[发明专利]反射信号的处理

说明书

本项发明论述对信号发射-接收设备所获取的反射（或回波）信号的处理，它在水声发射-接收器（如声纳装置、回声探测器和医用声学）方面以及雷达（特别是船用雷达）方面有着独特的应用。

这里所采用的术语“收发两用机”和“发射机-接收机”，指的是能发射脉冲并能接收发射脉冲的相应回波的设备;除非另加说明，此术语不受回波类型的限制（例如，可以是声波、超声波或电磁波），也不仅仅限于发射部分和接收部分组装在一起的设备。

在声波和超声波领域中，诸如声纳和回声探测器均是有效的探测设备，它们可用声音或图形来指明回波的存在。例如，回声探测器是在记录纸上给出所记录的结果。

为了改进这些设备，人们设计了专门的电路来对回波信号进行处理，以便从中提取比目前采用这些设备所能获得的更多的信息。这样的电路可见英国第8221670号专利说明书，文中给出了从回波信号中提取第二海底回波分量的方法，从而提供了关于海底性质的信息。此文还指出，不论第二海底回波分量的幅度是否大于预置的阈值电平，均可通过探测来揭示海底的性质。

如今已经发现，更加有用的信息存在于回声探测器这类设备的回波中，并且这一信息也存在于声纳、雷达、医用超声波及一般的发射接收装置的回波中。

特别值得提出的是，信息不仅存在于回波脉冲的延续时间和强度的信息中，而且存在于其形状中。由于饱和效应，这类信息通常不能从大功率设备的回波中获得。但是当采用较小的发射功率时就会发现，回波形状依赖于反射表面，或例如海底层的性质，这与测量和海底浅层断面图有关。

根据本发明的一个方面，本发明提供了一个指示一区域反射性质的信号处理装置，并提供了一种处理回波信号的相应方法。该装置包括：将一脉冲信号发射进入上述区域的装置;根据被发射信号而产生、并以波形表示的回波信号的反应装置，以限定一个与上述回波信号的脉冲同步的时间间隙（time    slot，以下简称时隙），并以上述脉冲的一个前沿上部为界;利用该时隙而只提取脉冲前沿主要部分的装置;以及处理前沿部分的装置，以提供一个表征上述指示该区域反射性质的前沿部分形状的信号。

处理装置最好包括积分装置，这样，上述的信号即可表征上述脉冲前沿下的面积。

已经发现，回波脉冲沿下的面积载有表征反射发射脉冲的反射物体的特性的信息，并且，这一面积可由模拟式或数字式仪表显示出来，从而使观测者得知随反射物体性质而显著改变的观测量值。例如在回波探测中，本人已发现海底脉冲的前沿（第一脉冲、第二脉冲等等，特别是第一脉冲），其变化依赖于海底或接近海底的材料的性质，特别是海底的最上一层的性质。于是，一个非常陡的上升沿给出一个比较小的表征信号值，说明是没有大量淤泥的坚硬海底。但另一方面，如果脉冲前沿下的面积是一个比较大的观测值，则说明在海底有一淤泥层（对于对虾捕捞、挖泥作业和水下测量，这是一个有用的信息）或者在接近海底处有鱼群。同时，观测值的变化也是有意义的。据认为，这样的分析也应用于医疗超声学中来确定不同性质的肿瘤间的差异，以及人体和动物体（特别是眼睛）间的特性的差异。

从理论上来说，一个反射脉冲的形状几乎完全取决于接收装置的性质，因为人们可以想象，接收脉冲的上升时间主要依赖于接收设备的响应时间（暂态响应）。所以，采用积分或其它方法分析脉冲前沿，仅能给出接收装置本身的信息。但我们发现并非如此。用一个标准的回声探测器发出一个宽度为三百微秒量级的脉冲，其接收到的海底脉冲的形状依赖于海底的上层性质，它的前沿甚至可达一至二毫秒。回声探测器中的回波形状，还可能是由不同深度的海底层的几次反射和散射的综合作用形成的。从而可解释脉冲前沿给出这些层的信息这一事实。一个只是暂态上升时间的脉冲前沿可能延续一百微秒左右，而不会达到一二个毫秒。由下面的解释可知，与回波信号同步的时隙并不是固定的，而是随着脉冲前沿的形状和长度的变化而变化的。所以，如果随着海底的性质的不同，脉冲前沿在长度和形状上有所变化，则时隙的长度和起点也将变化。采用一个固定的短的时隙往往会只获取暂态响应，这不是本项发明所要申请的具体内容。

如果在一台具有充分短的发射脉冲和暂态响应的设备上使用本项发明，那么在我们所提及的时隙内或许不能很好地看到一个平滑的前沿。而可能看到在这个时隙内由海底下的连续层及散射的波前所造成的一系列尖峰。为了获得与传统的回声探测器同样形状的脉冲前沿，可将获得的信号平滑或积分。然后，用平滑了的信号来限定获取“前沿”的时隙，尽管在这种情况下，实际上获取的是一系列脉冲前沿。