多波束測(cè)深系統(tǒng)高分辨力底檢測(cè)-算法研究與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn).pdf

1、海底地形的測(cè)量是海洋環(huán)境調(diào)查、資源開發(fā)及航行保障等工作的基礎(chǔ)，主要任務(wù)是測(cè)量海底深度，并進(jìn)一步繪制海底地形圖。多波束測(cè)深系統(tǒng)利用廣角度定向發(fā)射和多通道接收技術(shù)，形成條帶狀的高密度水深數(shù)據(jù)，是一項(xiàng)高技術(shù)海底地形測(cè)量手段。近五十年來(lái)，多波束測(cè)深技術(shù)不斷完善，并持續(xù)朝著寬覆蓋、高分辨以及高精度的方向發(fā)展。
　　 多波束測(cè)深系統(tǒng)作為一種水聲探測(cè)設(shè)備，其性能最終取決于測(cè)量過程背后的物理機(jī)制。系統(tǒng)接收的海底后向散射回波信號(hào)在空間和時(shí)間上都是

2、連續(xù)分布的，相對(duì)于傳統(tǒng)聲納研究的點(diǎn)目標(biāo)而言，回波信號(hào)嚴(yán)重展寬，底部對(duì)應(yīng)的回波信號(hào)特征不明顯，信號(hào)的分辨和特征參數(shù)的估計(jì)都更為復(fù)雜，對(duì)底部回波信號(hào)檢測(cè)/估計(jì)性能的分析更具困難。
　　 多波束測(cè)深中的底檢測(cè)處理屬于含有未知參量的檢測(cè)問題，應(yīng)用時(shí)回波參量估計(jì)與水底檢測(cè)是聯(lián)合進(jìn)行的，一方面估計(jì)中需用到檢驗(yàn)為真的信號(hào)樣本，另一方面檢測(cè)判決需要有效參量估計(jì)的支撐。底檢測(cè)處理中的目標(biāo)為水底，面臨的問題主要包括到達(dá)角度/到達(dá)時(shí)間估計(jì)、后向散射信

3、號(hào)檢測(cè)和條帶測(cè)量模型變化檢測(cè)。
　　 論文以提高邊緣波束測(cè)量精度和水底測(cè)深數(shù)據(jù)可靠性為目的，以國(guó)家863計(jì)劃課題中的多波束淺海地形測(cè)量系統(tǒng)為研究平臺(tái)，通過估計(jì)-檢測(cè)-模型聯(lián)動(dòng)的方式，圍繞著影響測(cè)線的三個(gè)主要因素(測(cè)點(diǎn)位置、測(cè)點(diǎn)深度以及測(cè)線模型)，對(duì)多波束測(cè)深中的關(guān)鍵技術(shù)--波束形成處理、底檢測(cè)處理和測(cè)深數(shù)據(jù)的模型檢測(cè)展開研究工作。
　　 首先針對(duì)多波束測(cè)深系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境，構(gòu)建了回波信號(hào)的傳播模型。對(duì)于淺海環(huán)境，信號(hào)在近距

4、離情況時(shí)以球面波的形式傳播，此時(shí)按照平面波模型處理，將會(huì)導(dǎo)致測(cè)點(diǎn)位置出現(xiàn)偏差。論文發(fā)展了近場(chǎng)聚焦處理與遠(yuǎn)場(chǎng)常規(guī)處理相結(jié)合的波束形成方法，以提高波束定向的精確度以及測(cè)點(diǎn)的定位精度；針對(duì)近場(chǎng)聚焦算法計(jì)算量大，很難實(shí)時(shí)處理的問題，提出了近似的聚焦波柬形成算法，并仿真研究了近似聚焦的波束模式圖與理想情況的差別，驗(yàn)證了近似算法的有效性。
　　 測(cè)點(diǎn)的深度由回波信號(hào)的到達(dá)時(shí)間和到達(dá)角度兩個(gè)待估參量決定，其中回波到達(dá)角度通常根據(jù)預(yù)成的波束角度

5、獲得，對(duì)于邊緣的傾斜波束，腳印明顯展寬，導(dǎo)致測(cè)深精度嚴(yán)重下降。針對(duì)邊緣波束腳印內(nèi)地形起伏導(dǎo)致回波信號(hào)表現(xiàn)出的點(diǎn)狀特征，論文采用高分辨力方位估計(jì)算法分辨波束寬度內(nèi)的多向回波信號(hào)，獲得亞波束寬度的分辨性能。具體提出了波束域多指向的基于旋轉(zhuǎn)不變技術(shù)的信號(hào)參數(shù)估計(jì)方法(Estimation of Signal Parameters via Rotational InvarianceTechniques，簡(jiǎn)寫為ESPRIT)，降低了此類算法對(duì)信噪

6、比以及樣本點(diǎn)數(shù)的要求，且計(jì)算復(fù)雜度降低。試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的加權(quán)平均時(shí)間(WeightedMean Time，簡(jiǎn)寫為WNT)或者方位偏離指示(Bearing Deviation Indicator，簡(jiǎn)寫為BDI)底檢測(cè)算法相比，波束域多指向ESPRIT算法能夠提供更好的細(xì)節(jié)分辨效果。
　　 另一方面，系統(tǒng)覆蓋范圍/分辨力要求、安裝空間限制等因素使得多波束系統(tǒng)多采用特殊形狀的接收陣列，導(dǎo)致基于均勻線陣假設(shè)的高分辨力方位估

7、計(jì)算法無(wú)法直接應(yīng)用，同時(shí)回波信號(hào)的短時(shí)平穩(wěn)性使得算法所需的協(xié)方差矩陣的估計(jì)較為困難，增加了高分辨力方位估計(jì)算法的應(yīng)用復(fù)雜度。論文通過將虛擬陣列變換、多子陣空間前后向平滑方法與波束域多指向ESPRIT算法相結(jié)合，得到適用于任意形狀平面陣的高分辨力底檢測(cè)算法，計(jì)算機(jī)仿真以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果均驗(yàn)證了算法的有效性。
　　 回波信號(hào)的到達(dá)時(shí)間和到達(dá)角度可轉(zhuǎn)化為水底的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)。由于各種干擾的影響，測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)中存在著異常值，同時(shí)測(cè)點(diǎn)分布的不均勻

8、性也不利于獲得連續(xù)的水底測(cè)線。論文提出利用最小二乘支持向量機(jī)對(duì)條帶的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，根據(jù)模型對(duì)測(cè)深數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，剔除異常值，進(jìn)一步提高模型的擬合精度。試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明，對(duì)水底地形建模既可以填補(bǔ)測(cè)量間隙，又能夠?qū)崿F(xiàn)多種算法測(cè)量結(jié)果的融合處理，提高測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的可靠性。
　　 論文在理論研究的基礎(chǔ)上完成了WMT和BDI兩種底檢測(cè)算法的信號(hào)處理機(jī)的實(shí)現(xiàn)。通過多次水池測(cè)試、湖上以及海上試驗(yàn)的實(shí)際使用，驗(yàn)證了信號(hào)處理機(jī)及其算法實(shí)現(xiàn)的有效性和