基于lfm信号的超宽带回声测深仪及其信号处理方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于海洋探测技术领域，涉及一种回声测深仪，具体指一种基于LFM信号 的超宽带回声测深仪及其信号处理方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，海洋事业高速发展，日益成为世界各国科技、经济与军事竞争的焦点。我 国近海大陆架、沿江及湖泊等浅水区域是主要的海上经济活动区，海洋开发和海洋工程如 港口建设及海上采油都集中在近海，而且大部分是浅海。水利工程、港口码头等设施也在不 断的增多，海底地形测量是海上交通运输、航道疏浚、海底电缆铺设和海底施工等工程必须 的作业，所以需要一种使用灵活的、低成本、高精度的海底地形测量仪器。
[0003] 超声波测深仪用途十分广泛，是一种适用于江河湖泊、水库航道、港口码头、沿海、 深海的水下断面和水下地形测量，以及实现导航、水下物探等诸多水域的水深和地形测量。 回声测深仪经历了模拟、模拟与数字结合以及全数字化三个阶段。目前国内外产品很多，市 场上的主流产品是数字化的测深仪，其将计算机技术和微处理器技术应用到仪器中，实现 了高质量的回波信号采集、传输信号处理及显示，仪器的小型化、智能化、数字化也趋于成 熟。
[0004] 目前的回声测深仪虽然取得了长足的进步，但是在某些应用场合还是暴露出问 题。例如，声呐接收机必须有足够的动态范围，使得它可检测到微弱的回波信号，并且在接 收最大期望回波以及混响环境噪声时又不致于饱和。而通常12bit的A/D转换器的动态范 围也只有48dB，而接收到的回波信号的动态范围则大于100dB，因此必须采取有效措施压 缩接收信号的动态范围，使得接收机工作在最大信号时A/D转换器不饱和，同时又使接收 信号不超过A/D转换器的可用范围。此外，除一次回波外回波信号通常含有较复杂的干扰 信号，经使用较多的开关电容滤波器和常规的信号处理方法后，信号的信噪比不高，进而影 响测深仪的测量结果。
【发明内容】
[0005] 针对上述技术问题，本发明的目的是提供了一种基于LFM信号的超宽带回声测深 仪，其能合理压缩接收信号的动态范围，使得接收机工作在最大信号时，接收信号不超过A/ D转换器的可用范围，避免了 A/D转换器饱和失效的问题； 本发明的另一目的是提供一种基于上述回声测深仪的信号处理方法，结合信号多子带 非相干处理方法，大大提高了回波信号的信噪比。
[0006] 本发明通过以下技术方案来实现上述目的： 一种基于LFM信号的超宽带回声测深仪，由干端和湿端两部分组成，干端包括主机、 显控软件和电子系统，湿端包括换能器；电子系统包括数字处理板、接收机和发射机，其中 数字处理板完成信号的处理和检测并发送给显控软件，接收机和发射机完成信号的收发， 所述接收机由依次连接的前级增益放大模块、增益调节模块、二级增益放大模块、带通滤波 器和后级增益放大模块组成，增益调节模块与DA控压模块连接；所述增益调节模块采用 AD604芯片，通过DA控压模块改变控压，实现接收信号的动态范围压缩。
[0007] 作为本案的优化方案，所述带通滤波器采用LT1562-2有源滤波器芯片。
[0008] 作为本案的优化方案，所述LT1562-2有源滤波器由4级二阶单元组成，其输出端 连接一加法器，加法器输出端连接后级增益放大模块。
[0009] 作为本案的优化方案，所述接收信号的动态范围调节在0~96dB之间。
[0010] 作为本案的优化方案，所述干端由主机、显示器和电子系统集成为一体。
[0011] 作为本案的优化方案，所述发射机采用开关发射机。
[0012] 一种基于LFM信号的超宽带回声测深仪的信号处理方法，包括以下步骤： (1) 测深仪发射机发射线性调频信号LFM，通过换能器变换成声波在水中传输；声波到 达海底被反射，反射信号由换能器变换成电信号被测深仪接收机接收； (2) 接收机对信号进行滤波和预处理后发送给数字处理板； (3) 数字处理板中对信号进行频率搬移、信号解调得到基带信号，然后对基带信号进行 多子带非相关处理和脉冲压缩处理，得到精确的时延；因回波信号可能有很多个峰，噪声、 二次回波等干扰信号，利用信号时延可判断真实信号位置 (4) 进行参数判断，即根据相关峰的大小和宽度判断是否为真正的回波信号，找出精确 时刻；并计算海底深度，测量出海底的深度和地形起伏。
[0013] 作为本方法的优化方案，所述多子带非相关处理具体包括以下步骤： a、 将超宽带LFM基带信号按时间顺序分成多个子带fl，f2......fn，各子带信号分别 通过滤波器进行滤波处理；这里带通滤波器的阶数要求较高，目的是当信号通过滤波器时， 对某一子带有输出时使其对其他频率的输出最小，使输出有较低的旁瓣，减少子带间的干 扰； b、 然后利用低通滤波器对各个子带信号进行检波处理，提取包络和相位信息； c、 再按时间分割的长度，通过加法器对时延进行非相干累计；由于相邻的子带信号是 非相干的，这种非相干累计能使测深仪检测性能随子带数N的增加而增加，进而使输出信 号的信噪比最大；即子带分的越多越细，处理效果越好，但计算量变大。
[0014] 作为本方法的优化方案，步骤a中，进行滤波处理的滤波器阶数不低于128。
[0015] 作为本方法的优化方案，所述频率搬移指将信号的频率搬移至低频处理，即以接 收信号的频率，乘以由采样形式和采样频率确定的某一频率的余弦信号，并进行低通滤波， 得到回波的基带信号。
[0016] 本发明的有益效果是： 1、 由AD604芯片组成增益调节电路，能有效实现接收信号的动态范围压缩，使接收信 号与A/D转换器的动态范围相匹配，避免接收信号超过A/D转换器的可用范围，造成A/D转 换器饱和的问题； 2、 采用多级级联的有源带通滤波器LT1562-2和加法器，在硬件上实现信高的噪比，并 结合信号多子带非相干处理方法，进一步提高了回波信号的信噪比和主旁比，完善测深仪 的测深性能和抗干扰能力； 3、 对测深发射信号进行频率搬移，将信号的频率搬移至低频处理，能有效降低数据运 算量，提升工作效率。
【附图说明】
[0017] 图1为本发明的结构示意图； 图2为本发明的另一结构示意图； 图3为AD604芯片的结构示意图； 图4为发射机的工作原理框图； 图5本发明的信号处理流程图； 图6为LFM多子带非相干处理流程图； 图7为LFM多子带非相干处理信号自相关示意图。
【具体实施方式】
[0018] 下面将结合附图及实施例对本发明及其效果作进一步阐述。
[0019] 如图1所示，一种基于LFM信号的超宽带回声测深仪，可适用于工作频点为200KHZ 左右，带宽为IOOKHz左右的超宽带回波信号探测。由干端和湿端两部分组成，干端包括主 机、显控软件和电子系统，湿端包括换能器；为提高设备的集成度，通过模块化设计将主机、 显控软件和电子系统集成为一体。电子系统包括数字信号处理板、接收机和发射机，其中数 字处理板完成信号的处理和检测并发送给显控软件，接收机和发射机完成信号的收发。测 深仪的工作过程如下：（1)干端发射线性调频信号LMF作为探测信号，发射功率按量程自动 调整，通过换能器变换成声波在水中传输；（2)声波到达海底被反射，反射信号由换能器接 收变换成电信号；（3)接收机接收该电信号，并对信号进行预处理、自动增益控制和匹配滤 波，提取出海底回波；（4)由回波信号通过底检测和底跟踪算法，测量出海底的深度和地形 起伏。
[0020] 在回波信号接收过程中，接收机必须有足够的动态范围调节能力，使得它既可检 测到微弱的回波信号，又能在接收最大期望回波以及混响环境噪声时又不致于饱和。因此， 接收机的输出必须考虑A/D转换器的动态范围是否与接收信号的动态范围匹配。A/D转换 器的动态范围取决于它的可用比特数范围；一般Sbit A/D转换器的动态范围是有效的，而 通常12bit的A/D转换器的动态范围也只有48dB，而接收到的回波信号的动态范围则大于 100dB，因此必须采取措施压缩接收到的信号的动态范围，使接收机工作在最大信号时A/D 转换器不饱和，同时又使接收信号不超过A/D转换器的可用范围。本发明中接收机由依次 连接的前级增益放大模块、增益调节模块、二级增益放大模块、带通滤波器和后级增益放大 模块组成，增益调节模块与DA控压模块连接；增益调节模块采用AD604芯片，通过DA控压 模块改变控压，实现接收信号的动态范围压缩。系统结构框图如图1所示。
[0021] 如图3所示，在本设计中采用AD604芯片实现接收信号动态范围压缩，它是一种超 低噪声、高精度、双通道和线性增益的压控放大器。AD604芯片是由两个通道组成，每一个 通道由可编程的超低噪声前放、差分电阻衰减网络、增益控制和固定增益放大器等组成，前 放的输入阻抗为300kQ，等效短路输入噪声为，差分电阻衰减网络是基于 七级R - I. 5R梯形网络，每级之间的衰减量为6. 908dB，梯形网络总的衰减量为48. 4dB。 AD604的每个独立通道有48dB的增益调节范围，每个芯片内的两个通道可以串联使用共 96dB，这样可以得到更大的增益调节范围；能实现接收信号的动态范围调节在0~96dB之 间。
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