真实时反和虚拟时反相结合的信号发射及处理方法与流程

本发明涉及数字信号处理领域，具体涉及真实时反和虚拟时反相结合的信号发射及处理方法。

背景技术：

时间反转是一种在重发信号或后处理过程中将信号沿时间轴反转的技术。该技术充分利用信道信息，使得发射的能量在接收端重新分配，达到在指定位置能量聚焦的效果，在超声检测、水声通信以及水声探测等方面广泛应用。

时间反转技术又可分为真实时间反转和虚拟时间反转，二者的信号发射及处理流程略有不同，同时又有分别各自的优缺点和应用场合。如果考虑发射和接收都是成阵的，虚拟时反只需要发射阵元依次轮发信号，再在接收端进行后处理，缺点是检测周期较长，优点是不需要额外的硬件辅助；真实时反则需要将上一轮轮发信号的接收信号由接收端回传给发射端，物理上实现接收信号时反重发的过程，优点是一次轮发可以实现多次检测，缺点是需要实现远距离高速的数据回传，而且轮发信号阶段无法进行目标检测。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服目前单一使用真实时反和虚拟时反时存在的上述缺陷，提出了将真实时反和虚拟时反两种发射方式相结合的方法，该方法不但提高了有效检测时间比例，减少了漏检概率，而且更充分地利用了硬件的计算能力；本发明的方法在真实时反的轮发信号阶段融入虚拟时反的思想，实现多轮次的发射，即在“准备”重发信号的同时，仍然能够实现目标检测，这一检测过程在接收端服务器进行，充分利用了发射端服务器向水下dsp传输待发数据的时间，实现了闲置运算能力的利用，提高了整套系统的检测能力。

为了实现上述目的，本发明提出了真实时反和虚拟时反相结合的信号发射及处理方法，基于真实时反和虚拟时反相结合的信号发射及处理系统实现，所述系统包括发射端和接收端；所述发射端包括：发射端服务器、发射dsp、发射机和发射阵，所述发射阵包括ns个阵元，所述接收端包括：接收端服务器、接收dsp、接收机和接收阵，所述接收阵包括nr个阵元；

所述方法包括：所述方法包括：所述发射阵的ns个阵元依次发射信号s(t)，一共发射m1轮；所述接收阵的nr个阵元接收发射阵发射的信号，当接收到m1轮所有发射阵阵元发送的信号后，计算信号的平均值并回传给发射端服务器；发射端服务器将接收到的数据进行时反，然后将时反的数据下载到发射dsp缓存；在数据下载的时间段内，接收端服务器利用保存在本地的m1轮信号进行虚拟时反，进行目标检测；然后，发射端服务器的ns个发射阵元同时发射聚焦在接收端的一个接收阵元的时反信号；接收阵的阵元接收该信号，并将该信号用于目标检测。

上述技术方案中，所述方法具体包括：

步骤1)所述发射阵的第i，i＝1,2,…,ns个阵元依次发射信号s(t)，一共发射m1轮；

步骤2)所述接收阵的第j，j＝1,2,…,nr个阵元接收到的信号为其中m，m＝1，2，…，m1为发射的轮数，hmij(t)为第m轮发射阵第i个阵元与接收阵第j个阵元间信道的格林函数；

步骤3)接收端服务器将接收到的数据rmij(t)进行保存，当接收到m1轮所有发射阵阵元发送的信号后，计算rmij(t)平均值将uij(t)回传给发射端服务器；

步骤4)发射端服务器将接收到的数据uij(t)进行时反变为uij(-t)，然后将数据uij(-t)下载到发射dsp缓存；在数据下载的时间段内，接收端服务器利用保存在本地的m1轮信号进行虚拟时反，进行目标检测；

步骤5)发射端服务器的ns个发射阵元同时发射信号j0为选取的发射聚焦的接收阵元，能量将在接收阵第j0个阵元聚焦；

步骤6)接收阵第j个阵元接收到的信号为其中，hij(t)为发射阵第i个阵元与接收阵第j个阵元间信道的格林函数；将vj(t)输入检测器进行目标检测。

本发明的方法优点在于：

1、真实时反和虚拟时反有各自的优缺点，本发明的方法将二者的信号发射和处理流程有机结合，兼顾了检测周期和有效检测时间比例，同时充分利用了硬件的计算能力；而且本发明可以根据实际环境的相关时间半径，调整真实时反和虚拟时反所占比例，更加灵活有效；

2、本发明的方法与传统真实时反相比，提高了有效检测时间比例；与传统虚拟时反相比，缩短了一部分检测周期；

3、本发明的系统与只用一个服务器的真实时反相比，降低了数据传输的压力；与用两个服务器的真实时反相比，充分利用了硬件的计算能力。

附图说明

图1为本发明的真实时反和虚拟时反相结合的信号发射及处理系统的示意图；

图2为本发明的收发时序图；

图3a为虚拟时反的收发时序图；

图3b为真实时反的收发时序图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。

如图1所示，真实时反和虚拟时反相结合的信号发射及处理系统，所述系统是收发分置的，包括发射端和接收端；所述发射端包括：发射端服务器、发射dsp、发射机和发射阵，所述发射阵包括ns个阵元，所述接收端包括：接收端服务器、接收dsp、接收机和接收阵，所述接收阵包括nr个阵元；

基于上述系统，本发明提供了真实时反和虚拟时反相结合的信号发射及处理方法，所述方法包括：

步骤1)所述发射阵的第i(i＝1,2,…,ns)个阵元依次发射信号s(t)(发射间隔为t1)，一共发射m1轮；

步骤2)所述接收阵的第j(j＝1,2,…,nr)个阵元接收到的信号为rmij(t)＝s(t)*hmij(t)，其中m(m＝1，2，…，m1)为发射的轮数，hmij(t)为对应信道的格林函数，与时间和发射与接收的位置都有关，水声信道为缓慢时变信道，在相关时间半径内，可以近似认为hmij(t)只与发射和接收的位置有关，以下用hij(t)表 示；

步骤1)和步骤2)为第一阶段，第一阶段所用时间为t1总＝t1*ns*m1；

步骤3)接收端服务器将接收到的数据rmij(t)进行保存，当接收到m1轮所有发射阵阵元发送的信号后，计算rmij(t)平均值将uij(t)回传给发射端服务器；

将uij(t)回传给发射端服务器是为真实时反重发过程做数据准备；此步骤为第二阶段，第二阶段所用时间为t2；

步骤4)发射端服务器将接收到的数据uij(t)进行时反变为uij(-t)，然后将数据uij(-t)下载到发射dsp缓存；发射端服务器将数据下载到发射dsp的过程需要较长时间，接收端服务器在这段时间可以利用保存在本地的m1轮信号进行虚拟时反，进行目标检测；

步骤4)为第三阶段，第三阶段所用时间为t3；

步骤5)发射端服务器的ns个发射阵元同时发射信号j0为选取的发射聚焦的接收阵元；能量将在接收阵第j0个阵元聚焦；

步骤6)接收阵第j个阵元接收到的信号为将vj(t)输入检测器进行一次目标检测；

所述j0的选取原则为得到的vj(t)目标检测的效果最佳。

步骤5)和步骤6)为第四阶段。这一阶段，发射阵可以多次发射聚焦于第j0个接收阵元的信号，也可以发射聚焦于其他深度的信号用于目标检测。其中发射信号uij(-t)的时间间隔为t4j，一共发射m4j次(j＝1,2,…,nr)，所以第四阶段所用时间为

本发明的发射端和接收端的时序图如图3所示：

①发射阵ns个阵元依次发射信号s(t)

②接收阵nr个阵元同时接收信号rmij(t)

③接收端服务器计算并传输uij(t)

④发射端服务器接收uij(t)

⑤发射端服务器下载到发射dsp

⑥接收端服务器利用虚拟时反进行目标检测(有效检测时长为t1总)

⑦发射阵ns个阵元同时发射相应信号

⑧接收阵nr个阵元同时接收信号vj(t)(j＝1,2,…,nr)。

图2只给出⑤⑦⑧利用真实时反聚焦在接收阵第j0个阵元进行目标检测作为示意，也可以通过发射其他信号聚焦在其他深度，有效检测时长为t4总。

图3a是虚拟时反的收发时序图，发射阵阵元一直在依次轮发信号，一轮只能做一次检测，而且利用后处理⑥来代替时反重发过程需要消耗大量时间，所以检测周期很长；图3b是真实时反的收发时序图，⑦⑧利用真实时反进行目标检测，之前①-⑤是时反信号准备工作，无法进行目标检测，虽然与虚拟时反相比检测周期缩短了(即⑧的周期比②+⑥短)，但是有效检测时间比例(即其中计算t1总的m1＝1)过小。而且实际应用中，为了降低偶然因素的影响，往往会发射多轮①，对接收到多轮的②进行平均，这样有效检测时间比例(即其中计算t1总的m1＞1)更小了；出于上述原因，本发明提出了将真实时反和虚拟时反相结合的信号发射及处理流程，如图2示。本发明同时兼顾了有效检测时间比例和检测周期，与传统真实时反相比，有效检测时间比例由提高到与传统虚拟时反相比，有一部分检测周期由②+⑥缩短到⑧。