一种数字渔用声呐扫海接收方法和系统
阅读说明：本技术 一种数字渔用声呐扫海接收方法和系统 (Digital fishing sonar sea-sweeping receiving method and system ) 是由 李国栋 杨育红 汤涛林 王志俊 程婧 魏珂 于 2021-09-26 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种数字渔用声呐扫海接收方法和系统。该数字渔用声呐扫海接收方法包括：以换能器阵的原点为中心,将换能器阵形成的区域划分为Z个相互重叠的扫描区域族；Z个相互重叠的扫描区域族进行波束的单独接收和并行处理。本发明以换能器阵的原点为中心,将换能器阵形成的区域划分为Z个相互重叠的扫描区域族,能够实现水声回波信号的单独接收和并行处理,并且,通过参与不同扫描区域族的波束成形过程,可以实现并发的波束扫描和接收,能够在提高系统分辨能力的同时,提高图像探测精确度,实现接收波束指向性更强,覆盖探测区域更加均匀的目的。(The invention relates to a digital fishing sonar sea-sweeping receiving method and system. The digital fishing sonar sea-sweeping receiving method comprises the following steps: dividing a region formed by the transducer array into Z scanning region groups overlapped with each other by taking the origin of the transducer array as a center; the Z families of mutually overlapping scan regions perform separate reception and parallel processing of the beams. The invention takes the origin of the transducer array as the center, divides the area formed by the transducer array into Z scanning area families which are mutually overlapped, can realize the independent receiving and parallel processing of underwater acoustic echo signals, can realize the concurrent beam scanning and receiving by participating in the beam forming process of different scanning area families, can improve the resolution capability of the system, improve the image detection accuracy, and realize the purposes of stronger receiving beam directivity and more uniform coverage detection area.)
技术领域
本发明涉及声呐扫海信号传输领域，特别是涉及一种数字渔用声呐扫海接收方法和系统。
背景技术
在远洋渔业捕捞作业鱼群探测过程，为了达到更加高效的扫海目的，采用圆柱型或圆环型换能器阵，进行以渔船为中心360°扫描。传统数字渔用声呐进行扫描时，以渔用声呐圆柱型或圆环型换能器阵为中心，将探测区域均匀划分成多个独立扫描区域，每个圆柱型或圆环型换能器阵独立扫描区域所对应的所有阵子为独立子阵，通过独立子阵对覆盖区域的均匀间隔角度的多波束成形接收，实现对每个独立扫描区域进行多波束扫描。当独立子阵划分较少时，如2-3个，每个独立扫描区域需要扫描较大开角范围内的区域，如划分成2个或3个，分别需要每个独立扫描区域需要覆盖180度和120度范围内的区域，由于波束成形特性的原因，当扫描角度加大时，波束成形效果较差，表现波束主瓣展宽，旁瓣增高，指向性增益降低，影响整个区域探测信号的均匀分布，降低探测成像精度。当独立子阵划分较多时，如4个及以上，每个独立扫描区域覆盖的区域变小，会使得波束的均匀性得到改善，但会带来另一个问题，即由于划分较多的独立子阵，单个独立子阵的阵子数量减少，降低波束成形的指向性增益，降低系统探测距离，同时，参与波束成形的阵子减少也会增大波束开角，降低系统的分辨能力。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种数字渔用声呐扫海接收方法和系统。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种数字渔用声呐扫海接收方法，包括：
以换能器阵的原点为中心，将换能器阵形成的区域划分为Z个相互重叠的扫描区域族；所述换能器阵的原点为换能器阵形成区域的中心点；
Z个相互重叠的扫描区域族进行波束的单独接收和并行处理。
优选地，所述Z个相互重叠的扫描区域族包括：第一扫描区域族、第二扫描区域族和第三扫描区域族；
所述第一扫描区域族、所述第二扫描区域族和所述第三扫描区域族均将换能器阵水平方向上的阵子分成Q个独立扫描区域；每一所述独立扫描区域包括独立子阵；所述独立子阵由换能器阵阵子中的1/Q阵子形成。
优选地，所述第一扫描区域族、所述第二扫描区域族和所述第三扫描区域族中的Q个独立扫描区域均沿自身的中心法线方向进行多波束扫描；
所述第一扫描区域族、所述第二扫描区域族和所述第三扫描区域族中的Q个独立扫描区域均沿所述独立子阵的中心法线方向进行多波束接收。
优选地，所述第一扫描区域族中的每个独立扫描区域的扫描范围均为[-q,+q]。
优选地，q＝360°/2*Q*M，M为正整数。
优选地，q小于等于30°。
优选地，所述第二扫描区域族中的Q个独立扫描区域相较于所述第一扫描区域族中的Q个独立扫描区域顺时针旋转第一预设角度。
优选地，所述第三扫描区域族中的Q个独立扫描区域相较于所述第二扫描区域族中的Q个独立扫描区域顺时针旋转所述第一预设角度。
优选地，所述第一预设角度为2q。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供的数字渔用声呐扫海接收方法中，以换能器阵的原点为中心，将换能器阵形成的区域划分为Z个相互重叠的扫描区域族，能够实现水声回波信号的单独接收和并行处理，并且，通过参与不同扫描区域族的波束成形过程，可以实现并发的波束扫描和接收，能够在提高系统分辨能力的同时，提高图像探测精确度，实现接收波束指向性更强，覆盖探测区域更加均匀的目的。
对应于上述提供的数字渔用声呐扫海接收方法，本发明还提供了一种数字渔用声呐扫海接收系统，该系统包括：处理器和存储器；
所述处理器与所述存储器进行数据交互；
所述存储器中存储有用于执行上述提供的数字渔用声呐扫海接收方法的软件程序；所述处理器用于执行所述软件程序。
因本发明提供的数字渔用声呐扫海接收系统实现的技术效果与上述提供的数字渔用声呐扫海接收方法实现的技术效果相同，故在此不再进行赘述。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的数字渔用声呐扫海接收方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的传统渔用声呐波束不同波束倾角下的波束指向性函数示意图；其中，图2(a)为本发明实施例提供的传统渔用声呐波束倾角为0°时的波束指向性函数示意图；图2(b)为本发明实施例提供的传统渔用声呐波束倾角为-10°时的波束指向性函数示意图；图2(c)为本发明实施例提供的传统渔用声呐波束倾角为-30°时的波束指向性函数示意图；图2(d)为本发明实施例提供的传统渔用声呐波束倾角为-60°时的波束指向性函数示意图；
图3为本发明实施例提供的圆柱形换能器阵示意图；
图4为本发明实施例提供的等效圆环形换能器阵示意图；
图5为本发明实施例提供的第一扫描区域族划分及其扫描区域示意图；
图6为本发明实施例提供的第二扫描区域族划分及其扫描区域示意图；
图7为本发明实施例提供的第三扫描区域族划分及其扫描区域示意图；
图8为本发明实施例提供的波束扫描结果示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
传统多波束渔用声呐指向性扫海，将探测区域划分成为多个独立扫描区域，每个通过独立阵子进行接收波束成形，完成一些系列不同倾角的波束接收，如图2所示，当波束扫描角度大于30°时，主瓣变宽、主瓣强度变低、主瓣倾角误差增大，旁瓣增强，来扫海探测强度误差和角度分辨率降低。
传统方法当独立扫描区域数量较多时，可以减少每个独立扫描区域的扫描范围，但每个独立扫描区域对应的独立子阵的阵子数量将减少，这样会影响波束成形指向性增益，也就是接收波束信号强度，降低探测范围。因此，传统指向性扫海的均匀度和扫描接收波束信号强度之间成为一种相互制约的关系，不能达到两者兼顾的作用。
本发明的目的是提供一种数字渔用声呐扫海接收方法和系统，能够在提高系统分辨能力的同时，提高图像探测精确度，实现接收波束指向性更强，覆盖探测区域更加均匀的目的。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明提供的数字渔用声呐扫海接收方法，包括：
步骤100：以换能器阵的原点为中心，将换能器阵形成的区域划分为Z个相互重叠的扫描区域族。换能器阵的原点为换能器阵形成区域的中心点。
步骤110：Z个相互重叠的扫描区域族进行波束的单独接收和并行处理。
为了进一步提高扫描的全面性和精确性，本发明划分的Z个相互重叠的扫描区域族包括：第一扫描区域族、第二扫描区域族和第三扫描区域族；
其中，第一扫描区域族将换能器阵水平方向的阵子分成Q个独立扫描区域，每个独立扫描区域有1/Q的换能器阵阵子形成独立子阵，负责扫描范围为-q到+q，其中q为360°/2*Q*M，M为正整数，为了达到在较好的倾角范围内进行波束成形，一般要求q小于30°。Q个独立扫描区域同时以每个区域子阵中心法线方向进行多波束接收，在这个区域里一次并发进行B个接收多波束成形，B个接收多波束成形相对于换能器子阵法线方向角度分别均匀间隔的指向性多波束扫描。
例如：如图5所示，将整个以换能器阵为中心分成Q＝2个独立扫描区域，每个扫描区域负责q＝30°，也就是60°开角范围的空间进行扫描，每个独立扫描区域有1/Q＝1/2的阵子形成独立子阵，进行10个波束扫描(图5中箭头示意)。
第二扫描区域族将换能器阵水平方向的阵子也分成Q个独立扫描区域，每个独立扫描区域也有1/Q的换能器阵子形成独立子阵，此时的Q个独立扫描区域相较于第一扫描区域族的Q个独立扫描区域旋顺时针转了角度2q。第二扫描区域族的Q个独立扫描区域同时以每个独立扫描区域中心法线方向进行扫描，扫描范围为-q到+q，Q个独立扫描区域同时以每个区域子阵中心法线方向进行多波束接收，在这个区域里一次并发进行B个接收多波束成形，B个接收多波束成形相对于换能器子阵法线方向角度分别均匀间隔的指向性多波束扫描。
例如：如图6所示，将整个以换能器阵为中心分成Q＝2个独立扫描区域，每个扫描区域负责q＝30°，相较于图4，独立扫描区域和子阵旋转了60°，依旧扫描其子阵法线正前方60°开角范围区域，每个独立扫描区域有1/2的阵子形成独立子阵，进行10个扫描。
第三扫描区域族将换能器阵水平方向的阵子分成Q个独立扫描区域，每个独立扫描区域有1/Q的换能器阵子形成独立子阵，此时的Q个独立扫描区域相较于第二扫描区域族的Q个独立扫描区域旋顺时针转了角度2q。第三扫描区域族的Q个独立扫描区域同时以每个独立扫描区域中心法线方向进行扫描，扫描范围为-q到+q，Q个独立扫描区域同时以每个区域子阵中心法线方向进行多波束接收，在这个区域里也是一次并发进行B个接收多波束成形，B个接收多波束成形相对于换能器子阵法线方向角度分别均匀间隔的指向性多波束扫描。
例如：如图7所示，将整个以换能器阵为中心分成Q＝2个独立扫描区域，每个扫描区域负责q＝30°，相较于图5，独立扫描区域和子阵旋转了60°，扫描其子阵法线正前方60°开角范围区域，每个独立扫描区域有1/2的阵子形成独立子阵，进行10个扫描。
以此类推，完成Z个扫描区域族的扫描，如果设计需要更多扫描区域，也就是Q大于2，可以进行更多的独立扫描区域和子阵划分来实现对需要扫描的区域进行扫描。
以上实施例中采用的换能器阵优选为圆柱型换能阵，但不限于于此。在进行波速扫描接收过程中，首先进行主动或被动的垂直方向波束成形，已实现对垂直方向的扫描，再根据本发明提供的上述数字渔用声呐扫海接收方法在水平方向进行扫海。图3为实施例中选用的圆柱型换能器阵(以32列*8行为例)的示意图，图4为水平方向的等效圆环型换能器阵示意图。图4中每列或每个阵子，可以进行单独的接收水声回波信号，并同时参与不同扫描区域族的多个波束成形过程，接收扫描时按上述提供的数字渔用声呐扫海接收方法进行。
由于阵子接收到的水声回波信号可以参与多个波束的波束成形，也可以同时跨多个扫描区域族参与波束成形，因此所有的扫描区域族是并发的，所有的波束也是并发的，例子中的3个扫描区域族是并发产生的，对应的6个独立扫描区域和子阵及60个扫描波束也是并发的。最终进行的波束扫描结果如图8所示。
对应于上述提供的数字渔用声呐扫海接收方法，本发明还提供了一种数字渔用声呐扫海接收系统，该系统包括：处理器和存储器；
所述处理器与所述存储器进行数据交互；
所述存储器中存储有用于执行上述提供的数字渔用声呐扫海接收方法的软件程序；所述处理器用于执行所述软件程序。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
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