阅读说明：本技术 一种基于分数阶傅里叶变换的变频声呐测深方法 (Frequency conversion sonar depth sounding method based on fractional Fourier transform ) 是由 张建 陈晓静 耿彦章 于 2019-11-12 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于分数阶傅里叶变换的变频声呐测深方法,具体包括以下步骤：(1)线性调频信号生成；(2)功率放大；(3)信号发射；(4)监听回波信号；(5)判断收到回波：(6)计算显示距离。本发明的一种基于分数阶傅里叶变换的变频声呐测深方法基于线性调频信号在分数阶傅里叶变换域上能量高度集中的特点进行声呐测深,可以有效分辨出极低信噪比情况下的声呐回波信号,从而大大加强了声呐的远距离探测功能。(The invention relates to a frequency conversion sonar depth sounding method based on fractional Fourier transform, which specifically comprises the following steps: (1) generating a linear frequency modulation signal; (2) amplifying power; (3) signal transmission; (4) monitoring an echo signal; (5) judging the received echo: (6) the display distance is calculated. The frequency conversion sonar depth measurement method based on fractional Fourier transform carries out sonar depth measurement based on the characteristic that linear frequency modulation signals are highly concentrated in energy in a fractional Fourier transform domain, can effectively distinguish sonar echo signals under the condition of extremely low signal-to-noise ratio, and therefore greatly strengthens the remote detection function of sonar.)

一种基于分数阶傅里叶变换的变频声呐测深方法

技术领域

本发明涉及声呐测深技术领域，具体涉及一种基于分数阶傅里叶变换的变频声呐测深方法。

背景技术

1、主动声呐技术

主动声呐又叫回声定位仪，它是主动发射水声信号并从水中目标反射回波中获取目标参数的各种声呐的总称。它用于探测水下目标，并测定其距离、方位、航速、航向等运动要素的一种设备。它由声呐发射某种探测信号，该信号在水中传播的路径上遇到障碍物或目标，反射回来到达发射点被接收，由于目标信息保存在被目标反射回来的回波之中，所以可根据接收到的回波信号来判断目标的参量。该声呐能精确测定目标距离，可探测固定目标。其隐蔽性差，作用距离较近，存在混响干扰。

2.线性调频信号

线性调频(LFM)是一种不需要伪随机编码序列的扩展频谱调制技术。由于线性调频信号占用的频带宽度远大于信息带宽，所以也可以获得很大的系统处理增益。线性调频信号又称Chirp信号，因为其频谱带宽落于可听范围，则听若鸟声，所以又称Chirp扩展频谱(CSS) 技术。LFM技术在雷达、声纳技术中有广泛应用，如在雷达定位技术中，它可在增大射频脉冲宽度、提高平均发射功率、加大通信距离同时又保持足够的信号频谱宽度，不降低雷达的距离分辨率。

3.分数阶傅里叶变换

分数阶傅里叶变换(FRFT)是傅里叶变换(FT)的一种数学推广。傅立叶变换是将观看角度从时域转变到频域，分数阶傅立叶变换就是以观看时频面的角度去旋转时频面的坐标轴，然后再从观察频域的角度去分析信息。分数阶傅立叶变换多出来的一个算子就是这个旋转的角度。这个旋转角度以分数的形式呈现，取值是0-1，当取1时就等同于傅立叶变换。将信息进行分数阶傅立叶变换的原因在于：大部分信息都是非平稳信号，仅仅用傅立叶变换不足以分析其显著特征，运用分数阶傅立叶变换主要是能选取信息最集中的角度去分析，也就是在不同的分数阶得到的结果中选取幅值最大的那个结果，那么这个结果所存在的那个分数阶就是最优阶次。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于分数阶傅里叶变换的变频声呐测深方法来解决现有技术的声呐测深技术隐蔽性差，存在混响干扰的问题。

为解决以上技术问题，本发明的技术方案为：一种基于分数阶傅里叶变换的变频声呐测深方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

(1)使用信号发生装置，产生线性调频信号Chirp；

(2)将线性调频信号传递给功率放大器，通过功率放大器将线性调频信号的能量放大到能量AP，功率放大器将经过功率放大后的线性调频信号S(t)传递给超声换能器；

(3)使用超声换能器发射线性调频信号S(t)；

(4)在发射等待时间T_b的时间范围内，监听信号产生的回波情况，监听方法是对超声换能器的信号线进行模数转换，转换得到的数字信号传入信号处理模块；

(5)对回波信号逐帧分数阶傅里叶分析，使用分数阶傅里叶分析的角度参数应满足以下条件：

其中，β为对应的分数阶傅里叶变换角度，对应的分数阶傅里叶变换为：

由于该线性调频回波信号在这个分数阶傅里叶变换的角度中呈现冲击信号特征，则在每帧回波中均检测β存在的冲击信号，并计算该数据帧的谱能量，并将检测到的数据帧连续保存；

(6)当连续多帧出现冲击信号能量不断增强，并在后面几帧中达到最大值并持续n帧后，判定收到回波信号；

(7)当判断收到回波信号后，记录当前帧在周期中的序数为k，并进行测深。

进一步的，所述步骤(1)中的所述线性调频信号Chirp满足以下条件：

其中，A为所生成Chirp的振幅，f₁，f₂分别为生成Chirp的下限频率与上限频率，T为Chirp的持续总时长，t为Chirp产生时刻。

进一步的，所述步骤(2)中的能量通常AP应大于2400W，功率放大器的频率响应曲线在响应频率范围内保持平直，所述功率放大器的频响范围下限小于f1,频响范围上限大于f2。

进一步的，所述步骤(3)中发射线性调频信号S(t)时，每个发射周期持续时长T_s表示为：T_s＝T+T_b，其中，T_b代表一个周期中发射等待的时间。

进一步的，所述步骤(3)中，T_b时间满足的条件为：

其中，σ为余量系数，σ取值为0.1～0.3，c为海水中的声速，L 为可测深的最大长度。

进一步的，所述步骤(5)中进行逐帧分析时分帧时长Tc大于T，帧帧重叠率为95％，即帧移为5％。

进一步的，所述步骤(5)中连续保存数据帧的谱能量的帧数小于或者等于k帧，其中k＝20Ts/T。

进一步的，所述步骤(7)中所述测深距离公式为：

本发明和现有技术相比，产生的有益效果为：

本发明的一种基于分数阶傅里叶变换的变频声呐测深方法基于线性调频信号在分数阶傅里叶变换域上能量高度集中的特点进行声呐测深，可以有效分辨出极低信噪比情况下的声呐回波信号，从而大大加强了声呐的远距离探测功能。

附图说明

为了更清晰地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一种基于分数阶傅里叶变换的变频声呐测深方法的流程图。

图2为一种基于分数阶傅里叶变换的变频声呐测深方法的收到回波信号时的谱能量图。

具体实施方式

下面将通过具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明提供一种基于分数阶傅里叶变换的变频声呐测深方法，具体包括以下步骤：

(1)使用信号发生装置，产生线性调频信号Chirp，所述线性调频信号Chirp满足以下条件：

其中，A为所生成Chirp的振幅，f₁，f₂分别为生成Chirp的下限频率与上限频率，T为Chirp的持续总时长，t为Chirp产生时刻；

(2)将线性调频信号传递给功率放大器，通过功率放大器将线性调频信号的能量放大到能量AP，功率放大器将经过功率放大后的线性调频信号S(t)传递给超声换能器，其中，能量通常AP应大于2400W，功率放大器的频率响应曲线在响应频率范围内保持平直，所述功率放大器的频响范围下限小于f1,频响范围上限大于f2。

(3)使用超声换能器发射线性调频信号S(t)，每个发射周期持续时长T_s表示为：

T_s＝T+T_b

其中，T_b代表一个周期中发射等待的时间；T_b时间满足的条件为：

其中，σ为余量系数，σ取值为0.1～0.3，c为海水中的声速，L 为可测深的最大长度。

(4)在发射等待时间T_b的时间范围内，监听信号产生的回波情况，监听方法是对超声换能器的信号线进行模数转换，转换得到的数字信号传入信号处理模块；

(5)对回波信号逐帧分数阶傅里叶分析，其中，进行逐帧分析时分帧时长Tc大于T，帧帧重叠率为95％，即帧移为5％。使用分数阶傅里叶分析的角度参数应满足以下条件：

其中，β为对应的分数阶傅里叶变换角度，对应的分数阶傅里叶变换为：

由于该线性调频回波信号在这个分数阶傅里叶变换的角度中呈现冲击信号特征，则在每帧回波中均检测β存在的冲击信号，并计算该数据帧的谱能量，并将检测到的数据帧连续保存连续保存数据帧的谱能量的帧数小于或者等于k帧，其中k＝20Ts/T。当连续多帧出现冲击信号能量不断增强，并在后面几帧中达到最大值并持续n帧后，如图2所示，判定收到回波信号；

(6)当判断收到回波信号后，记录当前帧在周期中的序数为k，由最终测深距离公式进行测深，所述测深距离公式为：

上面所述的实施例仅仅是本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域中普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进均应落入本发明的保护范围，本发明的请求保护的技术内容，已经全部记载在技术要求书中。