CN101907707A - 用于多波束合成孔径声呐的组合声基阵 - Google Patents

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李海森
徐剑
姚永红
么彬
陈宝伟
魏玉阔
朱建军
徐超
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Abstract

本发明提供的是一种用于多波束合成孔径声呐的组合声基阵。主要由一个长线性发射换能器、方位向与距离向两条接收线阵组成；接收线阵由间距均匀的一组传感器组成；方位向与距离向两条接收线阵相互垂直放置，长线性发射换能器与距离向接收线阵垂直；距离向接收线阵用于多波束形成、通过对其回波信号的波束形成处理在若干个角度上形成波束，在脉冲发射频率一定的情况下，母船的航行速度增大时，通过对方位向接收阵各阵元回波信号的合成孔径处理，去除空间欠采样引起的方位模糊。本发明利用方位向接收线阵去除空间欠采样引起的方位模糊，从而提高多波束合成孔径声呐的测绘速率，该发明工艺简单、成本低。

Description

用于多波束合成孔径声呐的组合声基阵
技术领域
本发明涉及的是一种组合声基阵。
背景技术
多波束测深声呐是当前用于海底地形测绘的最主要设备之一，它能够实现大范围的全覆盖测量，具有快速、精确的获取水下地形的能力及发现目标、识别海底类型的能力。多波束测深声呐的工作原理是利用声基阵发射和接收超声波探测脉冲信号，通过波束形成技术在若干个波束预成角方向上形成波束，然后利用信号处理手段估计出每个波束点对应的深度，从而得到海底的地形、甚至地貌信息。分辨率是多波束测深声呐的主要性能指标之一，决定了地形、地貌图像的清晰程度，也关系到是否能够观察到水下目标的结构细节。由于多波束测深声呐的声呐基阵都是安装距海底较远的测量船上，声呐投射到海底的波束脚印大，导致其航向分辨力较低。
合成孔径技术能够采用小物理孔径基阵，依靠信号处理虚拟合成大孔径基阵来提高航向分辨率。多波束合成孔径声呐是采用了合成孔径技术的多波束测深声呐，国内此前尚没有关于多波束合成孔径声呐的文献报道。出自美国专利库的专利号为US20020126577A1的《Multibeam synthetic aperture sonar》对多波束合成孔径声呐系统的组成进行了声明。该多波束合成孔径声呐系统的声基阵结构采用了传统多波束测深声呐的Mills交叉结构，该基阵结构用于多波束合成孔径声呐时存在不足之处：脉冲发射频率一定的情况下，当声呐前进速度过快时，会导致空间欠采样，从而使重构图像产生方位模糊，也就是说，这种基阵结构限制了测绘速率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够提高声呐测绘速率、同时避免方位模糊的用于多波束合成孔径声呐的组合声基阵。
本发明的目的是这样实现的：
主要由一个长线性发射换能器、方位向与距离向两条接收线阵组成；接收线阵由间距均匀的一组传感器组成；方位向与距离向两条接收线阵相互垂直放置，长线性发射换能器与距离向接收线阵垂直；距离向接收线阵用于多波束形成、通过对其回波信号的波束形成处理在若干个角度上形成波束，在脉冲发射频率一定的情况下，母船的航行速度增大时，通过对方位向接收阵各阵元回波信号的合成孔径处理，去除空间欠采样引起的方位模糊。
方位向接收阵传感器的个数N满足关系式：V＝(N·D·fr)/2，其中V是母船航行速度、fr为脉冲发射频率、D为传感器尺寸。
长线性发射换能器、方位向接收线阵和距离向接收线阵处于同一平面。
本发明的优点是：结合了多波束测深声呐和常规合成孔径声呐基阵的优点，利用两条接收线阵的垂直组合，提高多波束合成孔径声呐基阵速度的同时仍能够避免方位模糊，该发明工艺简单、成本低。通过此发明，多波束合成孔径声呐在具有方位向高分辨率的同时，能够大大提高测绘速率。
附图说明
图1单条接收线阵结构示意图；
图2一种用于多波束合成孔径声呐的组合声基阵结构示意图；
图3基阵面与基阵架组合方式示意图；
图4基阵面在母船壳体上的放置方式示意图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
本发明主要由一个长线性发射换能器、两条接收线阵组成，接收线阵由间距均匀的多个传感器组成，传感器个数和间距根据系统指标要求而定。该组合声基阵的特征在于：方位向和距离向两条接收线阵相互垂直放置、长线性发射换能器与距离向接收线阵垂直。其中距离向接收线阵用于多波束形成，通过对其回波信号的波束形成处理，能够在若干个角度上形成波束；在脉冲发射频率一定的情况下，母船的航行速度增大时，通过对方位向接收阵各阵元回波信号的合成孔径处理，能够去除空间欠采样引起的方位模糊，从而提高声呐测绘速率。方位向接收阵传感器的个数N根据系统指标要求而定，且N需满足关系式：V＝(N·D·fr)/2，其中v是母船航行速度、fr为脉冲发射频率、D为传感器尺寸，此时的母船航行速度是仅具有距离向接收线阵时的N倍。
现以具有64个传感器1的距离向接收线阵4、具有16个传感器1(方位向尺寸0.2米)的方位向接收阵5及一个长线性发射换能器3的组合声基阵为例，对本发明进行详细说明。
由上述组合声基阵的传感器尺寸及奈奎斯特采样定理可以得到相邻两发射声脉冲的距离间隔为1.7米。将该组合声基阵面6用基阵架7固定，按照图4所示的方式放置在船壳8上，发射换能器向深度为110米的海底发射探测声脉冲，形成一个120°的细长覆盖区扇面，该扇面沿航迹方向宽度为2°；距离向接收阵在垂直于航向上形成121个接收波束(垂直于航向上的波束宽度为1°)；在一个脉冲发射周期内，方位向接收阵各阵元能够接收到被照射海底的回波信号。对不同时刻各个波束的回波数据进行合成孔径处理，并利用方位向接收线阵所接收到的回波信号通过信号处理解方位模糊，便能得到每个接收波束内方位向高分辨率的海底图像。
本发明通过在航向上增加一个多传感器接收线阵2，达到了提高多波束合成孔径声呐测绘速率的同时能够避免方位模糊的目的。除上述实施例外，本发明还有其他实施方式，凡采用等同替换或等效变换形式的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种用于多波束合成孔径声呐的组合声基阵，其特征是：主要由一个长线性发射换能器、方位向与距离向两条接收线阵组成；接收线阵由间距均匀的一组传感器组成；方位向与距离向两条接收线阵相互垂直放置，长线性发射换能器与距离向接收线阵垂直；距离向接收线阵用于多波束形成、通过对其回波信号的波束形成处理在若干个角度上形成波束，在脉冲发射频率一定的情况下，母船的航行速度增大时，通过对方位向接收阵各阵元回波信号的合成孔径处理，去除空间欠采样引起的方位模糊。
2.根据权利要求1所述的用于多波束合成孔径声呐的组合声基阵，其特征是：方位向接收阵传感器的个数N满足关系式：V＝(N·D·fr)/2，其中V是母船航行速度、fr为脉冲发射频率、D为传感器尺寸。
3.根据权利要求1或2所述的用于多波束合成孔径声呐的组合声基阵，其特征是：长线性发射换能器、方位向接收线阵和距离向接收线阵处于同一平面。
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