超寬覆蓋多波束測(cè)深技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn).pdf

1、多波束測(cè)深技術(shù)是當(dāng)代海底地形勘測(cè)的一項(xiàng)高新技術(shù)和最主要的海洋調(diào)查手段之一，隨著現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展，多波束測(cè)深系統(tǒng)不斷完善其全覆蓋、高精度海底地形地貌探測(cè)能力，并廣泛應(yīng)用于國(guó)防和國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域，如石油管道檢測(cè)、海底電纜鋪設(shè)、海底資源勘測(cè)、環(huán)境調(diào)查、海底目標(biāo)探測(cè)、水庫(kù)庫(kù)容測(cè)量以及指導(dǎo)港口與河道疏浚、水上安全航行等，現(xiàn)已成為國(guó)內(nèi)外海底地形地貌勘測(cè)關(guān)鍵科學(xué)儀器之一，為眾多海洋國(guó)家所高度重視。結(jié)合當(dāng)前國(guó)內(nèi)外技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)和國(guó)內(nèi)多波束測(cè)深系統(tǒng)

2、研制的理論及實(shí)踐需求，為提高多波束測(cè)深系統(tǒng)的測(cè)量效率和數(shù)據(jù)的有效性、精確性，綜合考慮軟件算法、硬件平臺(tái)和聲學(xué)基陣等各方面因素，本文主要從以下幾個(gè)方面展開研究:基于多波束相干測(cè)深原理的超寬覆蓋海底地形探測(cè)技術(shù);超寬覆蓋多波束測(cè)深假象分析與消除技術(shù);超寬覆蓋多波束聲學(xué)基陣技術(shù);高可靠、高性能、模塊化硬件實(shí)現(xiàn)技術(shù)等。
　　首先，研究超寬覆蓋多波束相干測(cè)深技術(shù)。在超寬覆蓋條件下，傳統(tǒng)的幅度檢測(cè)法和基于過(guò)零檢測(cè)的相位差法無(wú)法在外側(cè)邊緣波束獲

3、得理想的深度估計(jì)值，采用多波束相干測(cè)深算法可以擴(kuò)大覆蓋范圍、提高地形分辨率。噪聲對(duì)多波束相干相位差估計(jì)精度影響嚴(yán)重，因此提高接收信號(hào)的信噪比有助于提高回波角度估計(jì)的精度。根據(jù)不同波束內(nèi)相位差序列的信噪比以及信號(hào)帶寬不斷變化的情況，提出使用可變帶寬濾波器來(lái)提升相位差序列的估計(jì)精度。針對(duì)相位差序列提取過(guò)程中的解相位模糊問(wèn)題，提出基于多元信息融合的解模糊方法和能夠在采樣間隔內(nèi)實(shí)時(shí)完成的多子陣對(duì)解模糊方法。對(duì)“V”型陣多波束系統(tǒng)采集的湖試數(shù)據(jù)進(jìn)

4、行分析處理，驗(yàn)證了所提出算法的有效性和實(shí)用性。
　　其次，研究超寬覆蓋多波束測(cè)深假象及其消除技術(shù)。旁瓣干擾以及FT波束形成具有主瓣和旁瓣是產(chǎn)生隧道效應(yīng)的主要原因。傳統(tǒng)的自適應(yīng)旁瓣抵消方法雖然可消除旁瓣干擾，但其運(yùn)算量大、不便于實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)。本文將全相位FFT(All-Phase FFT;apFFT)引入基陣波束域空間，與常規(guī)的FFT波束形成算法相比，全相位FFT旁瓣更低，具有更強(qiáng)的譜泄露抑制能力，能夠有效消除隧道效應(yīng)。通過(guò)對(duì)計(jì)算機(jī)仿真

5、數(shù)據(jù)以及湖上數(shù)據(jù)的處理，驗(yàn)證了此算法具有降低波束旁瓣，削弱隧道效應(yīng)的能力。基于全相位FFT和傳統(tǒng)FFT波束形成輸出結(jié)果的特點(diǎn)，提出一種新的方位估計(jì)方法，這種方法具有在關(guān)注的角度范圍內(nèi)不存在相位模糊的特點(diǎn)。通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真、兩套多波束測(cè)深系統(tǒng)的水池實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理以及湖上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，驗(yàn)證了該方位估計(jì)算法的性能。
　　再次，對(duì)超寬覆蓋多波束測(cè)深系統(tǒng)實(shí)施方案展開論證。發(fā)射和接收基陣的覆蓋能力是限制多波束測(cè)深系統(tǒng)覆蓋寬度的首要因素。通過(guò)對(duì)比國(guó)

6、外廠家寬覆蓋多波束測(cè)深系統(tǒng)，指出雙側(cè)“V”型安裝的基陣形式非常有利于提高覆蓋寬度，并對(duì)常規(guī)的雙側(cè)“V”型安裝Mills交叉陣進(jìn)行改進(jìn)，提出使用三條發(fā)射陣發(fā)射不同頻率信號(hào)覆蓋不同扇面的方法，可大幅提高覆蓋寬度。根據(jù)波束寬度等指標(biāo)，得出了發(fā)射基陣和接收基陣的各項(xiàng)參數(shù)。根據(jù)主動(dòng)聲吶方程，得出接收機(jī)放大倍數(shù)、發(fā)射機(jī)功率等指標(biāo)，用于指導(dǎo)硬件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。同時(shí)論證了系統(tǒng)的覆蓋性能，并指出影響實(shí)際覆蓋性能的因素。
　　最后，具體實(shí)現(xiàn)一套超寬覆蓋多