淺水多波束測(cè)深聲納關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、多波束測(cè)深聲納是當(dāng)代海底地形勘測(cè)的重要設(shè)備之一。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，淺水多波束測(cè)深聲納技術(shù)和設(shè)備也不斷發(fā)展與完善，并廣泛應(yīng)用于海底管道檢測(cè)、海底電纜鋪設(shè)、海洋工程測(cè)量、海底資源勘測(cè)、海底沉物探測(cè)、水下環(huán)境調(diào)查、水庫(kù)庫(kù)容測(cè)量、電站大壩監(jiān)測(cè)、堤防監(jiān)測(cè)以及指導(dǎo)港口與航道疏浚、水上安全航行等國(guó)防和國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)領(lǐng)域。結(jié)合當(dāng)前國(guó)內(nèi)外淺水多波束測(cè)深聲納設(shè)備及技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和國(guó)內(nèi)發(fā)展的實(shí)際需求，為進(jìn)一步提高淺水多波束測(cè)深聲納的綜合性能，本文圍繞

2、寬覆蓋高分辨測(cè)深技術(shù)、多波束近場(chǎng)聚焦技術(shù)、Multi-Ping與橫搖穩(wěn)定技術(shù)和海底地形穩(wěn)健檢測(cè)技術(shù)等四個(gè)方面展開研究，主要內(nèi)容如下：
　　第一，研究基于脈沖壓縮的寬覆蓋高分辨多波束測(cè)深技術(shù)。一方面，引入線性調(diào)頻（Linear Frequency Modulation,LFM）信號(hào)脈沖壓縮技術(shù)后，高的旁瓣電平導(dǎo)致相干測(cè)深法中兩個(gè)子陣信號(hào)的相干損失，為減少相干損失，提出了可變窗函數(shù)的LFM多波束回波信號(hào)脈沖壓縮方法。另一方面，針對(duì)LF

3、M信號(hào)脈沖壓縮運(yùn)算量較大的問題，研究了編碼信號(hào)的自相關(guān)旁瓣特性，并利用編碼信號(hào)脈沖壓縮的低運(yùn)算量特點(diǎn)，提出了基于低自相關(guān)旁瓣編碼的高分辨多波束測(cè)深技術(shù)。為進(jìn)一步降低運(yùn)算量，提出了基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（Field-Programmable Gate Array,FPGA）的編碼信號(hào)快速脈沖壓縮結(jié)構(gòu)。分別以常規(guī)連續(xù)波（Continuous-Wave,CW）窄脈沖、LFM和低自相關(guān)旁瓣編碼為探測(cè)信號(hào)進(jìn)行仿真分析和湖上試驗(yàn)，結(jié)果表明：LFM和低

4、自相關(guān)旁瓣編碼相對(duì)CW窄脈沖在測(cè)深質(zhì)量上有質(zhì)的提升；可變窗函數(shù)的LFM多波束回波信號(hào)脈沖壓縮方法減少了各波束的相干損失，降低了信噪比損失，提高了距離分辨力，提高了海底地形的測(cè)深質(zhì)量；以低自相關(guān)旁瓣編碼信號(hào)為探測(cè)信號(hào)時(shí)，脈沖壓縮更容易實(shí)時(shí)運(yùn)算，利于工程實(shí)現(xiàn)，可廣泛應(yīng)用在低成本聲納中。
　　第二，研究多波束近場(chǎng)聚焦技術(shù)。一方面，針對(duì)淺水多波束近場(chǎng)測(cè)深中發(fā)射未聚焦和單焦點(diǎn)發(fā)射聚焦導(dǎo)致航跡向分辨力下降問題，提出了基于 Kasami編碼的淺

5、水多波束近場(chǎng)多焦點(diǎn)發(fā)射聚焦方法。首先討論了單焦點(diǎn)聚焦原理，并引入具有優(yōu)越相關(guān)性的Kasami編碼信號(hào)來(lái)解決多個(gè)焦點(diǎn)信號(hào)間的相互干擾問題；其次推導(dǎo)了其發(fā)射和接收原理；然后對(duì)發(fā)射未聚焦、單焦點(diǎn)聚焦和多焦點(diǎn)聚焦等三種情況進(jìn)行了仿真對(duì)比，結(jié)果表明多焦點(diǎn)聚焦方法具有更窄的發(fā)射波束寬度和更高的積分旁瓣比（Integrated Side Lobe Ratio,ISLR）；最后進(jìn)行了水池試驗(yàn)驗(yàn)證，表明本方法顯著提高了淺水多波束近場(chǎng)測(cè)深的航跡向分辨力。另

6、一方面，針對(duì)常規(guī)多波束測(cè)深聲納接收信號(hào)處理中采用遠(yuǎn)場(chǎng)近似模型，導(dǎo)致近場(chǎng)接收波束形成的分辨力急劇下降的問題，研究了基于FPGA的多波束實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)聚焦波束形成(Real-Time DynamicFocused Beam-forming,RT-DFBF)方法。首先討論了相移聚焦波束形成的基本原理，論證了利用其解決近場(chǎng)動(dòng)態(tài)聚焦波束形成的可行性；其次深入分析了算法中各步驟運(yùn)算的實(shí)時(shí)性，并在計(jì)算精度和實(shí)時(shí)性之間做合理折衷；然后提出了一種基于FPGA的

7、實(shí)時(shí)處理結(jié)構(gòu)；最后通過水池試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的實(shí)時(shí)性、有效性和實(shí)用性。
　　第三，研究Multi-Ping與橫搖穩(wěn)定技術(shù)。一方面，在常規(guī)多波束測(cè)深中，針對(duì)遠(yuǎn)距離目標(biāo)回波信號(hào)未到達(dá)接收基陣時(shí)不能再次發(fā)射探測(cè)信號(hào)而導(dǎo)致測(cè)深幀率下降的問題，提出了基于Kasami編碼的淺水多波束Multi-Ping測(cè)深方法。首先討論了頻分復(fù)用Multi-Ping測(cè)深方法、基于Kasami編碼的并行和串行Multi-Ping測(cè)深方法的基本原理。然后通過仿真分

8、析，對(duì)比了三種方法的條帶間干擾和測(cè)深分辨力的性能，結(jié)果表明基于Kasami編碼的串行Multi-Ping測(cè)深方法具有條帶間干擾較低，且具有較高測(cè)深分辨力的特點(diǎn)。最后進(jìn)行了水池試驗(yàn)驗(yàn)證，表明該方法在保證測(cè)深分辨力的情況下，可有效的提高測(cè)量幀率，進(jìn)而提高測(cè)量效率。另一方面，橫搖角度的不斷變化，使單條測(cè)線中的覆蓋線左右不均勻，使測(cè)線間需要較高的交疊率，從而降低了測(cè)量效率。針對(duì)此問題，提出了基于FPGA的實(shí)時(shí)橫搖穩(wěn)定方法。首先研究了實(shí)時(shí)橫搖穩(wěn)定

9、的基本原理，并分析了算法中各步驟運(yùn)算的實(shí)時(shí)性。然后提出了一種FPGA實(shí)時(shí)計(jì)算結(jié)構(gòu)，并將其應(yīng)用到淺水寬覆蓋多波束測(cè)深聲納中進(jìn)行了實(shí)時(shí)性驗(yàn)證。最后利用松花湖現(xiàn)場(chǎng)橫搖數(shù)據(jù)進(jìn)行了效率驗(yàn)證，結(jié)果表明該技術(shù)能根據(jù)橫搖角度的變化，實(shí)時(shí)補(bǔ)償覆蓋線的偏離，使覆蓋線左右均勻，確保了測(cè)線的有效覆蓋寬度，提高了測(cè)量效率。
　　第四，研究海底地形穩(wěn)健檢測(cè)技術(shù)。一方面，針對(duì)“隧道效應(yīng)”導(dǎo)致虛假地形的問題，提出了基于有序統(tǒng)計(jì)恒虛警概率（Order-Statis

10、tics Constant False Alarm Rate,OS-CFAR）的隧道效應(yīng)消除技術(shù)和局部均值二分k搜索法（Local Mean Dichotomy K-FINDER,LMD-K-FINDER）。首先研究了OS-CFAR和隧道效應(yīng)的消除原理。其次研究了k搜索法（K-FINDER）、LMD-K-FINDER原理和LMD-K-FINDER在寬松k條件和滑動(dòng)條件下的快速計(jì)算方法。然后，通過仿真研究，表明該方法不僅能有效消除“隧道效

11、應(yīng)”，而且比同類快速方法有著更快的計(jì)算速度。最后通過湖上和海上試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證分析，結(jié)果表明該方法有效的避免了因“隧道效應(yīng)”產(chǎn)生的虛假地形，同時(shí)具有較低的運(yùn)算量。另一方面，在常規(guī)檢測(cè)方法中，水體中各非海底目標(biāo)回波會(huì)導(dǎo)致測(cè)深異常值的出現(xiàn)，進(jìn)而導(dǎo)致虛假地形。針對(duì)此問題，提出了基于方向預(yù)測(cè)的幀內(nèi)地形跟蹤方法。首先研究了幀內(nèi)地形跟蹤起點(diǎn)的搜索技術(shù)和基于方向預(yù)測(cè)的地形跟蹤技術(shù)。然后通過仿真分析表明，合理利用了地形連續(xù)性、信干比（Signal to I

12、nterference Radio，SIR）和幅度等信息，并采用了方向預(yù)測(cè)技術(shù)，使得幀內(nèi)地形跟蹤方法總體較為穩(wěn)健。利用其跟蹤軌跡設(shè)置合理時(shí)間窗，可有效減少常規(guī)WMT（Weight Mean Time）和相干測(cè)深法受水體非地形目標(biāo)干擾而產(chǎn)生的異常值。最后通過湖上和海上試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，結(jié)果表明：該方法對(duì)常規(guī)水體目標(biāo)干擾有較好的地形跟蹤能力；該方法實(shí)施過程中不需要上下門限信息，使得該方法盡可能少的依賴操作員，有一定的自動(dòng)性；該方法不需要前幀的數(shù)