（通信与信息系统专业论文）多波束海底测深隧道效应及其自适应消除方法研究.pdf

l + f c l a s s i f i e di n d e x ： 叶 u d c ： l 忡 ad is s e r t a ti o nf o rt h ed e g r e eo f m e n g s t u d y o nt u n n e le f f e c ti nm u l t i b e a m se a f l o o rb a t h y m e t r ya n d i t sa d a p t i v e e l i m i n a t i n gm e t h o d s c a n d i d a t e ：w e n gn i n g n i n g s u p e r v is o r ：p r o f e s s o rl ih a is e n a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l i t y ：c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m d a t eo fs u b m i s s i o n ：f e b r u a r y ，2 0 0 9 d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ：m a r c h ，2 0 0 9 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y j j 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：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、数据和文献的引用已在 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) ：翁乎学 日期：切o 年月p 日 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，即研究生在校 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。 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囱在授予学位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) ：翁吾香 日期：岬年；月p 日 导师( 签字) 押哆年3 月 ，d - 哈尔滨工程大学硕十学位论文 掂面 于葡要 多波束测深仪是广泛应用于船舶上的高精度测深设备，以其出色的工作 效率和测深精度在海底地形的研究工作中发挥了巨大的作用，然而人们发现 系统输出数据中的一些测深假象，这些假象影响测深精度，隧道效应就是其 中一种典型的测深假象。如果对这些假象不加以处理，多波束测深系统将对 海底地形给出错误的解释，例如隧道效应的出现，会使系统将相对平坦的海 底绘成两端上翘凹面向上的水平半圆柱面海底地形。 本文是针对隧道效应的消除工作而开展的研究，文中指出隧道效应的产 生机理及影响。隧道效应通常发生在平坦海底地形下，起源于旁瓣干扰由强 镜向回波的能量被其余波束的旁瓣接收而引起。对此，本文首先仿真几种用 于消除隧道效应的自适应算法性能，给出基本参数对算法收敛性能的影响， 然后根据自适应干扰抵消原理，利用多种自适应算法对国产首台便携式多波 束测深仪湖试实验数据中的隧道效应进行消除处理。研究结果表明，误差反 馈格型算法和后验g i v e n s 格型梯型算法能够有效消除边缘波束中的干扰， 并且可以快速跟踪真实的海底回波信号；对于两种算法存在的削弱中央波束 信号能量的问题，文中进一步提出采用误差反馈r l s l a g u e r r e 格型算法进行 处理，通过对l a g u e r r e 极点位置的选取，该算法不仅能够有效消除边缘波束 中的干扰，而且可以有效保留中央波束信号的能量，湖试数据处理结果证明 该方法的有效性和实用性，从而提高了多波束测深设备的测深精度。 关键词：多波束测深仪；隧道效应；旁瓣干扰抵消；误差反馈；r l s l a g u e r r e 格型算法 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 a b s t r a c t m u l t i - b e a me c h os o u n d e ri sah i g hp r e c i s i o nb a t h y m e t r i ce q u i p m e n tw h i c h i sw i d e l yu s e di nt h es h i pa n di th a sp l a y e dag r e a tr o l ei nt h et o p o g r a p h yr e s e a r c h w o r k 、i mh i g he f f i c i e n c ya n dp r e c i s i o nb a t h y m e t r y , h o w e v e r , t h ea r t i f a c t sh a s b e e nf o u n di nt h eo u t p u td a t aa n ds o m eo ft h ea r t i f a c t sa f f e c tt h eb a t h y m e t r i c a c c u r a c ya n dt h et u n n e le f f e c ti so n eo ft h et y p i c a la r t i f a c t t h eb a t h y m e t r i c s y s t e mw i l lg i v et h ew r o n ge x p l a n a t i o no ns e a f l o o rt e r r a i ni fy o ud on o td e a lw i t h t h eb a t h y m e t r i ca r t i f a c t s ，a n dt h es y s t e mw i l lm i s t a k er e l a t i v e l yf l a ts e a f l o o rf o r c o n c a v e - u ph o r i z o n t a lh a l fc y l i n d e rt e r r a i nb e c a u s eo f t u n n e le f f e c t t h ea i mo ft h i sa r t i c l ei st oe l i m i n a t et h et u n n e le f f e c t ，t h ea r t i c l ep o i n t so u t t h eg e n e r a t i o nm e c h a n i s ma n di n f l u e n c e t h et t m n e le f f e c tu s u a l l yo c c u r si naf l a t s e a f l o o rt e r r a i na n dr e s u l t sf r o ms i d el o b ei n t e r f e r e n c e ，b e c a u s et h es t r o n g s p e c u l a rb e a me n t e r i n gt h em a i nl o b eo fa n yo n eb e a ml e a k st h r o u g ht h es i d e l o b e so fa l lo t h e rb e a m s i nt h i sr e g a r d ，t h i sp a p e rf i r s ts i m u l a t e st h ep e r f o r m a n c e o fs e v e r a la d a p t i v ea l g o r i t h m sw h i c hu s et oe l i m i n a t et h et u n n e le f f e c t , g i v e st h e b a s i cp a r a m e t e r so nt h ec o n v e r g e n c ep e r f o r m a n c e t h e nt h el a k ee x p e r i m e n t a l d a t a 、析t ht u n n e le f f e c ti nt h ef i r s td o m e s t i cp o r t a b l em u l t i b e a me c h os o u n d e ri s c a r r i e do u tt oe l i m i n a t et h ei n t e r f e r e n c eu s i n gav a r i e t yo fa d a p t i v ea l g o r i t h m ，i n a c c o r d a n c e 、而t l lt h ep r i n c i p l eo fa d a p t i v ei n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n t h er e s u l t s s h o wt h a tt h ee r r o rf e e d b a c kl a t t i c ea l g o r i t h ma n dap o s t e r i o r ig i v e n s l a t t i c e - l a d d e ra l g o r i t h mc a l le f f e c t i v e l ye l i m i n a t et h e i n t e r f e r e n c e i nt h ee d g e b e a m ，a n dc a nf a s tt r a c kt h er e a ls e a f l o o re c h os i g n a l f o rt h ei s s u e st h a tt h et w o a l g o r i t h m sw e a k e n i n gs i g n a le n e r g yo ft h ec e n t r a lb e a m ，t h ea r t i c l ef u r t h e rb r i n g f o r w a r dt h ee r r o rf e e d b a c kr l s l a g u e r r el a t t i c ea l g o r i t h m t h ea l g o r i t h mc a nn o t o n l ye f f e c t i v e l ye l i m i n a t et h ei n t e r f e r e n c ei nt h ee d g eb e a m ，b u ta l s ob ea b l et o r e t a i nt h es i g n a le n e r g yi nt h ec e n t r a lb e a m 、析t l ls e l e c t i n gl a g u e r r ep o l e t h e p r o c e s s i n gr e s u l t so fl a k ee x p e r i m e n t a ld a t ap r o v et h ev a l i d i t ya n dp r a c t i c a b i l i t y o ft h i sm e t h o dw h i c hc a l le n h a n c et h eb a t h y m e t r i cp r e c i s i o no fm u l t i - b e a m 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 b a t h y m e t r ye q m p m e m k e yw o r d s ：m u l t i b e a me c h os o u n d e r ；t u n n e le f f e c t ；s i d el o b ei n t e r f e r e n c e e l i m i n a t i n g ；e r r o rf e e d b a c k ；r l s l a g u e r r el a t t i c ea l g o r i t h m 哈尔滨丁程大学硕十学1 = 7 ：论文 目录 第1 章绪论1 1 1 课题背景1 1 2 国内外研究进展与现状2 1 2 1 多波束测深系统及测深假象综述”2 1 2 2 相关的自适应算法概述”4 1 3 论文主要研究内容6 第2 章多波束测深声呐探测中的隧道效应”8 2 1 多波束测深声呐的测深原理8 2 2 隧道效应的特性1 1 2 2 1 镜面区域与非镜面区域的回波特点1 l 2 2 2 隧道效应产生的原因1 2 2 2 3 旁瓣干扰的影响”13 2 3 隧道效应的消除方法15 2 3 1 设置海底跟踪门1 5 2 3 2 设置动态门限1 6 2 3 3 采用自适应干扰抵消方法1 7 2 4 本章小结2 0 第3 章用于消除隧道效应的自适应算法2 1 3 1 自适应滤波器原理2 l 3 2 最小均方算法2 4 3 2 1l m s 算法的导出2 4 3 2 2 自适应均衡实验2 7 3 2 3 步长对l m s 算法的影响2 9 3 2 4 条件数对l m s 算法的影响3 0 3 3 递归最小二乘算法3 0 3 3 1r l s 算法的导出3 1 3 3 2 遗忘因子的影响3 5 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 3 3 3 初始值的影响3 6 3 3 4 加窗法的影响3 7 3 3 5 条件数的影响3 8 3 3 6 两种算法性能的比较3 9 3 4 误差反馈格型递归最小二乘算法4 0 3 5 后验形式无平方根g i v e n sl s 格型梯型算法4 3 3 5 1 后验g i v e n sl s 格型梯型算法的推导4 4 3 5 2 系统辨识模型4 9 3 5 3 后验g i v e n s 格型算法的性能分析5 0 3 6 本章小结5 3 第4 章隧道效应的消除处理5 4 4 1 便携式多波束测深仪湖试实验情况说明5 4 4 2 采用e f l r l s 算法进行湖试数据处理5 5 4 2 1 单级处理5 6 4 2 2 级联处理6 1 4 3 采用后验形式无平方根g i v e n sl s 格型梯型算法处理6 2 4 3 1 后验g i v e n s 格型算法的处理结果6 2 4 3 2 后验g i v e n s 格型算法的s y s t o l i c 实现6 7 4 4 误差反馈r l s l a g u e r r e 格型算法6 9 4 4 1l a g u e r r e 格型滤波器6 9 4 4 2 误差反馈r l s - l a g u e r r e 格型算法的性能分析7 2 4 4 3 对隧道效应的处理7 3 4 5 本章小结7 9 结 仑8 0 参考文献8 1 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果8 9 致j 射9 0 0 l _ 哈尔滨工程大学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景 多波束测深声呐作为当前最重要的海底探测设备以其出色的工作效率和 测深精度已经逐渐成为现代海洋监测与海底资源调查的最重要科学工具之 一。然而，人们在解释多波束测深声呐实际测量结果时，通过对大批试验数 据的反复观察，特别是利用海底等深线图对海底地形进行分析时，经常会发 现系统输出数据中存在一些测深假象1 ( b a t h y m e t r i ca r t i f a c t s ) ，这些测深假 象会对海底地形给出错误的解释，并导致海底假地形的产生。如果不能及时 发现和识别这些测深假象或是对其处理不当将导致整个探测数据失效，其不 利影响主要包括：( 1 ) 混淆真实海底地形情况；影响对海底地形的观察与利 用，甚至导致对海底资源的勘探与开发失败；( 2 ) 海上测量成本十分昂贵， 失效测量必将导致巨大的人力、物力和资金的浪费，而重新测量又将导致测 绘成本进一步增加；( 3 ) 影响对多波束测深声呐设备性能的客观评价，不解 决这个问题势必影响多波束测深设备的推广与应用。 在复杂海底情况下，这些测深假象已通过比较交叉测深条带和分析数字 化原始声学数据得到了证实。在国内外多波束测深声呐研制过程中都发现了 这个客观现象的存在，这些测深假象与通常所说的由于设备的意外或偶然因 素造成的个别或少量测量异常值是不同的。例如最典型的“隧道效应”( t u n n e l e f f e c t ) 和“q 效应 ( o m e g ae f f e c t ) 就属于测深假象范畴。由于海底地形的 复杂性和不可见性，在没有事先确切获知海底地形信息的情况下，分析和发 现这些测深假象的产生原因并最终将这些假象消除并不容易，这是因为产生 这些假象的起因通常并不是由单一因素造成的。根据经验，这种错误的起因 主要不是因为使用的等深线算法存在错误，而是和海底回波的检测和信号处 理方法有关，如和旁瓣干扰和数据中断等内因有关，也和多种外因密切相关， 例如和海底地形特征的复杂程度( 如地质或斜坡的突然变化等) 有很大关系， 或是来自于其它声源的干扰( 比如地震源、舰船噪声干扰、电干扰和海洋内 部的各种干扰等) 。由于这些因素互相联系，且可能存在于多波束测深声呐对 哈尔滨工程大学硕士学位论文 海底探测的多个环节，因此一直是困扰从事多波束测深设备以及类似声呐设 备理论研究与工程实践者的难点问题。 经过分析，引起测深假象的原因主要有内因和外因两个方面。其中内因 主要包括对海底信号检测或海底地形跟踪方法不当、幅度检测法和相位检测 法随海底地形变化的调整准则不当、后期成图时对野值和数据中断的处理不 当等；外因主要包括声速梯度口1 影响、海底地形的复杂性对信号处理方法的 影响以及外部干扰源等因素。对待多波束测深声呐中存在的这些问题，必须 加以认真分析和处理，才能实现有效的宽覆盖探测。由于测深假象的产生机 理，同样可能存在于类似的其它海底声学探测设备上，研究这些测深假象的 识别与消除方法也可以方便的移植到其它测量设备上，或者被其他海底探测 设备设计者所借鉴，从而提高探测设备的质量，增强测量结果的可信度，因 此具有重要的理论和实际意义。 本文基于课题组正在承担的国家自然科学基金项目“超宽覆盖多波束测 深假象产生机理与消除方法研究 ，针对该自然科学基金中提出的三种测深假 象“隧道效应”、“q 效应”和“判据模糊效应”之一隧道效应进行深入 研究，对隧道效应的产生机理进行理论分析，并提出采用自适应抵消算法来 消除这种隧道效应，仿真和实际湖试数据处理证明了方法的有效性，对今后 课题组研制多波束测深仪具有重要的理论指导和实际工程意义。 1 2 国内外研究进展与现状 多波束测深系统是计算机技术、导航定位技术、传感器技术及信号处理 技术等多种技术的高度组合。根据多波束测深系统中测深假象产生原因和特 点以及自适应抵消算法的性能，采用自适应抵消算法来消除隧道效应具有一 定的可行性。下面就对多波束测深系统中的测深假象及自适应算法的研究现 状进行简要的论述。 1 2 1 多波束测深系统及测深假象综述 在国外随着多波束测深设备和技术的发展，关于测量质量的问题逐渐被 提出来，并引起从事多波束测深仪探测理论和设备研制人员以及广大用户的 关注。到上世纪8 0 年代中期，c h r i s t i a n d e m o u s t i e r 对s e ab e a m 多波束测深 2 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 声呐测量数据进行分析，提出多波束测深系统中的测深假象，指出如何识别 诸如隧道效应、q 效应、外部声源干扰及数据中断等引起的测深假象，并探 讨了可能的解决方案。上世纪8 0 年代末9 0 年代初，d i m i t r ia l e x a n d r o u 针 对测深中的隧道效应提出初步的解决方案，利用自适应噪声抵消( a d a p t i v e n o i s ec a n c e l i n g ) 原理消除海底散射回波中的旁瓣干扰，采用最小二乘格型 滤波器实现自适应噪声抵消器。在随后的工作中进一步对复数值水声数据采 集系统采集的数据进行了干扰抵消处理，引入相似比参数来观察旁瓣干扰的 消除情况，指出滤波器处理性能的好坏与自适应算法的初始状态和参数选取 有一定关系h 1 。但由于旁瓣干扰的多种情况导致要根据不同情况选择不同的 参考波束，自适应噪声抵消器对中央波束信号的影响，这些问题并没有得到 解决，使其难以应用于多波束测深声呐的实时实现中。9 0 年代初，j a m e s a r n o l d 提出采用海底二维空间统计模型的海底表面编织法，在每一时刻对每 个波束根据多门限给出可能的侯选深度值，由信号、噪声以及海底表面的统 计模型组成海底评价函数，根据一定的准则搜索函数的最优值，依此作为海 底深度的真实值阁。这种基于海底表面重建的方法能在一定程度上解决探测 中的测深假象，但是由于要建立信号、噪声以及海底表面的先验统计模型， 其使用受到一定的限制。 2 0 0 0 年以后，国际上多波束测深设备开始进入超宽覆盖探测阶段，国外 典型产品的覆盖宽度一般达到6 8 倍甚至超过1 0 倍。为了最大限度的增大覆 盖宽度，并保证中央波束与边缘波束测量结果的一致性，目前普遍将幅度检 测法与相位检测法相结合。一般在海底镜面区域，由于声波接近垂直入射海 底，回波信号很强且集中在波束主轴上，每个波束内的回波到达时间根据信 号波束形成峥1 后的幅度进行检测，也就是常说的幅度检测法1 ，如能量中心法、 w m t ( w e i g h t e dm e a nt i m e ) 等；而在非镜面区域，由于声波倾斜入射、接 收阵的有效尺寸减小且由于倾斜海底返回来的是散射信号，海底接收信号的 幅度平坦且持续时间长，基于幅度的检测方法不能给出高精度的到达时间 ( t o a ，t i m eo f a r r i v a l ) 估计，因此现代多波束测深系统为了实现宽覆盖探 测必须使用相位检测法隅1 ，如分裂子阵相关器、b d i ( b e a r i n gd i r e c t i o n i n d i c a t o r ) 等。由于事先并不知道海底地形的实际情况，在两种算法的使用 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 中往往需要人为设置某些准则或者判据，以便恰当的界定两者的有效区间， 或者在事后处理时再按照某种判决准则人工选择其中最佳的。但是这些判据 设置对海底地形有依赖性，而被测地形又是无法事先获知的，由此导致海底 检测方法选择不当产生的测深假象被称为“判据模糊效应”，它是近年来实现 超宽覆盖海底探测必须解决的热点问题之一。 国内从上世纪8 0 年代中期开始独立自主研制多波束测深仪唧，到1 9 9 9 年研制成功国内首台装船多波束条带测深仪。在对多波束测深设备的研究中， 对测深效果的影响因素的研究构成了重要的一部分，测深过程中的影响因素 及其对测深的作用效果，是高精度海洋测深必须研究的关键问题。目前对多 波束测深技术测量效果的研究主要包括以下几个方面： ( 1 ) 测深效果影响因素的研究。近年来这方面的研究有波束角效应的影 响【1 0 1 、波束角效应和波浪效应的耦合机制及其改正、边缘波束误差的综合 校正m 1 、换能器艏线偏移的校正、系统延时效剧1 4 1 、深水浅报效应1 、船姿 效应6 。，隧道效应u 刀等，为高精度水深测量提供了改正模型和改正方法。 ( 2 ) 异常测深数据的探测研究。海洋动态环境易导致异常水深数据，探 测并消除异常数据是保证海洋测深数据质量的基础工作。这方面的研究有抗 差回归分析法来抵制测深粗差的污梨埘、抗差k a l m a n 滤波9 1 、序统计滤波， 自适应滤波瞄u 等，这些方法对提高测深数据质量有一定的效果和适应性。 ( 3 ) 多波束测深系统的研究。多波束测深系统效率高的优越性使其成为 海洋测深的主要技术，这方面的研究主要包括多波束测深系统中的安装校准 误差影响规律研究田1 、多波束相位差序列模型的建立口3 1 、瞬间到达角和旅行 时的精确确定1 、多波束测深的声速改正口5 嘲、多波束信号的多子阵幅度相位 联合检测口等。 1 2 2 相关的自适应算法概述 自适应信号处理由优化理论发展而来，由于具有更强的适应性和更优的 滤波性能，从而广泛应用于通信、系统辨识、回波消除、自适应谱线增强、 自适应信道均衡、语音线性预测和自适应阵列等诸多领域。自适应滤波算法 的研究是自适应信号处理中最为活跃的研究课题之一，包括线性自适应算法 和非线性自适应算法。非线性自适应算法包括v o l t e r r a 算法和基于神经网络 4 平方和达到最小，与l m s 算法相比具有快速的跟踪能力，即使是在输入信号 相关矩阵特征值扩展比较大的情况下，但是r l s 算法的计算复杂度高，所需 的存储量很大，不利于实时实现；如果被估计的自相关矩阵的逆矩阵失去正 定性，还将引起算法的发散。许多文献提出改进的r l s 算法，例如：格型递 归最小二乘( l r l s ) 算法p 9 1 、快速跟踪抗噪声r l s 算法嗍、快速横向滤波器 ( f t f ) 算法一u 等，这些算法具有很低的复杂度，但遗憾的是，这些算法对于 量化效应非常敏感，如果不采取措施，算法就会不稳定心1 。l r l s 算法就是将 最小二乘准则用于求解最佳前向、后向预测器系数，进行时间和阶数更新以 及联合过程估计。l r l s 算法的算术运算量很低，是r l s 问题的快速实现算 法，其数字精度比常规i l l s 算法的精度高，对舍入误差的不敏感性甚至优于 l m s 算法。 基于q r 分解及逆q r 分解的r l s 算法，进一步提高了r l s 算法的稳健 性和跟踪能力。矩阵的q r 分解是信号处理中常用的一种矩阵分解，q r 分解 的q 表示一个酉矩阵，r 表示一个上三角矩阵。基于q r 分解的r l s ( q r r l s ) 算法对输入信号矩阵直接进行更新，因此在有限精度运算条件下，具有良好 哈尔滨丁程大学硕+ 学位论文 的数值稳定性，而且可以采用s y s t o l i c 处理结构高效实现一“，因而在空域信号 处理中获得广泛应用。基于q r 分解的格型r l s 算法可以利用多种方法，如 采用格型方式产生快速q r r l s 算法1 ，基于q r 分解避免利用l r l s 算法 的多信道问题中存在的协方差矩阵求逆问题h ”，基于q r 分解的自适应 k a l m a n 滤波算法1 等。各种q r 分解的快速自适应滤波算法直接计算估计误 差，并不需要更新权系数向量，而基于逆q r 分解的r l s 算法可以直接更新 权系数h 4 引，并且避免复杂的后向代入运算。多篇文献讨论了q r r l s 算法 的实现问题，文献 4 9 确定了g i v e n s 旋转的余弦和正弦稳态值的表达式，以 及存储于处理单元的信息的动态范围的界，文献 5 0 l 针对q r r l s 算法的传 统形式和脉动阵实现，给出所有内部变量动态范围的完全定量分析。 总之算法的应用是推动自适应算法研究的动力，未来寻求收敛速度快， 算法复杂度低，数值稳定性好和易于实现的自适应滤波算法是研究人员不断 努力追求的目标。 综上所述，从国内外论文的研究方向看，多数论文侧重于解决海洋生产 实践的具体需要，而对问题本质的理论研究偏少。尽管如此，国内的研究进 展也是十分明显的，其发展趋势是围绕测深精度、异常水深数据处理、干扰 消除应用的算法研究和超宽覆盖宽度指标保障等前沿性研究工作：但是，对 多波束测深的信号可靠性检测、各种因素对测深假象的影响机制及测深假象 的消除方法等理论问题研究相对较少。尚未有系统地、全面地研究多波束探 测系统中测深假象的机理分析和消除方法，这也是制约国产多波束测深设备 技术指标提高和推广应用的因素之一。 1 3 论文主要研究内容 本论文主要研究多波束测深声呐中的一种测深假象隧道效应，从理 论上分析隧道效应的产生机理，利用自适应算法对引起隧道效应的旁瓣干扰 进行消除处理，数据来自课题组独立研制出的国内首台便携式多波束测深仪 的松花湖湖试实验，并研究几种用于消除隧道效应的自适应算法的消除性能 及效果。 论文主要研究内容如下： 第一章主要介绍本文研究的课题背景及国内外研究进展与现状，指出研 6 中央波束的信号能量，具有更理想的性能。 论文最后对研究的内容进行了总结。 7 备，它极大地改 的实验数据，人 出错误的解释， 要的影响。 、测绘速度以及 束到海底的斜距 ( 2 1 ) ，边缘波束的声 线到海底的掠射角越小，海底散射强度越小，所能达到的斜距将越小。多波 束测深声呐的分辨力指的是两个相邻深度数据点的最小水平距离间隔，它决 定了对波束的间隔和波束宽度的要求。测绘速度的定量描述是单位时间内的 测绘面积，显然测绘速度取决于条带宽度和最大允许航测速度两者。最小和 最大工作深度是指可以进行深度测量的换能器下方海底的深度范围，若最大 工作深度很大，则决定系统设计时须采用较低的频率、较大的基阵尺寸；若 要求最小工作深度值很小，则意味着声呐的盲区很小，从而必须在浅水时采 用极短的发射脉冲p n 。 多波束测深声呐的测深原理是利用对每个交叉波束内的反向散射回波信 号进行t o a 和到达角度( d o a ，d i r e c t i o no f a r r i v a l ) 的估计，如图2 1 所示 的是多波束测深声呐发射的一个倾斜向下的波束，图中秒为波束入射角，口为 掠射角， 为3 d b 波束宽度，日为海底深度。若测得信号从换能器发射到海 底回波返回换能器的往返时间t ，在已知波束入射角0 和水中声速c 的情况 下，即可由下式算出被照射海底区域( 称为足迹或脚印) 对应的深度： 日= j 1c f c 。s ( 口) ( 2 - 2 ) 8 哈尔滨下程大学硕士学位论文 海面 海底 h 波束指向 。 图2 1 倾斜波束入射海底 多波束测深声呐在一次信号发射中测绘一个连续或间隔很小的海底区 通常是横向的一些点条，该区域称为条带( s w a t h ) ，横向的宽度称为条 剧5 2 1 。若在船前进方向( 与船龙骨平行) 上布设一直线阵用于发射信号， 下方将形成一个窄波束( 见图2 2 ) ，照射一个横向的窄条带。如仍用这 阵接收，接收的也是这个条带的海底回波。此时无法确定回波发生在该 刖 图2 2 发射线阵激励海底的情况 条带的什么位置，因此也无法测出具体海底点的深度。如果利用一个与发射 阵垂直布设的接收阵接收回波，则被发射阵照射的海底条带将被接收阵观察 的条带截取( 见图2 3 ) 。截取的小面积对应于发射束宽和接收束宽，此时尽 管整个被照射区均产生回波，但只有发射阵照射和接收阵观察到的一小部分 海底的回波可以被接收到，从而可测出这一交叉覆盖面积的深度，这种收发 9 哈尔滨工程大学硕十学位论文 的交叉安排称为m i l l s 交叉1 。 接收 被激励的海底条带收发波束交叉部分 图2 3 发射接收线阵交叉的情况 若接收波束被控制到其它方向，则可观察多个角度的回波。换言之，即 多个被控的接收波束观察被照射区域离散位置的回波，从而测出各个小 的回波到达时间，进而得到各点的深度和对应的水平位置。构成多波束 接收的情况如图2 4 所示，简言之，利用m i l l s 交叉技术的多波束测深仪，它 的两个基阵成垂直放置，使用一个宽发射波束，而使用多个窄接收波束。为 了提高测绘速度，也可以采用相控发射技术，沿船前进方向形成多个发射波 束。实际使用时，使用两个独立的接收基阵分别安装在船的左、右两侧，各 自覆盖左、右两侧海底的探测，而发射阵使用一个，沿龙骨安装。 接收波 发射波束 图2 4 多波束测深仪原理示意图 1 0 的条带 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 2 2 隧道效应的特性 多波束测深声呐中的隧道效应来源于旁瓣干扰，接收的镜面区域波束波 形尖锐幅度很强，其能量被其余波束的旁瓣所接收，当被测量的海底相对平 坦且具有很强反射性时，旁瓣干扰现象更加明显，这种同时加在其余波束上 的旁瓣干扰，使系统绘出两边上翘凹面向上的水平半圆柱面海底地形，出现 所谓的“隧道效应 。隧道效应起源于旁瓣干扰，而旁瓣干扰的出现与镜面区 域和非镜面区域的回波特点有着密切的关系。 2 2 1 镜面区域与非镜面区域的回波特点 在镜面反射区域和非镜面反射区域，接收波束内的回波特点有所不同。 在镜面反射区域，波束指向近似与海底垂直，声波近似垂直照射正下方的海 底区域，接收波束在海底的脚印很小，在波束范围内照射声波几乎同时到达 海底，因此产生了波形尖锐、持续时间十分短暂的回波信号，并且因为镜面 区域的声波走过最短的声程，传播损失最小它的幅度也最强酬。而非镜面区 域指的是声波以小掠射角照射的海底区域，海底散射强度较小，接收基阵在 倾斜方位的有效孔径减小，导致了接收波束脚印增大( 见图2 5 ) ，接收到的 回波信号会有较长的持续时间。因为非镜面区域的回波传播声程较长，传播 损失大，在一个波束内来自不同角度的回波在时间上是扩散的，导致回波信 号的幅度较小且有较大的展宽，如图2 6 所示。 镜面区域接收波束脚印非镜面区域接收波束脚印 图2 5 镜面区域与非镜面区域的脚印 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 幅度 图2 6 镜面区域与非镜面区域的回波特点 2 2 2 隧道效应产生的原因 时间 通常一个海底回波信号会出现在两个波束之间。这个回波将使周围的若 干个波束产生较高的幅值，越是接近的波束就得到越强的幅值，同时在其它 方向的波束也有一定的响应。这是因为各个波束的主瓣均有一定的宽度，而 且有旁瓣存在。在每个时间片所有波束的输出数据( 各时间片的间隔是采样 周期，一个发射脉冲收发期间所得到的所有有效时间片的总和称为一个数据 块) 里系统记录了上述出现的情况，同时这些时间片也记录了噪声引起的幅 值。此外，它们可能记录了一个、多个或根本就没有来自海底的回波信号， 由于海底回波信号的指向与若干波束的旁瓣指向一致，所以这些波束的旁瓣 就接收了较高的幅值。 假定海底比较平坦，发射换能器发射一个短脉冲，并以球面扩展规律向 下传播。在脉冲发射之后f 1 时刻，声波已到达海底，但只与正下方海底有一 点接触。在2 时刻的时间片中含有这一回波，但它的到达方向口。并不一定正 好是某个控制波束的指向，为说明方便，这里假定只形成1 2 个波束，到达方 向见一般落在两个控制波束指向之间( 见图2 7 ) 。由于波束有一定的宽度， 同一海底回波总是可以同时被若干个波束接收到，靠近回波信号角度的控制 波束有较大的幅度值，其它远离这一方向的波束输出幅度较小，主要贡献是 体积混响p 列和背景噪声。在2 时刻造成几个波束有角度输出的原因是各个波 束主瓣均有一定的宽度，而且有旁瓣存在。因此，在一个时间片中要将真实 回波信号与噪声和旁瓣接收的信号分开，需要根据噪声和旁瓣级的大小计算 1 2 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 动态门限，对同一时l 、日j 片选取不同的幅度门限。 幅度 吼 图2 72 厶时刻的波束输出 2 2 3 旁瓣干扰的影响 多波束测深声呐中的隧道效应来源于旁瓣干扰，当海底相对平坦且具有 很强反射性时，镜向波束由于垂直入射海底并且在水中传播时间短，因而海 底回波信号很强，其能量被其余波束的旁瓣所接收，这种干扰同时加在所有 其余波束上。如图2 8 所示，图中采用切比雪夫加权，旁瓣被压低3 0 d b ，入 射角为0 。的镜向波束，其功率是外侧波束功率的1 0 倍，镜向波束进入外侧 波束的主瓣，同时很强的镜向波束能量被外侧波束的旁瓣所接收，镜向波束 相对于外侧波束来说是一个强干扰，这个强干扰被外侧波束的旁瓣接收到。 图中加三角线是镜向波束，加星线是外侧波束，加圆圈线是实际形成的波束 输出，镜向波束的能量泄露入外侧波束中，使得同一时刻所有的预成波束均 显示收到信号。 旁瓣响应使海底散射回波的能量中心向旁瓣方向发生了偏移，当旁瓣响 应高于检测门限值时系统就跟踪旁瓣响应而忽略了真实的海底回波，测量结 果就会出现两边上翘凹面向上的水平半圆柱面海底地形，类似弧形的隧道这 就是隧道效应。对于边缘波束，旁瓣干扰与海底回波在时间上是分离的，可 以考虑加时间窗的方法加以消除，因为旁瓣响应通常落在跟踪f - j 夕b 面；而中 央波束由于与镜向波束离的较近会受到强烈的干扰影响，旁瓣干扰和真实海 底回波在时间上有重叠，加时间窗的方法就难以消除旁瓣干扰。一组典型的 旁瓣干扰如图2 9 所示，图中镜向方向有1 个波束，左、右舷各有1 0 个波束， 图2 8 旁瓣干扰起因 束中的干扰 近。 图2 9 一组典型的旁瓣干扰 总体来说，旁瓣干扰主要由以下因素p q 引起： ( 1 ) 强镜向回波的出现。旁瓣干扰出现的先决条件是十分重要的，这个 先决条件是在任何一个预成波束中出现强镜向海底回波，出现这种情况的海 底并不一定是平坦的。在旁瓣干扰与海底回波完全分离的情况下，旁瓣干扰 通常落在跟踪f - j # b 面。当海底回波接近镜向方向时，旁瓣干扰和实际海底回 波就会落在一起或重叠； 1 4 4 3 2 1 d 蛇 叫 。 戗罂荦，日i 哈尔溟丁程大学硕士学位论文 i l l ( 2 ) 操作人员仅输入手动门限值，而没有进行噪声门限和旁瓣门限的计 算。如果这个手动门限值设置得过低且当噪声和旁瓣的值过大时，对主瓣造 成影响的噪声和旁瓣就不会被消除，从而导致系统对海底信息的错误跟踪： ( 3 ) 当系统计算了噪声门限和旁瓣门限，旁瓣干扰同样可能发生。这是 因为接收机的限幅仅可以消除部分旁瓣响应，剩余部分的旁瓣响应使相对低 信噪比的真实海底散射回波的能量中心向旁瓣方向发生了偏移。结果是系统 跟踪了旁瓣响应而不是真实的海底回波，因而产生了两边上翘凹面向上的水 平半圆柱面海底地形特征； ( 4 ) 时间门的设置不当，这包括门的中心和宽度设置不当。若门的中心 偏离主瓣中心过大且门的宽度不够，那么系统就会仅接收到旁瓣干扰而忽略 了真实的海底回波信号。 2 3 隧道效应的消除方法 旁瓣干扰除了导致多波束测深声呐中隧道效应的出现，使海底地形发生 畸变外，另一个影响是它屏蔽了内侧波束的反向散射回波，结果它严重限制 了从水声信号中提取除测深之外的其它信息，比如依赖反向散射强度的掠射 角可能就是海底粗糙特征的重要指示。旁瓣干扰使内侧波束变的用处不大， 只有消除旁瓣干扰，内侧波束所包含的潜在重要信息才能得以利用，因此抑 制或消除旁瓣干扰对提取附加信息，绘制真实海底地形有重要意义，下面探 讨一些考虑的消除方法。 2 3 1 设置海底跟踪门 消除旁瓣干扰的方法之一就是设置海底跟踪门p 7 1 ，对于边缘波束来说， 由于旁瓣干扰与真实海底回波在时间上是分离的，因此可以考虑设置海底跟 踪门来消除干扰。由于多波束测深声呐每次获得几十个甚至上百个波束，每 个波束对应的海底地形又千差万别，这也使得设置海底跟踪门显得十分必要。 海底跟踪门包括起始门和终止门，跟踪门以外的数据都被剔除，只保留门内 的数据( 见图2 1 0 ) 。它确定了可靠的深度测定，同时设置