一种新型水下激光抗散射探测方法技术

本发明专利技术公开一种新型水下激光抗散射探测方法，包括以下步骤：采集水下目标物的回波时域信号；对所述回波时域信号进行多层小波时域分解重构，提取重构后的时域信号；对所述重构后的时域信号进行插值处理，获取所述回波信号的有效频域范围；对所述重构后的时域信号进行小波时频分解，提取时频能量空间中有效频域范围的时间能量信号，基于所述有效频域范围的时间能量信号还原回波时域信号；对还原后的所述回波时域信号进行峰值检测，计算所述水下目标物的探测距离。本发明专利技术通过小波时频域变换将信号的时频完整体现，获得分离散射区域与有效信号，显著提高激光水下测距的精确性。显著提高激光水下测距的精确性。显著提高激光水下测距的精确性。

【技术实现步骤摘要】
一种新型水下激光抗散射探测方法


[0001]本专利技术涉及激光探测领域，特别是涉及一种新型水下激光抗散射 探测方法。

技术介绍

[0002]水下激光探测领域发展了多种测距方法：基于时域信号特性的距 离选通方法，相位式测距以及基于非时域测距的干涉测量、三角测量， 光子计数等方法。距离选通法和相位式测距等测距方法都是通过设计 具有不同控制精度的时域门控宽度以及不同长度的测量标尺等包含 时域信号幅值、强度特性的方法，确保其测距精度，实现对物体距离， 速度，加速度等信息的检测[。故可知以距离选通和相位式测距为代 表基于时域信号特性的测距方法，需要被测信号具有一定的周期性或 相位分立等特点。因此，基于时域信号特性的测距方法无法探测周期 性、相位以及最值等时域特性不可分辨的时域信号。
[0003]基于非时域信号特性的测距方法中，干涉法测距最具代表性。该 方法运用光强的周期性变化实现测距。理论上，其纵向测距精度高达 微米量级。该方法适用于检测同一水平位置上多个物体之间的距离， 但不能表示各个目标的纵向距离。基于光子计数的测距方式，可用于 检测微弱信号。通过检测探测带宽内信号的光子数目，来确定距离信 息。对于微弱信号而言，其光子数目可能小于散射光子数目，而导致 无法准确探测。若想运用该方式测距，则可通过减少单次光子数和减 小频带宽度方法，提高探测精度。
[0004]上述测距方法虽然可以通过时频域相互转化等方式，实现较为准 确的目标探测；但其时频信号本身具有的分布状态和数目等差异性， 导致无论何种测距方法均无法实现时频信号的准确对应关系。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种新型水下激光抗散射探测方法，以解决 上述现有技术存在的问题，通过小波时频域变换将信号的时频完整体 现，获得分离散射区域与有效信号，显著提高激光水下测距的精确性。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：本专利技术提供一种新型 水下激光抗散射探测方法，包括以下步骤：
[0007]采集水下目标物的回波时域信号；
[0008]对所述回波时域信号进行多层小波时域分解重构，提取重构后的 时域信号；
[0009]对所述重构后的时域信号进行插值处理，获取所述回波信号的有 效频域范围；
[0010]对所述重构后的时域信号进行小波时频分解，提取时频能量空间 中有效频域范围的时间能量信号，基于所述有效频域范围的时间能量 信号还原回波时域信号；
[0011]对还原后的所述回波时域信号进行峰值检测，计算所述水下目标 物的探测距离。
[0012]可选地，所述水下回波信号采集过程中使用高速采集卡。
[0013]可选地，所述回波信号包括基准信号、散射信号和目标信号。
[0014]可选地，对所述回波信号进行多层小波时域分解重构，提取重构 后的时域信号包
括：
[0015]基于所述回波信号的时域信号频率范围，确定小波时域分解的层 数；
[0016]基于所述层数，对所述回波信号进行小波时域分解，获得每一层 小波时域分解结果；
[0017]对所有的所述小波分解结果进行累加，提取所述重构后的时域信 号。
[0018]可选地，对所述回波信号按照式(1)进行第n层小波时域分解：
[0019][0020]其中，n为采样点数，T为最小时间间隔,1/T为原回波信号频率 上限，E
n
(t)为近似时域信号E
n
‑1(t)的再次有效频域近似，a
n
‑1E
n
‑1(t)为 再次近似信号与E
n
‑1(t)的差值，
△
f为主要频率范围，B
n
‑1、e
n
、e
n
‑1、 c
n
‑1、d
n
‑1……
分别为第1～n层小波时域分解中分解信号的幅值信息， 为第n层小波时域分解的噪声频域区间。
[0021]可选地，对所述重构后的时域信号进行插值处理，获取所述回波 信号的有效频域范围包括：
[0022]对所述重构后的时域信号利用插值方法构建能量
‑
时间
‑
频率关 系模型，其中，所述能量
‑
时间
‑
频率关系模型为时间与能量、时间与 频率和频率与能量的矩阵；
[0023]基于所述能量
‑
时间
‑
频率关系模型，对所述重构后的时域信号进 行以能量相关的频谱分解，获得所述重构后的时域信号的频域能量分 布。
[0024]可选地，对所述重构后的时域信号进行以能量相关的频谱分解如 式(3)所示：
[0025][0026]其中，P(t1)，......，P(t
n
)为每一时刻信号的时域能量与频域能量的 对应关系；f
m
为多层小波时域分解重构的频率上限，f1，......，f
m
为经 过多层小波时域分解后的全部频域信息。
[0027]可选地，所述重构后的时域信号的频域能量分布如式(5)所示：
[0028][0029]其中，P
mn
(WT
f
,Wf
T
)为信号的整体能量的时频域分布，(WT
f1
,...,WT
fm
) 为时间能量
算子，为频率能量算子，[A]m
×
n
为小波时频分解的 能量矩阵。
[0030]可选地，所述有效频域范围的时间能量信号如式(6)所示：
[0031][0032]其中，P
kn
(WT
f
',Wf
T
')为有效回波信号的整体能量的时频域分布， (WT
fk
,...,WT
f2k
)为有效时域信号的能量算子，为有效频率域的能 量算子，[A]n
×
k
为有效时频空间对应的n
×
k阶能量矩阵。
[0033]本专利技术公开了以下技术效果：
[0034]本专利技术提供的一种新型水下激光抗散射探测方法，首先通过多层 时域分解重构，在有效频域方面不断近似其回波信号特征；然后运用 小波变换的频域表现形式以时域信号为基础，通过时频域信号的能量 一致性原则，将时域信号进行频域分解，进而获得信号时域的完整频 域表述，从而找到信号有效时频域能量范围区域，提取该范围内所有 信号，获得包含完整有效频域的时域信号，显著提高激光水下测距的 精确性。本探测方法具有很强的抗散射能力，即使散射信号明显强于 目标回波信号，该方法也能够通过小波时域分解重构进行初步滤波， 然后进行插值处理得到基准光的有效频域范围，根据基准光有效频域 范围提取小波时频分解后时域信号的频域能量分布。
附图说明
[0035]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种新型水下激光抗散射探测方法，其特征在于，包括以下步骤：采集水下目标物的回波时域信号；对所述回波时域信号进行多层小波时域分解重构，提取重构后的时域信号；对所述重构后的时域信号进行插值处理，获取所述回波信号的有效频域范围；对所述重构后的时域信号进行小波时频分解，提取时频能量空间中有效频域范围的时间能量信号，基于所述有效频域范围的时间能量信号还原回波时域信号；对还原后的所述回波时域信号进行峰值检测，计算所述水下目标物的探测距离。2.根据权利要求1所述的新型水下激光抗散射探测方法，其特征在于，所述水下回波信号采集过程中使用高速采集卡。3.根据权利要求1所述的新型水下激光抗散射探测方法，其特征在于，所述回波信号包括基准信号、散射信号和目标信号。4.根据权利要求1所述的新型水下激光抗散射探测方法，其特征在于，对所述回波信号进行多层小波时域分解重构，提取重构后的时域信号包括：基于所述回波信号的时域信号频率范围，确定小波时域分解的层数；基于所述层数，对所述回波信号进行小波时域分解，获得每一层小波时域分解结果；对所有的所述小波分解结果进行累加，提取所述重构后的时域信号。5.根据权利要求4所述的新型水下激光抗散射探测方法，其特征在于，对所述回波信号按照式(1)进行第n层小波时域分解：其中，n为采样点数，T为最小时间间隔,1/T为原回波信号频率上限，E
n
(t)为近似时域信号E
n
‑1(t)的再次有效频域近似，a
n
‑1E
n
‑1(t)为再次近似信号与E
n
‑1(t)的差值，
△
f为主要频率范围，B
n
‑1、e
n
、e
n
‑1、c
n
‑1、d
n
‑1……
分别为第1～n层小波时域分解中分解信号的幅值信息，为第n层小波时域分解的噪声频域区间。6.根据权利要求1所述的新型水下激光抗散射探测方法，其特征在于，对所述重构后的时域信号进行插值处理，获取所述回波信号的有效频域范...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨苏辉，刘欣宇，吉俊文，廖英琦，林学彤，李卓，王欣，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：