（水声工程专业论文）多波束测深算法性能仿真研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t m u l t i - b e a ms w a t hb a t h y m e t e r ( m b s b ) i sas e a b e dm e a s u r es y s t e mw i t h h i 醢e f f i c i e n c ya n dh i g hr e s o l u t i o n ，w h i c hd e v e l o p e df r o me c h os o u n d e r , a n d 擞s f o rt h ew i d es w e e pm a p p i n ge s p e c i a l l y b yf a r , v a r i o u sk i n d so fp r o d u c t so fm b s bh a sb e e nd e v e l o p e d 。a n dt h e b a t h y m e t r i ca l g o r i t h m sa l em a i n l yd i v i d e di n t ot w ot y p e s ：b a s e do na m p l i t u d e ( s u c h 嬲e n e r g yd e t e c t i o nm e t h o d ，w m ta n db d i ) a n dp h a s e ( s p l i t b e a mp h a s e d i f f e r e n c em e t h o da n dm u l t i p l es u b a r r a yd e t e c t i o n ) i no r d e rt oo b t a i nt h ed a t ao f d e p t hp r e c i s e l ya n da c c u r a t e l y , i ti si m p o r t a n tt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c ea n d a c c u r a c yo f t h em u l t i b e a mb a t h y m e t r i ca l g o r i t h m s 。 i nt h i st h e s i s ，t h et a s kh a sb e e nd i v i d e di n t ot h ef o l l o w i n gt h r e ea s p e c t s ： f i r s t l y , b a s e do nt h ee l e m e n ts c a t t e r i n gt h e o r y , t h em o d e l ，w h i c hh a sb e e n f o r m e db ys e a f l o o rr e v e r b e r a t i o ns i m u l a t o r , i sd e v e l o p e db ym e a n so fs i m u l a t i n g t h eg e n e r a t i n gp r o c e s so ft h es e a f l o o rr e v e r b e r a t i o n s e c o n d l y , b a t h y m e t r i ca l g o r i t h mt h e o r yb a s e do na m p l i t u d ea n dp h a s eh a s b e e nc o m p a r e da n da n a l y z e d b yt h ep r o c e s s i n go fr e v e r b e r a t i o ns i m u l a t e ds i g n a l ， t h ed e p t ho ft h es i m u l a t e ds e a b e dh a sb e e nc a l c u l a t e d 。b e s i d e s ，t h et r u ed e p t ho f s e a b e di so b t a i n e db yt r e a t i n g 、析t l lt h es e ae x p e r i m e n td a t a f i n a l l y , p a r a m e t e r s ( s u c ha st h en u m b e ro fe l e m e n t , t h ew i d t ho fp u l s ea n d t h eg r a z i n ga n g l e s ) w h i c ha f f e c tt h ew h o l ea l g o r i t h mp e r f o r m a n c eh a v eb e e n g i v e na n da n a l y z e db ys t u d y i n gt h ea l g o r i t h mt h e o r i e s b ys i m u l a t i n gt h em a i n l y i n f l u e n t i a lf a c t o r so f s p e c i f i cb a t h y m e t r i ca l g o r i t h m ，t h em u l t i b e a ma c c u r a c ya n d t h ec o n d i t i o no fa p p l i c a t i o nh a sb e e ng i v e n a n dt h em e t h o do fi m p r o v i n gt h e p e r f o r m a n c eo n 饿es p e c i f i ca l g o r i t h mi sp r o p o s e d 。 k e yw o r d s ：e n e r g yc e n t e rd e t e c t i o n ；w m t ：b d i ；s p l i t - b e a m ；m u l t i p l e s u b - a r r a y ss e a f l o o rd e t e c t i o n 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本入郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用己在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：立旦腿 蜀期：哟7 年胃卯e t 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，基譬研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件尊 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 口在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：衄疋导师( 签字) ：吴发聋 日期： 卿罗年旁月加日叼年多月加曰 l 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 第1 章绪论 1 1 国内外多波束测深技术研究概况 蠢跌入类开始水中航行，黠予海水深度的渊量随之进入人类的视野。人 类最早是用竹竿作为测量的工具，后来为了测量较深水域，又出现了将绳索 系于重物之上的测量工具。利用这些工具在测量浅水水域很是方便，但是水 深较深时就会出现困难，而且深度增加使得测深精度随之下降。随着航海事 业的发展，人类对深海探测的工具和方法的需求也就越来越迫切。 多波束测深系统是随着现代电子信号处理技术的进步而发展起来的，其 测深使用的基阵是由米尔斯交叉阵组成，发射阵将声信号辐射到海底的一个 条带状的区域，接收基阵接收条带区域的反向散射信号，经过空间阵列处理 形成多个波束，可以将不同位置的深度分离出来。多波束测深系统一次扫测 可以获得多个深度数据，而且工作效率高，波束窄，能够实现大藏圃的全覆 盖测深。 多波束测深系统的基本概念起始于1 9 5 6 年夏季在美国的w o o d sh o l e 海 洋学院召开的一次学术研讨会h 弧期，在这次会议上首次提出了多波束测深的构 想。1 9 6 0 年美国海军研究局开始制定这一构想的实施计划，至1 9 6 4 年美国 通用仪器公司( g i c ) 率先推出了世界上第一代多波束条带测深仪产品 s a s s ( s o n a r a r r a ys o u n ds y s t e m ) p 1 系统。它的发射阵由2 0 个基元组成，接收 基阵由4 0 个基元组成，全系统有1 6 个测深波束，东平覆盖危( 发射扇面开角) 为4 2 6 。，采用预波束形成，依靠能量中心检测的方法解算海底深度。 随着时间的推移，多波束测深技术也进入了栩对成熟的时期。各种测深 的算法也得到了长足的发展阳醛1 。s e a b e a m 公司研制的第三代测深系统 s e a b e a m 2 1 0 0 采用1 2 k h z 和3 6 k h z 两套换能器阵，可安装于“t ，型和“v ”型船 底，左右分别处理。1 2 k h z 时它的覆盖范围最大可达1 5 0 。经f f t 数字波束 形成1 5 1 个等间隔的测深波束，采用w m t ( w e i g h t e dm e a nt i m e ) 和 b d i ( b e a r i n gd e v i a t i o ni n d i c a t o r ) 处理方法进行回波的高精度估计。其测深精 度中央波束可达l m ，边缘波束则为0 5 h 。此时还有德国的a l l i e d s i g n a l e l a cn a u t i k 公司研制的s e a b e a m l l 8 0 、s e a b e a m l 0 5 0 等系列都是采用w m t 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 和b d i 检测算法来得到海底深度。 1 9 8 6 年，挪威的s i m r a d 公司h 1 首次推出一种浅水多波束扫描系统，简称 e m l 0 0 系统。此系统工作频率9 5 k h z ，具有最多3 2 个波束，最大测深达7 0 0 m ， 最大覆盖宽度为2 3 倍水深。系统采用数字波束形成，检测海底算法为幅度 和分裂波束相位差检测算法联合估计。在中央波束和边缘波束都有着很好的 性能。随后，幅度检测和分裂波束相位差检测算法均被用在了e m 系列的测 深系统中。 我国的多波束测深系统的研究起步较晚，1 9 9 2 - - 1 9 9 9 年由哈尔滨工程大 学主持，天津某测绘研究所等单位参加联合研制成功我国首台多波束条带测 深仪，成为国产第一台实用型产品。第一套产品己经装备某新型海洋测量船， 并在实际应用中取得良好的效果。此系统共形成2 4 个2 5 。3 。的预成波束， 测量范围最大可达1 3 0 。主要采用能量中心检测算法和w m t 算法。 2 0 0 6 年，哈尔滨工程大学研制出了国内首台便携式多波束测深仪，其工 作频率为1 8 0 k h z ，形成波束2 1 个，测深覆盖宽度1 倍水深，测深精度范围 5 c m + 0 5 深度。主要采用幅度和相位检测法，使得测深性能得到很大提高。 近年来，多波束测深算法向着高分辨、综合处理的方向发展。许多针对 时域信号的非线性谱估计的方法被推广至空域信号的方位估计，于是便产生 了高分辨方位估计方法，2 0 世纪7 0 年代以来，主要的高分辨方位估计的方 法有：p i s a r e n k o 谐波分析法、b u r g 最大熵法、c a p o n 最小方差法、m u s i c 算法、e s p r t 算法、子空间拟合算法、最大似然算法等。 1 2 多波束测深算法性能评估 多波束测深系统的精度评估主要是为了说明多波束测深数据的真实程 度。即利用各种测深算法所得到的深度数据与海底真实情况的偏离程度，从 而评价多波束测深数据的可信度，它直接影响到海底地形及地貌的观测。i h o s 4 4 标准是国际上公认的海道测量标准，它明确的规定了水深和位置的不同 精度标准，是多波束测量数据精度评估的重要依据。 目前多波束检测常用的方法主要有幅度和相位检测法两大类，这两种方 法有着各自不同的性能特点。如图1 1 所示，深度测量原理由简单的几何关 系可以得到 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 办：c t c o s 秒 ( 1 1 ) 2 、7 基阵 图1 1 测深示意图 由式( 1 - 1 ) n - - 失i ，影响测深系统得到精确深度的两个主要的因素就是对于 回波时延的估计和波束角度的精确估计。能量中心检测认为回波从某个方向 到达接收基阵，就会在此波束内形成一个能量较为集中的区域。通过求出这 个区域中的能量最为集中的点就可以估计出回波到达的时间。能量中心检测 算法中的回波方向可以通过波束控制角度计算出来。w m t 主要是对波束数 据进行插值，形成指定方向的波束控制角度，在此波束角度内估计回波的精 确到达时间。 b d i 算法是在对波束数据进行一系列插值和拟合之后，利用波束角度内 的回波幅度信息估计出回波到达时间和到达方向。 分裂波束相位差算法和多子阵算法都是利用回波的相位信息来计算出回 波到达时刻，从而精确估计出回波深度。 基于相位的测深算法主要影响回波角度的计算；基于幅度的测深算法主 要影响回波到达时间的计算；因此检测性能受到各自不同因素的影响。 换能器的安装一般无法达到理论的要求也会带入误差睁1 ，虽然多波束系 统有着各种校正安装误差的测量方法，但是测量过程中引入的测量误差也是 不可忽视的因素。解决的办法就是在水池中测量，以校正其固有误差。 在所有的测深误差中，声速剖面测量误差对测深精度影响最大。声速剖 面误差是由于声速在海水中的分布受到盐度、温度等的影响而分布不均，导 致了计算海底深度所利用的声线与实际不符，从而影响到计算出的水平位置 和深度。消除的方法是将声速仪置于测量环境中，经长时间监测从而得到声 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 速的修正数据。 另外，装有基阵的船只在受到海浪的影响时会发生船体的垂直和水平方 向的变化。垂直方向的误差直接就导致了水深误差。而横摇、纵摇误差与换 能器的安装偏差一样，既会影响到水深的精度，又会影响测深的水平位置精 度。可以用涌浪滤波器来存储海况数据，以便对深度数据进行校正。 最后，潮位和换能器的吃水测量误差直接导致了水深误差，潮位误差与 潮位溯量和计算方法有关，焉换能器的吃水误差除吃水静态测量误差外，还 有动态吃水不同带来的误差。可以通过特定仪器测得换能器吃水位置，以便 消除换能器吃水带来的影响。 1 3 论文研究的主要内容 论文主要致力子多波束测深算法的性能研究，对于麓量中心检测、加权 平均时间算法( w m t ) 、方位指示估计算法( b d i ) 以及分裂波束相位差算法和多 子阵算法的性能、适用条件进行分析，放磊对多波束系统的总体性能估计有 一定的指导意义。论文主要内容如下： 首先，分搴斤算法的性麓之前，对海底混响信号进行仿真，设定混响仿真 信号的初始条件，以便在此基础上进行研究。 其次，介绍能量中心检测、w m t 、b d i 、分裂波束相位差和多子阵算法 的基本原理，从理论上得到影响其测深性能的因素，并给出对混响仿真信号 进行处理的结果，然后对实验数据进行处理，以达到对算法性能正确性进行 验证的目的。 最后，将各个算法的适用条件、影响因素等进行详细讨论、比较，得到 具体算法性能受影响的因素，并将混响仿真信号进霉亍处理之后对这些因素进 行了讨论。 4 哈尔滨工稃大学硕十学位论文 第2 章基于幅度检测的测深算法 多波束测深系统不同于以往的单波束测深系统，多波束测深系统向海底 发射声信号之后，接收基阵会收到海底不同方向的反向散射波。理论上当回 波信号的到达方向与某预成波束的最大响应方向一致时，该波束的输出最大， 此最大响应对应的时刻即为声波从某海底散射点到达基阵的时刻。因此，我 们可以利用预成波束的波束输出幅度陋1 的能量最集中的区域来估计海底回波 到达的确切时间。 2 1 海底混响信号仿真 将各种多波束测深算法的性能进行比较之前，首先需要对回波信号进行 处理。由于海试数据受到声速修正和船体姿态问题的影响，对于研究算法的 性能分析起来不太方便，为了在理论上论述各个算法的性能，论文先对海底 混响信号进行仿真。 海底混响信号仿真采用的是单元散射理论忉，并且只考虑接收基阵指向 角照射范围内的散射体，对于某时刻有贡献的散射体的最大个数也加以限制。 仿真的海底环境为相同底质和深度的平海底，基阵接收指向角的最大照射范 围为6 0 。，假定散射体对信号反向散射时在强度上的影响均相同。 2 1 1 仿真信号的建模 由单元散射模型可知，散射单元均匀分布于接收阵的指向性角覆盖范围 内，在每个散射单元内，又包含大量的散射体，它们都会对声波信号产生散 射。由于声信号到达各个散射体的时间先后顺序不同，所以回波到达接收换 能器的时刻也有先后。 假设在时刻有贡献散射体的个数为n ，耽 ) 是第f 个反向散射的信号， y ( t ) 为时刻接收到的总的海底混响信号，从而就有 n i 一1 少( ) = 儿( ) ( 2 - 1 ) 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 接收点 。圳洲黼一肌， i 叫枞4 卜一州 州叫川州“， 图2 1 散射单元模型 假定散射体体积很小，忽略声波散射过程中的脉冲展宽现象，再考虑散 射波在幅度和相位上的变化，假若第k 个散射体上的入射信号为( ) ，则有： m l 少( ) = x k ( t , ) a 新e 归捌 ( 2 2 ) k = l 其中，以为反向散射波的幅度，新为附加相移。不同散射体所产生的反向 散射波幅度与相位不尽相同，而且有贡献的散射体的个数也不相同，所以海 底混响信号的包络具有随机信号的特点阻9 1 。 2 1 2 混晌信号仿真 仿真过程中，利用“空时转换模型”，即各散射体产生的反向散射信号在 一定时间内是相互叠加的，而在这个时间段以外则不会叠加，将这个时间推 算到海底散射点的空间位置上，就可以将某时刻有贡献的散射体计算出来， 从而将散射体的空间位置的仿真转换成时间序列的处理。 假定基阵阵元个数m = 3 2 ，原始信号频率f = 1 0 k h z ，采样频率z = 4 f ， 信噪比s n r = 3 0 d b ；阵元间距d = - 7 5 c m ，水中声速c = 1 5 0 0 m s ，海底深度 h = 1 0 0 m ，脉冲宽度f = l m s 。图2 2 和图2 3 为1 至3 2 号阵元上信号的输出。 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 7 士 7，- j蘸 p 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 时间( s ) 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 - 1 0 0 1 0 0 0 ，1 0 0 时问( s )i ? “ k 二i 嚣，。惭；二| ? ! ? 。j 三一。 ，。：9 、， 、，二：畸圣，巍 图2 2 水深l o o m 情况下1 1 6 号接收换能器上数据 爹芗一7 “7 “”一、5 + 7 ：。；“z7 ? ：m | ，、j ：掣g v ：。 v ； 薹 i i 茔 ：。 鎏 | ! n 多蕊 ： j ； 蕊 j _ i 蕊 1 1 蔫 ； 蔫 ： 一椰柚一蚺- _ p 蜘忡- _ 帅一- 厂卜忡- 一m _ 1 栅啪嘲忡山峥呐_ 枷嘞州酬_ 籼- _ 斗椰帅蝴- 蝴_ 帅_ 书枷帅忡啪 1 ? 、 。? 。 。? 0 擀岬啪州一1 懈忡帅一 0 10 1 50 20 2 5 时间( s ) ，? ，。j ，i ， 。_ 一舭蛳中舳咖- 一_ 卡帅蝴呻删m - 一 。簟：“， 1 1 ：，锚赫“；o 一 一怿蚺咖巾柏呻岫蜘_ + 忡蝴州_ 咖_ 一枷噼脚棚岬1 蝴哪 黔i 单_ 嗍蛐- 嶂- 一_ 呻梆单鞠一m 一 _ 脚m _ 嗍鞠蝴蚋- 图2 3 水深1 0 0 m 情况下1 7 3 2 号接收换能器上数据 7 蕊 尊 巷 巷 巷i 慧1 荨r 巷i _ 髻每掌；童。，_ 搿， r1、，：誓品=-_?，。 o 蓥黄葑慧萤蕊蕊薄 哈尔滨工程大学硕士学何论文 图2 4 和2 5 为基阵阵元个数m = 3 2 ，原始信号频率f = 1 0 k h z ，采样频 率一= 4 f ，信噪比s n r = 3 0 d b ；阵元间距d 2 = 1 2 ，水中声速c = 1 5 0 0 m s ， 海底深度h = 1 0 0 0 m 时的回波信号图。 5 0 o 一5 0 5 0 o - 5 0 5 0 o 5 0 5 0 0 卜呻翱脚黼州一- 一 i 。 ”1 一 h 血山。 一。 旷”。 h - 。一 一一 | p ” l - 。一 r 1 一 6 山。一 旷7 1 1 卜呻枷一一 h 。 r 1 一 。_ “| ” 恙5 ： 0 5 0 5 0 0 5 0 蒿0 5 0 5 0 普0 罄 芎 p 药 o 5 0 5 0 0 0 5 0 5 0 0 。9 8 k 。二。， i 枷_ ，- ， 脚_ 1 h 。一 。p ，一= 一二：。，。 脚嘲一“- 阶”蚺- 一 扣蚋槲一一 h m n “一一一一一 酽”i - t ”甲 一一 1 522 53 时间( s ) ，；， ：#、，。： 脚一一- 一一 r 1 黼黼一一一一 神脚一“一一一一一一 书枷黼黼一- l r - 一一 书橱擀一一一一一一一 r 一一一一1 ” ”， 肌。， i 吼。一一一一一 p 一一 ；，一一z，j，一；7，：，：，一一 i 汕。一一。 ”一一 1 522 53 时问( s ) 图2 5 水深1 0 0 0 m 情况下1 7 至3 2 号接收换能器上数据 8 葚 蔫 蘸 藩 _ ；，、 ： 蛰。韶。韶。甾。勋 蕊 彗1 魏l - 葫1 _，。，；=，：f；二，j一： 。“0移 劈：鼍盖鼻；，t、，曩、|j，。；，?i=。 棼1煞n蔫n毽讨麸n秧n煞样赫料 蜘o舶oo嚣d嚣o 茜l | 饕瓦薤n繁n整肉薰n整b 一 ：，。r。“：”：。六二 ，如 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 能量中心检测 在多波束测深系统中，海底某一点的深度的解算取决于回波到达角度和 回波到达时间。若发射波形是c w 脉冲，海底只有一个散射点或者波束角度 很窄，则回波基本是与发射信号的波形相同。利用回波前沿就可以很方便的 而且较为精确的解算出信号到达该点的时间。但是，由于波束是有一定的宽 度，并且回波是由海底一个小区域内的所有散射点的贡献组成，这就使得海 底回波在时间上有扩展，并且在时间轴上的波形并不对称于波束指向所对应 的时刻。从而需要用到能量中心检测来确定回波到达时间。 2 2 1 算法原理 能量中心检测算法是基于这样一个数学基础，即假设一个时间宽度为形 的窗中，包含了一个能量集中在范围内的信号，且a 形4 ，如果将形分 成4 个子窗彬，暖，职，形，如图2 6 所示。此时，必然包含在以上的 4 个子窗中的一个或者相邻的两个子窗中。只要找出图中能量最大的区间， 然后再用最小均方误差估计对能量最大的位置进行估值，即可求出由能量决 定的横坐标位置。 卜 t v， ( f ) r 八pv x ， 一 专一 既专 w ，1 i ，、。 7 7 l 7、 7 72 h 7 、 、 77 3 、 图2 6 能量中心收敛法示意图 在回波信号为实际接收信号的情况下，信号未返回接收器时，接收到的 信号为噪声信号，相对较小，在回波信号到达接收器时，接收的信号会明显 9 哈尔滨下挥大学硕士学位论文 的增大。因此可以设置一个开门时间和关门时间，使可能到达的网波落入其 中。设实际信号如图2 6 所示，开门时间和关门时间的宽度为形，横坐标代 表时闻t ，纵坐标代表信号幅度名0 ) ，脉冲宽度为f ，设w 4 a ，然后将形平 均分成4 份，并计算每一个窗内的能量： 置= | ：4 2 ( t ) d t 扣l ，2 ，3 ，4 0 3 ) 然后，将上述的4 个子窗两两相加，得到相互重叠的3 个新的子窗暇， 联，以，并令： 吼= 垦+ e + t i = l ，2 ，3 ( 2 _ 4 ) 设邑中最大者对应的子窗为w o ，则能量中心一定收敛于甄，且其宽度 为： w 0 iw(2-5) 然后判断瞩是否大于收敛窍宽度的2 倍即2 焱，若大于则继续以上步骤； 若等于，则迭代终止；若是小于收敛窗宽度的2 倍但是大于收敛窗宽度， 则将瞩在形范围内向能量集中的一边做适当的扩展，使其宽度等于2 ，然 后重复以上的迭代步骤，从丽使得能量中心总是收敛于2 a 内。 在得到收敛的区间后就可以来精确计算波束指向所对应的到达时间，此 时就依赖于收敛窗的大小，恧在确定收敛窗的时候有两种不同的方法： 是根据发射脉冲宽度为f ，又回波信号有扩展，可设有效回波宽度为 = n r ( n = l 4 ) ，并假设信号宽度最多扩展一倍。因此可以考虑能量中心的 收敛宽度为2 a ，而能量中心的收敛区间为。在得到收敛区间之后，就可以 在此窗中将能量中心位置作精细的移动，使该位置两边的能量差达到极小时 的位置就是能量中心估计的精确位置。 但是，在计算波束指向对应的精确到达时间的时候，由于波束在角度较 大的时候波束脚印变宽，所以必须考虑海底撩射角的影响。从而趱现了第二 种估计能量中心精确位置的方法。 如图2 7 所示，假设一3 d b 波束宽度为 ，掠射角为搿，发射脉宽为。 在波束宽度较小的情况下，由几何关系就可以得到海底回波的持续时间： 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 丁= 甜半c s c ( 口+ 争c 。一争( 2 - 6 ) czz h 图2 7 海底回波反射情况 于是，可以将收敛的宽度2 a 定为回波持续的时间丁。在迭代终止之后， 将该子窗在时间轴上精细的移动，当子窗出现能量最大的时候，利用下列的 加权平均作为能量中心的位置估计： 如z 一 lj t = 争 ( 2 7 ) 4 2 2 2 仿真信号处理 基阵阵元个数m = 3 2 ，原始信号频率厂= 1 0 0 0 0 h z ，采样频率z = 4 f ，信噪 比s n r = 3 0 d b ；阵元间距d 1 2 = 1 2 ，水中声速c = 1 5 0 0 m s ，海底深度 h = 1 0 0 m 时的接收基阵阵元上的回波信号经过f f t 波束形成后如图2 8 所 示。 f f t 波束形成产生3 2 个预成波束时，与波束号对应的角度如表2 1 所示。 表2 1 预成波束号与控制角度对应表 波束号 0 群 l 群2 撑3 撑4 群5 撑6 拌7 群 角度 o o1 7 9 03 5 8 05 3 7 07 1 8 08 9 8 01 0 8 0 01 2 6 3 0 波束号 8 撑9 群1 0 群1 1 稃 1 2 #1 3 撑1 4 #1 5 撑 角度1 4 4 7 01 6 3 3 01 8 2 1 02 0 1 0 02 2 0 2 02 3 9 6 02 5 9 4 02 7 9 5 0 哈尔滨t 稃大学硕十学何论文 波束号1 6 撑 1 7 存 1 8 群1 9 撑2 0 #2 1 群2 2 #2 3 # 角度3 0 03 2 0 9 03 4 2 2 03 6 4 2 03 8 6 8 04 1 0 1 04 3 4 3 04 5 9 5 0 波束号 2 4 #2 5 #2 6 #2 7 # 2 8 #2 9 #3 0 #3 l 撑 角度 4 8 5 9 05 1 3 7 0 5 4 3 4 05 7 5 3 06 1 0 4 06 4 9 9 06 9 6 3 07 5 6 3 0 i 7 “ 一一、 一 ! i 菩 二二 警。 二 、v 叠。 = 二 蔫 = 二 i 萼。 = 二 罄 二 。 i 孙。 = 二 莲1 二二 沁 = 二 葶i = i 津1 2 31 = 量 二二 i 二 莹o 1 = ，l 。吾 莹。景 i i d d 1d 20 30 41 31 3 10 2口31 3 4i ； 时间( s )时间( s ) ； z m 一：j ；。ri v y f i ，j 2 ；，r 一：f ；x l ；r + 一和，拍：一，：0 。+ 0 0z ；| t ：t ：x ? nq “，岫。“- | ；。j ；v 二：7、，l i 一：z j ，0 ；：管 图2 8 经f f t 波束形成后1 至1 6 号波束的输出 经过常规波束形成后，根据输出的波束数据，运用能量中心检测的方法， 可以求出对应的3 2 个波束角度上的深度。但是从表2 1 可看出，2 8 号波束对 应的预成波束角度为6 1 0 4 0 ，已超出仿真信号所设定的6 0 0 范围，所以求得海 底深度取2 7 号波束，也即5 7 5 3 0 之前的深度值，如图2 9 所示。 图2 9 中可以看出，能量中心检测法在波束控制角较小的情况下，也就 是中央波束区域，得到的深度误差较小，而在边缘波束，解算的深度数值与 1 2 哈尔滨下程大学硕十学位论文 图2 9 能量中心算法解算出来的深度数据 2 3b d i 和w m t 算法 b d i 算法和w m t 2 h 州算法虽然也是利用信号幅度信息进行检测，但是不 同的是它们是对信号的幅度进行综合处理，获得回波到达的角度和到达的时 间。 b d i 和w m t 的处理先经过f f t 波束形成器，可以形成远远大于阵元数 目的2 的整数幂个波束( 通过补零实现) ，得到的波束是相互覆盖的。波束形 成器输出的是具有幅度和相位的时间序列，同一时刻所有波束的输出数据称 为一个时间片，各个时间片的间隔是采样的周期。b d i 5 1 和w m t 处理的执行 步骤如图2 1 0 所示。 2 3 1f f t 波束形成 时域波束形成技术可以通过数字延时求和或者箱体求和网络来实现，由 于这些方法直接达到控制方向受时间延迟必须是采样周期整数倍的限制，想 要获得角度分辨力所需要的采样间隔往往是不实际的。因此必须借助于内插 技术。但是若基元是等间距的，则可以利用空间傅立叶变换( f f t ) 有效的实现 这一点。 对于元等间距线阵，阵元间距d 。由图中可知，第f 个基元相对于第0 1 3 哈尔滨t 稃大学硕+ 学位论文 来自f f t 波束形成器的时间片 ( 幅度、角度、时间) 图2 1 0 幅度综合处理流程图 个基元的声程差为i d s i n 0 ，其中臼表示预成波束的角度。从而由声程差引起 的相位差为： 缈：华d s i n 秒 ( 2 8 )缈2 _ u 一5 j 其中，名为波长。 为了在0 方向上形成预成波束，对第f 号阵元上的数据进行相位补偿： 忍( 秒) ：4 p ，( 计，- 孕s i n 0 ) - - - - 4 p 妒p 巾2 笋s i n s ) ：s 口j ( i2 a d 幽( 2 - 9 ) 其中，4 代表原始信号的幅度信息，矽代表原始信号的相位信息，墨= 4 p 肋 为入射信号。 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 11 入射声波到达接收换能器情况 将所有阵元上的结果相加，即可得到控制到o ：h - 向的波束幅度值： b ( 秒) ：n - i，了2 x 删n 印( 2 - 1o)e w i s i eb ( 秒) = 八了”叫 由于要形成m 个方向的预成波束，所以上式可以改写成： b ( 吃) ：n - 1w s p ( 等屉嘲以( 2 - 1 1 ) b ( 吃) = w s p 八百“ 观察上式，再和数字信号处理中的快速傅里叶变换式相比较： 日( 尼) ：羔矿等( 2 - 1 2 ) 其中，k 是整数。如果我们将两个式子作个代换，就可以得到： 日( j i ) 暑b ( o k )( 2 1 3 ) 2 x r i k ：竿耐s i r lo k ( 2 - 1 4 ) 1 = 一，7 墨 n丸 皖= s 洫一1 唏a k ) ( 2 - 1 5 ) 经过f f t 波束形成之后，预成波束的方向便会是式( 2 1 5 ) 式中的k 的函 数。 1 5 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 2 3 2b d i 算法 2 3 2 1 高分辨角度估计 在一个时间片中，回波到达基阵的角度不一定正好是预成波束角度。由 于预成波束角有一定的宽度覆盖，可以利用各个预成波束输出的幅度值，通 过计算确定信号的精确d o a 。这就是高分辨角度估计。 处理的第一步是根据这个时间片计算出幅度门限，剔除幅度低于此门限 的值。第二步，知道了每个波束的幅度值和波束图之后，就可以对信号的方 向和角度作精确的估计。由于换能器的数目、基元间距等特征已知，可以得 到接收基阵的波束图。从而可以使用非线性最d 、- - - - 乘拟合q 。卅的方法来将波 束图的主瓣与每组时间片的最高幅值拟合，最佳拟合峰值的位置即为被测信 号的到达角度。经过这一处理之后，便可得到一系列角度幅度值，我们把此 时间片上的角度、幅度对称为一个命中，每个命中包括三个数据：角度、幅 度和出现时刻。 图2 1 2 中带圆圈的数据就是将每个时间片上的数据计算出幅度门限之 后，剔除了幅度低于此门限的数据后所得到的。而图中的实线是经过最小二 乘拟合后所得研。从图中就可以看到拟合后的峰值，这个峰值所对应的位置 就是被测信号的到达角度。由于在仿真过程中并没有画出插值后的所有数据， 所以图2 1 2 中的峰值所对应的序号需要经过转换，才是真正波束角度。 图2 1 2 拟合数据图 1 6 4 二# 7 ；，鲤# 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 2 3 2 2 运动补偿 角度估计过程产生一系列包括幅度、角度和时间信息的命中。但是，这 些命中里面包含的角度的信息是相对于基阵的，并且基阵是安装在海上一个 运动平台上或船上。由于载体有运动，必须在将中心数据变为大地坐标的海 底数据和在各时间片之间比较之前，测量基阵的姿态并加以补偿。在此过程 中，对深度数据有影响的主要因素是横摇，只要将估计出的相对于基阵坐标 系的回波角度，加上横摇所产生的角度，就是大地坐标系中回波的真实角度。 2 3 2 3 起始门与终止门 起始门和终止门是根据波束控制角和时间计算的。可以按照式( 2 6 ) 来计 算，在起始门和终止门之外出现的命中将被剔除，仅仅保留起始门和终止门 之内的命中。 2 3 2 4d o a 和t o a 估计 在每一个脉冲发射的周期内，保留下来的“命中”画在一起就构成一幅“云 图”，如图2 1 3 所示。图中每一圆点表示在收发周期内的“命中”，它们按照 对应的角度铭和时间0 标记在图中，由于波束有一定的宽度，所以，在波束 宽度以内会有许多的命中，通过落入某一波束宽度的命中，就可以计算出信 号到达时间和到达角度。 图2 1 3 由幅度、角度、时间所组成的“云图” 1 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 首先，对波束宽度内保留的命中计算t o a ( t i m eo f a r r i v a l ) l 拘均值乞。和 标准差。认为在时间上存在一个统计的包络，使得命中位于以均值为中心 宽度为2 的区间内。落在这个区间以外的命中都将被剔除，然后对所有保留 的命中利用幅度加权平均计算d o a ( d i r e c t i o no f a r r i v a l ) 和t o a 。 在实际中，并不能将这些命中画在一个图中来辨别。只须将波束形成之 后的波束数据进行插值，并将插值后的结果利用最d , - - 乘拟合找出每个时间 片上的命中。然后对一个角度为以的预成波束计算波束内所包含的命中的均 值和方差，通过下式计算出d o a 和t o a ： m y4 谚 0 = 气广一 ( 2 - 1 6 ) 4 i = l 2 3 3w m t 算法 m 如 r = 气广 4厶1 i = 1 ( 2 - 1 7 ) 与b d i 算法不同的是w m t 算法预先指定一组大地坐标系中的波束角 度，根据这个角度内的波束输出来计算回波的精确的t o a 。每个预先指定的 角度即为需要估计的d o a 。下面来说明w m t 的具体处理过程： 2 3 3 1 幅度内插 处理的数据仍来自于f f t 波束形成，可以有两种方法来表示波束序列， 一种是直接将波束数据作为待处理数据，另外一种是为了便于观察，将波束 数据用对数坐标表示。w m t 算法处理的过程中也需要对每一个波束角度指 定一个时间上的起始门和终止门。经过这些预处理之后，每个时间片都包含 波束角从岛的m 个幅值4 如。如图2 1 4 ( a ) 所示，所要估计的回波方 向假定在两个相邻的波束角最和皖+ 。之间。它们三个角度所对应的幅值如 图2 1 4 ( b ) 所示。 1 8 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 ( a ) ：- 起始门( b ) 终l r 门 图2 1 4 两个幅度和按时间排列的幅度 图2 1 4 ( a ) 中是一角度为横坐标的两个相互覆盖的波束图，图中表示了角 度所对应的幅度关系。从而可以通过幅度内插，来求得酿角度所对应的幅度 4 。这个幅度值就可以认为是从靠方向返回的回波幅度。 2 3 3 2 加权估计t o a 将各个时间片中铱所对应的幅度么。按时间顺序排列，然后，与b d i 处 理过程一样，将起始门与终止门之间的数据保留，运用动态门限，将落入门 限内的数据根据式( 2 。18 ) 来计算精确的t o a ： a b 间 ( a ) 起始门 ( b ) 终止门 图2 1 5 幅度内插和确定起始门终止门 m ，、4 f = 争 ( 2 1 8 ) 4 1 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 3 4 仿真信号处理 同样对于2 2 2 中提到的海底混响信号，经f f t 波束形成共形成3 2 个波 束。利用b d i 算法首先设定动态检测门限，剔除幅度低于此门限的值。然后 根据已知换能器的数目、基元间距等特征，使用非线性最小二乘拟合的方法 来将波束图的主瓣与每组时间片的最高幅值拟合，最佳拟合峰值的位置即为 被测信号的到达角度。将仿真数据中某角度的拟合图形表示如下： 图2 1 6 某角度的最小二乘拟合曲线和仿真数据 上图中的圆圈表示仿真数据在进行插值后的位置，实线表示经过非线性 最小二乘拟合后的曲线，从上图的拟合曲线就可以计算出角度和对应时刻， 然后形成角度、幅度和对应时刻的“云图”。最后通过确定起始门和终止门， 利用( 2 - 1 6 ) 和( 2 1 7 ) 式计算出深度数据图如图2 1 7 所示。 图2 1 7b d i 算法求得的海底深度数据 鸳o“。；，：；、z，、?：。，- l 哈尔滨下程大学硕十学位论文 对上述的仿真环境，运用w m t 算法对所要解算的波束角度通过相邻两 个波束幅度内插找到此角度对应的幅度值，对每一个时间片均采用这个过程。 内插得到的预成波束角度从1 。变化到5 8 0 ，取其中第2 8 0 时按采样顺序排列的 波束输出如图2 1 8 所示。 1 0 0 0 ；螂 】蹋i ， 曼 i 5 0 0 2 0 0 04 0 0 06 0 0 08 0 0 010 0 0 01 2 0 0 0 1 4 0 0 0 ? 一jj j 蒋苓荐融?、? t ； 。7 。、。+ 77 ，7 。7 ? n ：t 。7 。+ 。7 “jt ，7l 图2 1 8 预成波束在2 8 0 按时间序列的输出 最终，选取起始t - j ；f n 终l i ：i - j 内的超过动态门限的值，利用( 2 1 8 ) 式就可求 得的海底深度数据如图2 1 9 所示。 7 ” 。”7? ； - 一”7 骨叫_ 舻“”。声p 。z 二- 。7 y ? ”? 冀扣警 图2 1 9w m t 估计的深度数据 2 l 孳、，。，?，、，誓謦。、一二+，。，巧唾蕞?荟葛兹铆 ， 皑 n v w ，。：|；”哥，彩蚴 哈尔滨t 程人学硕十学位论文 2 4 幅度检测算法实验数据处理结果及算法比较 取某海试数据( k 4 w0 1 4 6b i n 文件1 ，进行常规波束形成，得到22 1 所不 0 ，4 ，8 ，1 2 号波束输出。 波束形成一共产生3 2 个波束数据，山于阵的位置与