本发明涉及助渔设备领域，特别涉及一种单波束宽频探鱼仪回波信号检测系统及其方法。
背景技术：
探鱼仪是一种能够对水下鱼群进行探测与定位的助渔设备，其工作原理和主动声呐相同，利用超声波换能器向水下发射超声波信号并接收回波信号以实现对鱼群搜索、跟踪、识别、定位和测距。由于回波信号是来自于发射信号经障碍物反射而形成，因此回波信号的检测方法及系统设计就显得尤为重要。
目前市场上使用的单波束探鱼仪大多采用单频信号，由于水中存在各种噪声，单频回波信号更容易受噪声影响，回波信号不能准确反映鱼群大小及位置，造成错误的捕捞行为，影响捕捞效率。相比之下，采用宽频信号发射接收，配合相应的算法，可以有效排除水中噪声干扰，更准确地反映鱼群的大小及位置，提高捕捞效率。
在宽频探鱼仪接收机中接收电路的设计及信号处理方法是关键，合理的设计可以更好地降低噪声干扰，减小信号失真，实现更远距离的探测。传统的接收电路大多采用模拟电路实现带通滤波器，此种方法导致接收电路元器件的选型困难、电路的稳定性差、调试难度大，同时也会造成了探鱼仪体积和成本的增加，并且电路一旦确定，接收频带也相应确定，无法兼容其他频带的探鱼仪发射机。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种单波束宽频探鱼仪回波信号检测系统及其方法，能够低成本实现单波束宽频探鱼仪回波信号的接收与处理，减小探鱼仪体积，提高兼容性。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种单波束宽频探鱼仪回波信号检测系统，包括有对采集的回波信号进行处理的回波信号采集转换单元、数字信号处理单元；
所述回波信号采集转换单元包括有接收换能器收到的回波信号的收发转换电路、耦接于收发转换电路以对回波信号进行匹配隔离的匹配隔离电路、耦接于匹配隔离电路以进行回波信号增益控制的时变增益控制电路、耦接于时变增益控制电路以固定增益并进行滤波的模数转换驱动电路、耦接于模数转换驱动电路以对回波信号进行模数转换并输出至数字信号处理单元的模数转换电路；
所述数字信号处理单元包括有带通滤波器、匹配滤波器及包络检波器。
作为优选，所述数字信号处理单元为对经过回波信号采集转换单元处理的回波信号进行处理的fpga；所述fpga发送有控制所述收发转换电路开启接收回波信号的接收控制信号、按照设定的时间曲线控制所述时变增益控制电路增益大小的输出控制信号。
作为优选，所述回波信号采集转换单元还包括有一耦接于时变增益控制电路与fpga之间以将fpga的输出控制信号转换成电压信号输入至时变增益控制电路的数模转换电路。
作为优选，所述时变增益控制电路为正增益斜率模式的可变增益放大器。
作为优选，所述隔离匹配电路为原边输入与换能器输出匹配、副边输出与变增益控制电路的输入相匹配的变压器；所述变压器的原边耦接于收发转换电路的输出端、副边耦接于时变增益控制电路的输入端。
作为优选，所述时变增益控制电路的两个输入端与隔离匹配电路的副边之间分别串联有进行截止频率设定调节的第一电容及第二电容。
作为优选，所述模数转换驱动电路包括有耦接于时变增益控制电路的输出端以对回波信号进行滤波的前滤波模块、耦接于前滤波模块进行模数转换驱动处理的模数转换驱动模块、耦接于模数转换驱动模块对输出的回波信号进行低通滤波以输出至模数转换电路的低通滤波器。
一种单波束宽频探鱼仪回波信号检测方法，包括有以下步骤：
收发转换电路接收从换能器收到的回波信号，并发送至隔离匹配电路进行回波信号的阻抗匹配和电路隔离；
数字信号处理单元按照设定的时间曲线发送输出控制信号，以控制数模转换电路输出相对应的电压信号；
时变增益控制电路接收隔离匹配后的回波信号并根据需求的电压信号调整回波信号增益的大小；
模数转换驱动电路接收调整增益大小后的回波信号，进行固定增益及滤波处理后输出至模数转换电路；
模数转换电路将模数转换处理后的回波信号发送至数字信号处理单元；
数字信号处理单元的带通滤波器进行高阶带通滤波，并将滤波后的数字回波信号发送至匹配滤波器进行匹配滤波；
完成滤波后的回波信号通过包络检波器传送至显示系统进行显示。
作为优选，数字信号处理单元的具体处理步骤如下：
高阶带通滤波器进行滤波；
计算获得匹配滤波器的各点数据，并导入至数字信号处理单元的处理器fpga中，回波信号经过匹配滤波器时进行卷积计算；
将所有的点数据的卷积结果记录，对匹配滤波后的结果进行包络检波处理。
作为优选，匹配滤波器及包络检波器的处理过程具体包括有：
通过实时进行匹配滤波器的计算，存储设定数量为x的点数据；
当后一输入即x 1的点数据时进行卷积，保存卷积结果后删除第一个点，并将第x 1个点读入匹配滤波器进行卷积计算；
重复进行卷积计算直至无新的点数据输入，完成所有点数据的卷积结果记录；
将匹配滤波器所有的卷积结果取绝对值；
通过低通滤波器进行滤波；
将处理后的结果发送。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
通过模拟电路和数字电路的相结合，对回波信号进行接收处理，通过数字滤波的方式能够有效的滤除通带外噪声，提高信噪比，能够减少电路的面积、降低电路元器件的性能要求，降低成本，提高电路稳定性，同时还能更有效地降低各种噪声干扰，检测精度；
通过设置模拟电路较宽的带通频率或截止频率，可兼容不同带宽的换能器。当更换不同带宽的换能器时，只需更改fpga程序便可实现，提高了灵活性和兼容性。
附图说明
图1为单波束宽频探鱼仪回波信号检测系统的示意框图；
图2为检测系统的电路示意框图；
图3为回波信号采集转换电路单元的电路原理图；
图4为数字信号处理单元的示意框图；
图5为检测方法的流程示意框图；
图6为128阶带通滤波器仿真结果。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
根据一个或多个实施例，公开的一种单波束宽频探鱼仪回波信号检测系统，如图1所示，包括有回波信号采集转换电路单元及数字信号处理单元，通过模拟电路和数字电路的相结合，对单波束宽频探鱼仪的回波信号进行接收和处理。
如图2所示，单波束宽频探鱼仪回波信号检测系统通过从换能器接收返回的回波信号，并通过回波信号采集转换电路单元及数字信号处理单元进行滤波、检波处理，处理完成后将回波信号发送给显示系统进行处理显示。
回波信号采集转换电路单元包括有接收换能器收到的回波信号的收发转换电路、耦接于收发转换电路以对回波信号进行匹配隔离的匹配隔离电路、耦接于匹配隔离电路以进行回波信号增益控制的时变增益控制电路、耦接于时变增益控制电路以固定增益并进行滤波的模数转换驱动电路、耦接于模数转换驱动电路以对回波信号进行模数转换并输出至数字信号处理单元的模数转换电路。数字信号处理单元为对经过回波信号采集转换单元处理的回波信号进行处理的fpga。回波信号采集转换电路单元还包括有一耦接于时变增益控制电路与fpga处理器之间的数模转换电路。fpga发送有控制收发转换电路开启接收回波信号的接收控制信号，还发送有按照设定的时间曲线控制时变增益控制电路增益大小的输出控制信号，通过数模转换电路将fpga的输出控制信号转换成电压信号输入至时变增益控制电路。
如图2及图3所示，回波信号采集转换电路单元的收发转换电路选用paa140芯片，换能器输出的差分信号为ain 和ain-，换能器输出端通过连接端子与paa140的lp1、lp2连接；tr 为fpga发出的接收控制信号，由fpga产生发送，并与paa140的cp1、cp2连接。当tr 为高电平时，paa140工作，开始处理回波信号，反之，当tr-为低电平时，则不处理。fpga发出tr 为高电平的时刻根据换能器发射功率和接收电路放大器增益共同确定。
隔离匹配电路为原边输入与换能器输出匹配、副边输出与变增益控制电路的输入相匹配的变压器；变压器的原边耦接于收发转换电路的输出端、副边耦接于时变增益控制电路的输入端。时变增益控制电路的两个输入端与隔离匹配电路的副边之间分别串联有进行截止频率设定调节的第一电容及第二电容，分别为电容c1、c2。
时变增益控制电路选用可变增益放大器ad8338，ad8338芯片选用正增益斜率模式，增益随着gain引脚电压的提高而成比例提高。fpga通过数模转换电路，产生不同的电压值来控制ad8338芯片gain引脚的电压大小，从而改变增益的大小。fpga根据程序设定的时变增益曲线来对时变增益控制电路进行控制。
模数转换驱动电路包括有耦接于时变增益控制电路的输出端以对回波信号进行滤波的前滤波模块、耦接于前滤波模块进行模数转换驱动处理的模数转换驱动模块、耦接于模数转换驱动模块对输出的回波信号进行低通滤波以输出至模数转换电路的低通滤波器。模数转换驱动模块采用完全差分放大器ths4521芯片。通过设置时变增益控制电路和模数转换驱动电路，可以更好地进行增益设置，降低信号失真，提高探测距离和精度。
模数转换模块选用芯片ad7903，接收经过模数转换驱动电路后的回波信号将模拟信号形式的回波信号转换成数字信号输送至数字信号处理单元进行进一步处理。
如图3所示，具体的电路连接原理图为：paa140芯片的输出端ln1、ln2与变压器的原边连接，变压器的副边与电容c1、c2串联之后与时变增益控制电路的芯片ad8338的inpr、inmr相连，通过改变c1、c2电容值的大小，可以设定截止频率。变压器t1起到阻抗匹配和隔离的作用，在选取时，根据换能器和ad8338内部电路特性，使得变压器原边绕组电感值与换能器等效电容匹配，使得换能器输出阻抗呈纯电阻状态，并且变压器原边阻抗与换能器输出阻抗值相等；同样地，变压器副边的输出阻抗与ad8338输入阻抗值相等。
ad8338芯片的输出引脚outp、outm经连接由电容c7、c8、c9、c10和电阻r2、r3组成的前滤波模块之后，与模数转换驱动模块连接。模数转换驱动模块的ths4521芯片，其增益由r4、r5、r6、r7共同确定。模数转换驱动电路为接收电路提供固定增益，增益大小由r2、r4、r6、c9、c11共同决定，且两个输入通道中的元器件值相同。模数转换驱动模块的输出信号经低通滤波电路后与模数转换电路的芯片ad7903的输入引脚in-、in 相连。ad7903的时钟信号adc_clk和启动信号adc_cnv与fpga引脚连接，由fpga产生时钟和启动信号。转换完成后值由sdo1引脚输出至fpga进行处理。
如图4所示，数字信号处理单元包括有带通滤波器、匹配滤波器及包络检波器。数字回波信号传送至fpga之后，首先通过带通滤波器完成数字带通滤波处理，带通滤波器为数字滤波器，数字滤波器可以实现高阶带通滤波，能够更有效地滤除通带外噪声。经带通滤波后的信号进入匹配滤波器，以提高信噪比，滤除通带内噪声。最后，信号通过包络检波器后被传送到显示系统，进行显示处理。
fpga发送控制信号给收发转换电路，接收电路开始接收回波信号，通过匹配隔离电路实现阻抗匹配和电路隔离。另外，fpga按照设定的时间曲线发送控制信号给数模转换电路，输出相应的电压信号，从而控制时变增益控制电路增益的大小。模数转换驱动电路实现信号的固定增益及滤波功能，之后经过模数转换电路将回波信号发送给fpga进行处理。在模拟电路中设计的前滤波模块为低阶的带通滤波电路或低通滤波电路，滤波器设定的通带频段较回波信号频带更宽，以降低电路地复杂程度并保证回波信号无损通过。回波数字信号传送至pfga之后，首先进行数字带通滤波处理，数字滤波器可以实现高阶带通滤波，能够更有效地滤除通带外噪声。经带通滤波后的信号进入匹配滤波器，以提高信噪比，滤除通带内噪声。
根据一个或多个实施例，公开了一种单波束宽频探鱼仪回波信号检测方法，如图5所示，包括有以下步骤：
收发转换电路接收从换能器收到的回波信号，并发送至隔离匹配电路进行回波信号的阻抗匹配和电路隔离；
数字信号处理单元按照设定的时间曲线发送输出控制信号，以控制数模转换电路输出相对应的电压信号；
时变增益控制电路接收隔离匹配后的回波信号并根据需求的电压信号调整回波信号增益的大小；
模数转换驱动电路接收调整增益大小后的回波信号，进行固定增益及滤波处理后输出至模数转换电路；
模数转换电路将模数转换处理后的回波信号发送至数字信号处理单元；
数字信号处理单元的带通滤波器进行高阶带通滤波，并将滤波后的数字回波信号发送至匹配滤波器进行匹配滤波；
完成滤波后的回波信号通过包络检波器传送至显示系统进行显示。
数字信号处理单元的具体处理步骤如下：
高阶带通滤波器进行滤波；
计算获得匹配滤波器的各点数据，并导入至数字信号处理单元的处理器fpga中，回波信号经过匹配滤波器时进行卷积计算；
将所有的点数据的卷积结果记录，对匹配滤波后的结果进行包络检波处理。
匹配滤波器及包络检波器的处理过程具体包括有：
通过实时进行匹配滤波器的计算，存储设定数量为x的点数据；
当后一输入即x 1的点数据时进行卷积，保存卷积结果后删除第一个点，并将第x 1个点读入匹配滤波器进行卷积计算；
重复进行卷积计算直至无新的点数据输入，完成所有点数据的卷积结果记录；
将匹配滤波器所有的卷积结果取绝对值；
通过低通滤波器进行滤波；
将处理后的结果发送。
本实施例采用有限长冲激响应滤波器(fir)，滤波器方程为：
其中y(n)为输出时间序列，x(n)为输入时间序列，a(k)为fir数字滤波器，n为滤波器阶数，n为输入时间序列中数据点的总数。
在本实施例中，发射机的发射信号频率范围为20khz-30khz，数字带通滤波器的通带起始频率和截止频率分别为18khz和32khz。根据设定的参数得到的仿真结果如图6所示，由图可知当阶数提升时，滤波器的带内平坦度和滚降速率以及带外抑制程度均有所提升，但是相对应的也会带来更多的计算压力，在综合时间与性能考虑后，最终选用128阶海明窗滤波器作为数字滤波器的结构，并在fpga内通过ip核进行了相关配置。
对fir带通滤波器滤波后的信号进行匹配滤波处理，其处理过程为：在matlab中计算匹配滤波器的各点数据，匹配滤波器可以按照下述公式生成：
h(f)＝s*(f)
将匹配滤波器的各点值导入到fpga中，在信号经过匹配滤波器时进行卷积计算。为了加快计算速度，使用实时计算的方式进行匹配滤波器的计算，方法是，当信号输入后，存储前x个点，当第x 1个点进入后，进行卷积，将结果进行保存后删除第一个点，将第x 1个点读入滤波器进行卷积，重复此步骤直到没有新的信号点输入。在所有点的卷积结果记录之后，再对匹配滤波的结果进行包络检波处理，包络检波的过程是先对所有的负值取绝对值，然后通过低通滤波器，最终将处理之后的信号发送给显示处理系统，由显示系统进行数据点的抽取和插值后进行显示。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
1.一种单波束宽频探鱼仪回波信号检测系统，其特征是：包括有对采集的回波信号进行处理的回波信号采集转换单元、数字信号处理单元；
所述回波信号采集转换单元包括有接收换能器收到的回波信号的收发转换电路、耦接于收发转换电路以对回波信号进行匹配隔离的匹配隔离电路、耦接于匹配隔离电路以进行回波信号增益控制的时变增益控制电路、耦接于时变增益控制电路以固定增益并进行滤波的模数转换驱动电路、耦接于模数转换驱动电路以对回波信号进行模数转换并输出至数字信号处理单元的模数转换电路；
所述数字信号处理单元包括有带通滤波器、匹配滤波器及包络检波器。
2.根据权利要求1所述的单波束宽频探鱼仪回波信号检测系统，其特征是：所述数字信号处理单元为对经过回波信号采集转换单元处理的回波信号进行处理的fpga；所述fpga发送有控制所述收发转换电路开启接收回波信号的接收控制信号、按照设定的时间曲线控制所述时变增益控制电路增益大小的输出控制信号。
3.根据权利要求2所述的单波束宽频探鱼仪回波信号检测系统，其特征是：所述回波信号采集转换单元还包括有一耦接于时变增益控制电路与fpga之间以将fpga的输出控制信号转换成电压信号输入至时变增益控制电路的数模转换电路。
4.根据权利要求3所述的单波束宽频探鱼仪回波信号检测系统，其特征是：所述时变增益控制电路为正增益斜率模式的可变增益放大器。
5.根据权利要求4所述的单波束宽频探鱼仪回波信号检测系统，其特征是：所述隔离匹配电路为原边输入与换能器输出匹配、副边输出与变增益控制电路的输入相匹配的变压器；所述变压器的原边耦接于收发转换电路的输出端、副边耦接于时变增益控制电路的输入端。
6.根据权利要求5所述的单波束宽频探鱼仪回波信号检测系统，其特征是：所述时变增益控制电路的两个输入端与隔离匹配电路的副边之间分别串联有进行截止频率设定调节的第一电容及第二电容。
7.根据权利要求6所述的单波束宽频探鱼仪回波信号检测系统，其特征是：所述模数转换驱动电路包括有耦接于时变增益控制电路的输出端以对回波信号进行滤波的前滤波模块、耦接于前滤波模块进行模数转换驱动处理的模数转换驱动模块、耦接于模数转换驱动模块对输出的回波信号进行低通滤波以输出至模数转换电路的低通滤波器。
8.一种单波束宽频探鱼仪回波信号检测方法，其特征是，包括有以下步骤：
收发转换电路接收从换能器收到的回波信号，并发送至隔离匹配电路进行回波信号的阻抗匹配和电路隔离；
数字信号处理单元按照设定的时间曲线发送输出控制信号，以控制数模转换电路输出相对应的电压信号；
时变增益控制电路接收隔离匹配后的回波信号并根据需求的电压信号调整回波信号增益的大小；
模数转换驱动电路接收调整增益大小后的回波信号，进行固定增益及滤波处理后输出至模数转换电路；
模数转换电路将模数转换处理后的回波信号发送至数字信号处理单元；
数字信号处理单元的带通滤波器进行高阶带通滤波，并将滤波后的数字回波信号发送至匹配滤波器进行匹配滤波；
完成滤波后的回波信号通过包络检波器传送至显示系统进行显示。
9.根据权利要求8所述的单波束宽频探鱼仪回波信号检测系统，其特征是，数字信号处理单元的具体处理步骤如下：
高阶带通滤波器进行滤波；
计算获得匹配滤波器的各点数据，并导入至数字信号处理单元的处理器fpga中，回波信号经过匹配滤波器时进行卷积计算；
将所有的点数据的卷积结果记录，对匹配滤波后的结果进行包络检波处理。
10.根据权利要求9所述的单波束宽频探鱼仪回波信号检测系统，其特征是，匹配滤波器及包络检波器的处理过程具体包括有：
通过实时进行匹配滤波器的计算，存储设定数量为x的点数据；
当后一输入即x 1的点数据时进行卷积，保存卷积结果后删除第一个点，并将第x 1个点读入匹配滤波器进行卷积计算；
重复进行卷积计算直至无新的点数据输入，完成所有点数据的卷积结果记录；
将匹配滤波器所有的卷积结果取绝对值；
通过低通滤波器进行滤波；
将处理后的结果发送。
技术总结