一种船舶吃水深度测量中自适应船体检测方法及系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明设及一种海洋领域的水声信号处理方法，具体设及一种船舶吃水深度测量 中自适应船体检测方法及系统。
【背景技术】
[000^ 在内河航运中，部分船舶为了经济利益，进行超载航行，出现"超吃水"现象。运种 现象对航道造成破坏，并且对船员的安全也带来了威胁，为此，测量船舶吃水深度对船舶的 安全航行至关重要。而对回波信号中船体的检测是测量船舶吃水的关键步骤，常用的回波 信号检测方法可分为两种：幅度检测法和相位检测法，而由于此船舶吃水测量系统中的多 个接收波束是平行的，相位检测法并不适合于此系统。如果采用幅度时间加权检测算法，必 须选择起始口和终止口，很难实现自适应的选择。
【发明内容】
[0003] 本发明设及一种船舶吃水深度测量系统中自适应船体检测方法，该方法首先对阵 元回波数据进行近场聚焦波束形成处理，形成多个平行波束;接着采用能量收敛区间检测 方法对每个波束计算出能量收敛区间，估计出波束的起始口和终止口；然后根据估计的波 束的起始口和终止口采用幅度时间加权算法，估算出每个波束中船体回波的到达时间；最 后根据动态口限检测，计算出船舶的吃水深度，并且能对船型进行建模。该方法能自适应地 检测出船体，进而估算出船舶的吃水深度，并且能对船型进行建模，并且提高了船舶吃水深 度测量系统的智能性。
[0004] 为了实现上述目的，本发明提供了一种船舶吃水深度测量中自适应船体检测方 法，所述方法包含：
[0005] 步骤101)对阵元回波数据进行近场聚焦波束形成处理，形成多个平行波束；
[0006] 步骤102)采用能量收敛区间检测方法计算每个波束的能量收敛区间，估计出波束 的起始口和终止口；
[0007] 步骤103)根据估计的波束的起始口和终止口并采用幅度时间加权算法，估算出所 有波束中船体回波的到达时间；
[000引步骤104)根据动态口限检测，计算出船舶的吃水深度，并且能对船型进行建模。
[0009] 可选的，上述步骤102)进一步包含：
[0010] 步骤102-1)假设每个波束数据的时间序列长度均为Wt,幅度值记为A(t)，船体的 散射回波信号为Dw,发射信号脉宽为T ;
[001U 将每个波束数据长度Wt分为K个子窗，每个子窗的宽度Wd = Wt/K，各个子窗的能量 Ei通过积分可表示为：
[OOK]其中，ti为第i个子窗的起始时刻；
[0014]将上述所有子窗的能量进行相邻两个合并，得到"K-r个相互重叠的新子窗，且每 个新子窗的能量分别为：
[001 引 及巧,'二 + 巧十1 (:.二 1，2,3'，. '-1)
[0016] 从所有新子窗中，捜索出能量最大值对应的子窗>则能量中屯、收敛区间位于 新子窗内，且新的时间窗长度为，
[0017] 步骤102-2)对计算得到的新子窗^；,.长度选择相应的操作，如果4与1<^/;;;">贝。 更新Wr = Wr, >并重复上述操作进行迭代;直到4D，,. > >判断若D,,. < < 2巧> 则 令巧^ = >并再执行一次步骤102-1)的操作，迭代结束，进而确定能量收敛区间的起始 口 Wstart和终止口 Wend，并转化为时间起始口 Tstart和终止口 Tend。
[0018] 上述展宽后的回波信号宽度Dw=2t。
[0019] 上述子窗个数为4。
[0020] 上述步骤103)进一步包含：
[0021] 步骤103-1)求时间起始HTstart和终止HTend之内的波束数据的幅度的平均值进而 得到本时间窗的口限值，并进行动态口限检测，即：对于此时间窗内的波束数据，保留大于 口限的数据，剔除小于口限的数据；
[0022] 步骤103-2)步骤103-1)保留的数据序列包含位于起始口和终止口之间且幅度在 相应口限之上的数据序列，根据保留的数据序列估算此波束中船体目标散射回波的到达时 间tc:
[0024] 其中，N为步骤103-1)中保留的数据序列的个数，Al和ti分别表示为步骤103-1)保 留的数据序列中的第i个数据的幅度和对应的时刻；
[0025] 步骤103-3)根据每个平行接收波束得到每个波束中船体散射回波的到达时间，且 根据步骤103-1)能得到每个波束数据的动态口限;对每帖数据中的所有的平行波束动态口 限的幅值累加求平均值得到口限化;对每帖数据中的多个平行波束进行处理，步骤103-1) 计算出的每个波束的口限值若大于口限化，则认为此波束中有船体，且可得到步骤103-2) 中得到的船体的到达时间t。，否则认为无船体。
[0026] 此外，本发明还提供了一种船舶吃水深度测量中自适应船体检测系统，所述系统 包含：
[0027] 平行波束生成模块，用于对阵元回波数据进行近场聚焦波束形成处理，形成多个 平行波束；
[002引波束起始口和终止口估算模块，用于采用能量收敛区间检测方法计算每个波束的 能量收敛区间，估计出波束的起始口和终止口；
[0029] 第一处理模块，用于采用幅度时间加权算法，估算出所有波束中船体回波的到达 时间；和
[0030] 第二处理模块，用于根据动态口限检测，计算出船舶的吃水深度，并且能对船型进 行建模。
[0031 ]上述波束起始口和终止口估算模块进一步包含：
[0032]参数设置子模块，用于假设每个波束数据的时间序列长度均为Wt,幅度值记为A (t)，船体的散射回波信号为Dw,发射信号脉宽为T;
[0033]将每个波束数据长度Wt分为K个子窗，每个子窗的宽度WcI = WtA,各个子窗的能量 Ei通过积分可表示为：
[0034] 巧='稱减(i = l，2,3," ?龙)
[0035] 其中，ti为第i个子窗的起始时刻；
[0036] 将上述所有子窗的能量进行相邻两个合并，得到"K-r个相互重叠的新子窗，且每 个新子窗的能量分别为：
[0037] + K+,护=1,2,3,. ?，AT -巧
[0038] 从所有新子窗中，捜索出能量最大值对应的子窗^斬 > 则能量中屯、收敛区间位于 新子窗马内，且新的时间窗长度为
[0039] 判决处理子模块，用于对计算得到的新子窗听1>。,长度选择相应的操作，如果 4 A < ^昭. > 则更新Wp = > 并重复上述操作进行迭代；直到4巧,>巧^。,>判断若 A. < Wk;,,. < 2A. >则令= 2/)，,. >并再执行一次步骤102-1)的操作，迭代结束，进而确 定能量收敛区间的起始口 Wstart和终止口 Wend，并转化为时间起始口 Tstart和终止口 Tend。
[0040] 上述展宽后的回波信号宽度Dw=2t。上述子窗个数为4。
[0041] 上述第一处理模块进一步包含：
[0042] 数据保留处理子模块，用于求时间起始口 Tstad和终止口 Tend之内的波束数据的幅 度的平均值进而得到本时间窗的口限值，并进行动态口限检测，即：对于此时间窗内的波束 数据，保留大于口限的数据，剔除小于口限的数据；
[0043] 第四处理子模块，用于根据保留的数据序列估算此波束中船体目标散射回波的到 达时间t。，所述保留的数据序列包含位于起始口和终止口之间且幅度在相应口限之上的数 据序列：
[0045]其中，N为步骤103-1)中保留的数据序列的个数，Al和ti分别表示为步骤103-1)保 留的数据序列中的第i个数据的幅度和对应的时刻；
[0046] 第五处理子模块，用于根据每个平行接收波束得到每个波束中船体散射回波的到 达时间，且能得到每个波束数据的动态口限;对每帖数据中的所有波束动态口限的幅值求 平均，进而判断有无船体，W及船体到达时间。
[0047] 与现有技术相比，本发明的优点在于:本发明的提出实现方法提高了船舶吃水深 度测量系统的智能性和自适应性。本发明的提出实现方法不仅能估算出船舶的吃水深度， 并且可W获得船型。
【附图说明】
[0048] 图1是本发明实施例提供的阵列接收信号示意图；
[0049] 图2是本发明实施例提供的信号处理框图；
[0050] 图3-a和图3-b是本发明实施例提供的一帖回波数据的声图；
[0051] 图4是本发明实施例提供的一帖数据的船型。
【具体实施方式】
[0052] 下面根据附图对本实例进行说明 [0化3]实施例1
[0054] 1)首先建立一帖阵元回波信号数据的模型，假设阵元个数为N，阵元均匀分布，相 邻阵元间距为d，阵列接收信号示意图由图1所示，则回波信号模型可W表示为
[0055] X(t) =aS(t)+N(t)
[0056] 其中，a为信号导向矢量，与目标距离阵列的距离和目标入射角度有关，S(t)为信 号的复包络，N(t)为噪声信号。
[0057] 由S角形余弦定理可得，W第1个为参考阵元，则第n(n=l，2,3,…，N)个阵元与目 标之间的距离为
[0059]其中，dn为dn=(n-l)d(n=l，2,3，…，N)，目s为目标信号的入射角度，各个阵元与参 考阵元之间的时间差为：
[0061] 贝IJ信号的导向矢量可W表示为0=[叫^^2"0^，€-72^"^，-，，。-/2^^]，。为系统工作频 率。
[0062] 对回波信号进行聚焦波束形成处理，输出波束数据Y(t)为：
[0063] Y(t)=w^(t)
[0064] W为加权矢量，静态波束形成处理条件下，权矢量等于波束指向导向矢量，认为波 束指向与目标入射方向相同，则w = a。假设系统形成多个平行接收波束，则0s = 〇°。
[0065] 2)对波束数据进行能量收敛区间检测，计算出波束能量收敛区间。假设步骤1)中 的每个波束数据的时间序列长度均为Wt,幅度值记为A(t)，船体的散射回波信号相对于发 射信号脉宽T有一定程度的展宽，此处取展宽后的回波信号宽度Dw = 2t。将数据长度Wt分为 四个子窗，每个子窗的宽度Wd=Wt/4，各个子窗的能量通过积分可表示为
[0066] 巧=^+巧'如〇成〇-二1，2