探漁聲納及聲納回波信號(hào)處理方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種探漁聲納及聲納回波信號(hào)處理方法，該探漁聲納是在對(duì)傳統(tǒng)魚探儀原理分析基礎(chǔ)上，在信號(hào)采集與處理過程中將壓縮感知理論應(yīng)用于對(duì)回波信號(hào)處理，具體方法是通過采用將回波信號(hào)向低維測(cè)量矩陣投影的方式，獲取比奈奎斯特采樣定理所需測(cè)量數(shù)據(jù)量更少的測(cè)量數(shù)據(jù)，結(jié)合回波信號(hào)在分?jǐn)?shù)階傅里葉變換域的稀疏形式構(gòu)建重構(gòu)矩陣之后，最后運(yùn)用壓縮感知信號(hào)重構(gòu)方法優(yōu)化求解目標(biāo)回波信號(hào)參數(shù)。一方面該方法可降低信號(hào)的采樣率，同時(shí)有效緩解硬件對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)計(jì)算和傳輸?shù)膲毫?。另一方面?duì)回波信號(hào)進(jìn)行稀疏表示，可以提取到回波信號(hào)最本質(zhì)的特征，可以達(dá)到去除噪聲的效果，提高裝置的精確度。
【專利說明】探漁聲納及聲納回波信號(hào)處理方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種探漁聲納及回波處理方法，尤其涉及一種基于壓縮感知進(jìn)行聲納回波處理的探漁聲納，屬于水聲工程【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)海洋資源的需求日益增加，漁業(yè)資源的開發(fā)越來越受到重視。為了有效提高對(duì)海洋漁業(yè)資源的捕撈，我們需要不斷改進(jìn)和發(fā)展捕撈裝置，提高捕魚的效率。
[0003]中國(guó)專利文獻(xiàn)CN
[0004]1959434A公開了一種多波束超聲波探漁儀，該探漁裝置采用多通道水聲換能器陣提高了接收回波的強(qiáng)度，解決了魚群的寬度和厚度的正確判斷問題，多波束功能的運(yùn)用能大大提高海底信息的獲取功能，但是現(xiàn)有技術(shù)在對(duì)探漁回波信號(hào)處理方面還存在的一些問題:1.該多波束探魚儀在對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行采集的過程中采用的是傳統(tǒng)的奈奎斯特采樣方式，需要很高的采樣頻率和計(jì)算資源，對(duì)硬件的存儲(chǔ)和計(jì)算處理能力都有很高的要求。2.探測(cè)的目標(biāo)回波信號(hào)夾雜著很多的干擾和噪聲信號(hào)，如混響和系統(tǒng)噪聲等，不利于通過反射回來的回波信號(hào)對(duì)魚群信息的探測(cè)，會(huì)導(dǎo)致很多錯(cuò)誤的探測(cè)信息，降低了探測(cè)的效率。該多波束探漁裝置對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行濾波處理，來消除噪聲的干擾，但是當(dāng)噪聲跟信號(hào)頻率相近時(shí)，僅通過濾波并不能很好的去噪，所以探漁裝置的精確度受到了影響。
[0005]因此，針對(duì)傳統(tǒng)探漁裝置的不足，對(duì)探漁聲納系統(tǒng)裝置進(jìn)行改進(jìn)，研究一種新的探漁聲納回波處理方法，以節(jié)約探漁裝置的成本和探測(cè)時(shí)間，具有廣闊的應(yīng)用價(jià)值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種探漁聲納及聲納回波信號(hào)處理方法，在傳統(tǒng)探漁裝置對(duì)回波信號(hào)濾波的基礎(chǔ)上，繼續(xù)對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行稀疏重構(gòu)，從根本上實(shí)現(xiàn)去噪，提取目標(biāo)回波信號(hào)最本質(zhì)的特征，同時(shí)降低采樣頻率，從而提高裝置捕撈的準(zhǔn)確性，降低了對(duì)硬件需求。
[0007]本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn):
[0008]一種探漁聲納，包括水上控制機(jī)1、收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)11以及水聲換能器10 ;所述水上控制機(jī)I包括嵌入式工控機(jī)29、發(fā)射模塊3、信號(hào)產(chǎn)生模塊4、接收模塊5、信號(hào)采集與處理模塊6、電源模塊9、顯示器30 ;所述發(fā)射模塊3包括功率放大器17和阻抗匹配器18 ;所述信號(hào)產(chǎn)生模塊4包括第一 DSP處理器12、第一存儲(chǔ)器13、第一 Flash閃存14、第一 PCI接口控制器15、D/A轉(zhuǎn)換器16 ;所述接收模塊5包括模擬信號(hào)預(yù)處理放大器19、濾波器20 ；所述信號(hào)采集與處理模塊6包括第二 DSP處理器21、第二 Flash閃存22、第三DSP處理器23、第三Flash閃存24、總線接口 25、第二存儲(chǔ)器26、中央邏輯控制器27、第二 PCI接口控制器28 ;所述收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)11與水聲水聲換能器10雙向相連，所述收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)11與模擬信號(hào)預(yù)處理放大器19相連輸入信號(hào)，所述模擬信號(hào)預(yù)處理放大器19與濾波器20相連，所述濾波器20與第二 DSP處理器21相連，所述第二 DSP處理器21與第二 Flash閃存22相連，所述第三DSP處理器23和第三Flash閃存24相連，所述第二 DSP處理器21與第三DSP處理器23相連，所述總線接口 25分別與第三DSP處理器23、第二存儲(chǔ)器26、中央邏輯控制器27相連，所述嵌入式工控機(jī)29和顯示器30相連，并通過第一 PCI接口控制器15與第一 DSP處理器12相連，通過第二 PCI接口控制器28與中央邏輯控制器27相連；所述第一 DSP處理器12與第一 Flash閃存14、第一存儲(chǔ)器13和D/A轉(zhuǎn)換器16相連；所述D/A轉(zhuǎn)換器16與功率放大器17相連接，所述功率放大器17與阻抗匹配器18相連，所述阻抗匹配器18與收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)11連接輸出信號(hào)，所述電源模塊9為發(fā)射模塊3、接收模塊5、信號(hào)產(chǎn)生模塊4、信號(hào)米集與處理模塊6和嵌入式工控機(jī)29提供電源。
[0009]一種探漁聲納回波信號(hào)處理方法，包括以下步驟:
[0010]I)發(fā)射模塊3發(fā)射出探測(cè)信號(hào)為線性脈沖信號(hào)X (t)，接收模塊5接收到的回波信號(hào)為SJt)，在分?jǐn)?shù)階傅里葉變換域?qū)夭ㄐ盘?hào)SJt)進(jìn)行測(cè)量，所用的MXN維測(cè)量矩陣O
是NXN維分?jǐn)?shù)階傅里葉陣I；和MXN維高斯隨機(jī)測(cè)量矩陣0的乘積，即? = 其中M
為測(cè)量數(shù)據(jù)量，由稀疏度K決定，即與目標(biāo)數(shù)目有關(guān)，N為以奈奎斯特采樣率對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行測(cè)量所需要的測(cè)量數(shù)量的點(diǎn)數(shù)，用壓縮感知對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行測(cè)量所需的測(cè)量數(shù)量滿足K
<M < N，T；表示分?jǐn)?shù)階傅里葉變換矩陣，其中a = arccot (_2 Kr)，Kr表示分?jǐn)?shù)階傅里葉變換核；
[0011]2)根據(jù)上一步驟得出測(cè)量矩陣O，然后將回波信號(hào)SJt)投影到該測(cè)量矩陣O上面，對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，得出測(cè)量信號(hào)Y(n) (u)，
[0012]K ⑷(W) = O) + n ⑷(U)
[0013]其中(n)表示第n個(gè)信號(hào)接收點(diǎn)，n= 1，…，N，N為信號(hào)接收點(diǎn)數(shù)目，(U)代表在分?jǐn)?shù)階傅里葉變換域，欠"表示在分`數(shù)階傅里葉變換域無噪的的回波信號(hào)，n(n) (u)表示在分?jǐn)?shù)階傅里葉變換域的噪聲混響；
[0014]3)根據(jù)上一步驟得出的測(cè)量信號(hào)Yw (U)，利用稀疏重構(gòu)算法重構(gòu)出稀疏回波信號(hào)，
[0015]min S°,}(u) s.t Y(,,}(u)-OS0,)(u) </3
k) h
[0016]其中||.||/q 表示 I。-范數(shù)；||.||,2 表示 I2-
[0017]范數(shù)；S.t表示使得滿足的條件；P表示預(yù)設(shè)的噪聲存在時(shí)優(yōu)化收斂的門限值；
[0018]4)由于上一步驟求解是N-P
[0019]hard問題，對(duì)于S(n) (u)重構(gòu)的算法采用平滑Itl范數(shù)求解，即為求解下式所示問題:
[0020]min{N-Fcj(Sin^u)) s.t< J3
[0021]其中需定義一個(gè)函數(shù)類似于高斯函數(shù)，如下式所示:[0022]
【權(quán)利要求】
1.一種探漁聲納，其特征在于，包括水上控制機(jī)(I)、收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)(11)以及水聲換能器(10);所述水上控制機(jī)(I)包括嵌入式工控機(jī)(29)、發(fā)射模塊(3)、信號(hào)產(chǎn)生模塊(4)、接收模塊(5)、信號(hào)采集與處理模塊(6)、電源模塊(9)、顯示器(30);所述發(fā)射模塊(3)包括功率放大器(17)和阻抗匹配器(18);所述信號(hào)產(chǎn)生模塊(4)包括第一 DSP處理器(12)、第一存儲(chǔ)器(13)、第一 Flash閃存(14)、第一 PCI接口控制器(15)、D/A轉(zhuǎn)換器(16);所述接收模塊(5)包括模擬信號(hào)預(yù)處理放大器(19)、濾波器(20);所述信號(hào)采集與處理模塊(6)包括第二 DSP處理器(21)、第二 Flash閃存(22)、第三DSP處理器(23)、第三Flash閃存(24)、總線接口(25)、第二存儲(chǔ)器(26)、中央邏輯控制器(27)、第二 PCI接口控制器(28);所述收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)(11)與水聲水聲換能器(10)雙向相連，所述收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)(11)與模擬信號(hào)預(yù)處理放大器(19)相連輸入信號(hào)，所述模擬信號(hào)預(yù)處理放大器(19)與濾波器(20)相連，所述濾波器(20)與第二 DSP處理器(21)相連，所述第二 DSP處理器(21)與第二 Flash閃存 (22)相連，所述第三DSP處理器(23)和第三Flash閃存(24)相連，所述第二 DSP處理器(21)與第三DSP處理器(23)相連，所述總線接口( 25)分別與第三DSP處理器(23)、第二存儲(chǔ)器(26 )、中央邏輯控制器(27 )相連，所述嵌入式工控機(jī)(29 )和顯示器(30 )相連，并通過第一 PCI接口控制器(15)與第一 DSP處理器(12)相連，通過第二 PCI接口控制器(28)與中央邏輯控制器(27)相連；所述第一 DSP處理器(12)與第一 Flash閃存(14)、第一存儲(chǔ)器(13)和D/A轉(zhuǎn)換器(16)相連；所述D/A轉(zhuǎn)換器(16)與功率放大器(17)相連接，所述功率放大器(17)與阻抗匹配器(18)相連，所述阻抗匹配器(18)與收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)(11)連接輸出信號(hào)，所述電源模塊(9)為發(fā)射模塊(3)、接收模塊(5)、信號(hào)產(chǎn)生模塊(4)、信號(hào)采集與處理模塊(6)和嵌入式工控機(jī)(29)提供電源。
2.一種如權(quán)利要求1所述的探漁聲納的聲納回波信號(hào)處理方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)發(fā)射模塊(3)發(fā)射出探測(cè)信號(hào)為線性脈沖信號(hào)x(t)，接收模塊(5)接收到的回波信號(hào)為SJt)，在分?jǐn)?shù)階傅里葉變換域?qū)夭ㄐ盘?hào)SJt)進(jìn)行測(cè)量，所用的MXN維測(cè)量矩陣O是NXN維分?jǐn)?shù)階傅里葉陣G和MXN維高斯隨機(jī)測(cè)量矩陣0的乘積，即O = Cl其中M為測(cè)量數(shù)據(jù)量，由稀疏度K決定，即與目標(biāo)數(shù)目有關(guān)，N為以奈奎斯特采樣率對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行測(cè)量所需要的測(cè)量數(shù)量的點(diǎn)數(shù)，用壓縮感知對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行測(cè)量所需的測(cè)量數(shù)量滿足K<MS N，表示分?jǐn)?shù)階傅里葉變換矩陣，其中a =arccot(-2 3iig，I^表示分?jǐn)?shù)階傅里葉變換核； 2)根據(jù)上一步驟得出測(cè)量矩陣O，然后將回波信號(hào)SJt)投影到該測(cè)量矩陣O上面，對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，得出測(cè)量信號(hào)Y(n) (u)，
F ⑷(W) = (I)S)/0 (W)+ /I ⑷(W) 其中(n)表示第n個(gè)信號(hào)接收點(diǎn)，n = 1，...，N，N為信號(hào)接收點(diǎn)數(shù)目，(U)代表在分?jǐn)?shù)階傅里葉變換域，(W)表示在分?jǐn)?shù)階傅里葉變換域無噪的的回波信號(hào)，n(n) (u)表示在分?jǐn)?shù)階傅里葉變換域的噪聲混響； 3)根據(jù)上一步驟得出的測(cè)量信號(hào)Y(n)(U)，利用稀疏重構(gòu)算法重構(gòu)出稀疏回波信號(hào)，
【文檔編號(hào)】G01S15/96GK103616693SQ201310596249
【公開日】2014年3月5日 申請(qǐng)日期:2013年11月22日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月22日
【發(fā)明者】王彪, 朱志慧, 曾慶軍 申請(qǐng)人:江蘇科技大學(xué)