伯特变换W获取复信号，再采用复相 关技术计算出回波信号中的多普勒频偏，最后根据多普勒频移值计算出所需测量的相对运 算速度。该信号处理方法中的频谱搬移、低通滤波、希尔伯特变换等环节实现结构较为复 杂，硬件资源开销极大，且须对各路信号并行处理，进一步增大了硬件资源的规模。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于解决上述方法的缺点和不足，提出一套基于频域处理W及复包 络波束合成的宽带相控声学多普勒测速系统信号处理方法，在保证测量性能的前提下简化 了信号处理流程，实现架构较为简单，较大程度地降低了处理复杂度并减少了硬件资源的 开销。
[0005] 设系统宽带相控声学多普勒测速系统中进行相位编码调制的伪随机序列周期为 Tm,相控换能器发射的声脉冲信号的波束张角为0，波长为A，声脉冲信号的载波频率为fc，系 统处理的最大多普勒频移绝对值为Af,所述的处理方法处理步骤如下：
[0006] 步骤(1)对相控换能器阵接收到的四路回波信号进行采样，形成四路数字信号。采 样频率fs，采样后的信号为xi(n)，其中i = l，2,3,4表示信号对应的路数，n = l，2,3,…，N表 示采样点序号，N表示采样后数字序列的长度。
[0007] 步骤(2)对每路信号各自按样本重叠50%的方式做FFT(快速傅里叶变换)处理，计 算出K点数据的频谱Xi化，m)，运里K的取值根据实际硬件资源情况可选择4096/8192/16384
S档。
[000引 2M
[0009]其中W = O, -1，表示FFT运算的批次数，j表示^。 _ A」
[0010]步骤(3)对Xi(k，m)频谱信号进行频谱搬移。将Xi(k，m)中[片-么'，扣么。频谱搬 移到基带两侧，其余部分的频谱数值置0,从而完成基带解调和复包络化处理。搬移后的频 谱信号序列为：
[0011]
[0012] 步骤(4)将搬移后的基带频谱信号Yi化，m)先进行IFFT(快速傅里叶逆变换)处理， 还原为时域复信号序列：
[0013]
[0014] 然后消除50%的重叠部分，得到最终的时域复包络序列，即
[0015] .y円-W" X 人/ / 2)二韦("，"!)，巧=化 1，2，,…，怎 / 2
[0016] 步骤(5)对四路时域复包络序列按下式进行复信号波束合成，得到两路合成后的 信号：
[0017]
[001 引
[0019]
[0020]
[0021 ]上式中，Imag( VReal O分别表示取虚部/取实部运算。
[0022] 步骤(6)利用波束合成信号进行水底跟踪判断，W确定底回波前沿数据序号。判定 方法为:计算合成信号中实部序列ZRi(n)/zR2(n)中M点的实时平均功率，M取值由水底大致 深度决定，范围是120~9600。
[0023]
[0024] 计算从回波接收开始至当前时刻，合成信号中实部序列ZRi(n)和ZR2(n)的实时平 均功率：
[0025]
..
[0026] 如果PMl(L)〉aXPl(L)且PMパL)〉aXP2化），则记录此时的L值作为底回波前沿数据 序号，水底跟踪成功，进入步骤(7);否则重复步骤(6)。运里a为功率检测系数，取值范围为1 ~20。
[0027] 步骤(7)分别计算两路合成信号的复相关值：
[002引
[0029]
[0030] 步骤(8)根据复相关结果计算相角：
[0031 ]
4 1, 4 2G [-n,JT]，分别为两个复相关 值的相角。
[0032] 步骤(9)根据相角计算出所需测量的速度值：
[0033]
[0034] V数值的正负代表所测速度的方向与参考方向一致或相反。
[0035] 本发明采用基于频域的频谱搬移与正交化处理方式，结合复包络信号波束合成方 法，在保证性能的前提下简化了信号处理流程，大幅度降低了处理复杂度和硬件资源的规 模。且可采用提高工作频率的方式，对多路信号的FFT/IFFT运算处理模块加 W复用，只需一 路信号处理资源按时分方式即可完成多路信号的处理，运将进一步减少硬件资源的开销。
【具体实施方式】
[0036] W下结合实施例对本发明作进一步说明。
[0037] 本发明方法包括如下步骤：
[0038] 步骤(1)对相控换能器阵接收到的四路回波信号进行采样，形成四路数字信号。采 样频率fs，采样后的信号为xi(n)，其中i = l，2,3,4表示信号对应的路数，n = l，2,3,…，N表 示采样点序号，N表示采样后数字序列的长度。
[0039] 步骤(2)对每路信号各自按样本重叠 50%的方式做FFT(快速傅里叶变换)处理，计 算出K点数据的频谱Xi化，m)，运里K的取值根据实际硬件资源情况可选择4096/8192/16384 S档。
[0040]
[0041 ]其中巧=〇，1，2，...，^ -1，表示FFT运算的批次数，j表示 _ 」
[0042] 步骤(3)对Xi化，m)频谱信号进行频谱搬移。将Xi化，m)中[fc-Af，fc+Af]频谱搬 移到基带两侧，其余部分的频谱数值置0,从而完成基带解调和复包络化处理。搬移后的频 谱信号序列为：
[0043]
[0044] 步骤(4)将搬移后的基带频谱信号Yi化，m)先进行IFFT(快速傅里叶逆变换)处理， 还原为时域复信号序列：
[0045]
[0046] 然后消除50%的重叠部分，得到最终的时域复包络序列，即
[0047]
[004引步骤(5)对四路时域复包络序列按下式进行复信号波束合成，得到两路合成后的 信号：
[0049]
[(K)加 ]
[0化1 ]
[0化2]
[0化3] 上式中，Imag( VReal O分别表示取虚部/取实部运算。
[0054]步骤(6)利用波束合成信号进行水底跟踪判断，W确定底回波前沿数据序号。判定 方法为:计算合成信号中实部序列ZRi(n)/zR2(n)中M点的实时平均功率，M取值由水底大致 深度决定，范围是120~9600。
[0 化 5]
..
[0056]计算从回波接收开始至当前时刻，合成信号中实部序列ZRi(n)和ZR2(n)的实时平 均功率：
[0化7]
....
[0化引如果PMl(L)〉aXPl(L)且PM2(L)〉aXP2化），则记录此时的L值作为底回波前沿数据 序号，水底跟踪成功，进入步骤(7);否则重复步骤(6)。运里a为功率检测系数，取值范围为1 ~20。
[0059] 步骤(7)分别计算两路合成信号的复相关值：
[0062] 步骤(8)根据复相关结果计算相角：
[0060]
[0061]
[0063] <t
，?<!> 1, 4 2G [-n,JT]，分别为两个复相关 值的相角。
[0064] 步骤(9)根据相角计算出所需测量的速度值：
[00 化]
【主权项】
1.宽带相控声学多普勒测速系统的信号处理方法，该方法中设系统宽带相控声学多普 勒测速系统中进行相位编码调制的伪随机序列周期为Tm，相控换能器发射的声脉冲信号的 波束张角为Θ，波长为λ，声脉冲信号的载波频率为f·。，系统处理的最大多普勒频移绝对值为 Δ f，其特征在于该方法的具体步骤是： 步骤（1)对相控换能器阵接收到的四路回波信号进行采样，形成四路数字信号;采样频 率fs，采样后的信号为Xi(n)，其中i = l，2,3,4表示信号对应的路数，n = l，2,3,…，N表示采 样点序号，N表示采样后数字序列的长度； 步骤(2)对每路信号各自按样本重叠50%的方式做快速傅里叶变换处理，计算出K点数 据的频谱Xi(k，m);步骤(3)对X1(I^m)频谱信号进行频谱搬移;将X1(I^m)中[?>Δ?·，?·。+Af]频谱搬移到基 带两侧，其余部分的频谱数值置〇;搬移后的频谱信号序列为：步骤(4)将搬移后的基带频谱信号Y1U, m)先进行快速傅里叶逆变换处理，还原为时域 复信号序列：然后消除50%的重叠部分，得到最终的时域复包络序列，即 ;?. (// -f //? X K ? 2) = Xi (//, m), /? - OJ,2,--,K /2 步骤(5)对四路时域复包络序列按下式进行复信号波束合成，得到两路合成后的信号： ζΛ>, (/7) = Irnagfx1 (n)) Real( v.(/7}) - lmag(.v,(/?)) - Rcal(.v_, (/7)); z,r (/7) = Rcalf.v, (//)) + Imag(.\% (n)) - Rcal(.r. {//)) - Imag(.v4(/7)); Zll(Ii) = Κοα1(.ν,(/7)) -Imag(A%(/?))-Rcal(.v,(/?))+ Imag(.v4(/?)); Zj^(n) = Imagix1 (/?)) - Real(.r-,(/?)) - lmag(.v, (/7)) -l· Rcal(.v4(/?)); 上式中，Imag( )/Real ()分别表示取虚部/取实部运算； 步骤(6)进行水底跟踪判断，确定底回波前沿数据序号；具体判定为:计算合成信号中 实部序列ζ?α(η)/Ζ??2(η)中M点的实时平均功率，M取值范围：120~9600;计算从回波接收开始至当前时刻，合成信号中实部序列zR1(n)和ZR2(n)的实时平均功 率：如果Pm1(L)MXP1(L)且PM2(L)>aXP2(L)，则记录此时的L值作为底回波前沿数据序号， 进入步骤(7);否则重复步骤(6);这里α为功率检测系数，取值范围为1~20; 步骤(7)分别计算两路合成信号的复相关值：击骤? S)枏抿售相羊结里i+笪相#，Φ1，Φ 2e ，分别为两个复相关值的相角； 来a? (q Ufi据和#I彳+曾m所雩测量的速度值：V数值的正负代表所测速度的方向与参考方向一致或相反。
【文档编号】G01S15/58GK106019289SQ201610338300
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月19日
【发明人】易志强, 赵知劲, 尚俊娜, 戴绍港, 李芸
【申请人】杭州电子科技大学