CN103926586A - 一种使用发射子阵的mimo阵列测深方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种使用发射子阵的MIMO阵列测深方法，发射阵的两个子阵相互平行并对齐，两个子阵的距离等于接收阵的阵元个数乘以阵元间距，子阵内部的发射信号相干，子阵之间的发射信号相互独立，且两个子阵的发射信号的自相关函数具有相同的主瓣和低旁瓣，两个子阵同时发射脉冲信号并同时照亮单个条带，接收阵采集回波，用两个发射子阵的发射信号对回波进行匹配滤波处理；对匹配滤波的输出进行多波束处理，形成多个接收波束脚印覆盖测深条带；估计回波到达时延，将时延转换为接收波束脚印的坐标，即获得该条带的离散深度。本发明在不增加接收直线阵物理尺寸和提高发射信号频率的前提下，将多波束测深系统的跨航向分辨率倍增。

Description

一种使用发射子阵的MIMO阵列测深方法

技术领域

本发明涉及一种阵列成像方法。

背景技术

安装在水下小型平台(如AUV和ROV)上的多波束测深系统通常采用Mills交叉阵，即采用相互垂直的发射直线阵和接收直线阵(de Moustier C.State of the art inswath bathymetry survey systems.International Hydrographic Review,Monaco,1988:25-54.吴英姿.多波束测深系统地形跟踪与数据处理技术研究.哈尔滨工程大学博士论文,2002.)。以Mill’s交叉阵中的十字阵为例，如图1所示(其中三角“Δ”代表发射阵元，圆圈“O”代表接收阵元)，为了不破坏AUV的线型，在布阵时，十字阵的物理尺寸均不得超出AUV的横向和纵向尺寸。如图2所示，在测深过程中，发射直线阵发射单个脉冲并“照亮”AUV正下方的一个条带。接收直线阵对该条带的回波进行多波束处理，获得该条带的离散深度值。随着AUV往前航行，可陆续获得多个条带的测深结果。将这些条带的测深结果进行综合拼接，最终可获得一片水下区域的深度值，即水下三维地形。该型测深系统的方位分辨率可分为沿航向分辨率和跨航向分辨率，如图3所示。沿航向分辨率由发射直线阵的孔径决定，而跨航向分辨率由接收直线阵的孔径决定。因此，若要提高方位分辨率，则需要提高发射直线阵和接收直线阵的有效孔径。

由于发射端使用直线阵，发射波束指向AUV正下方且每一ping(一ping指一个发射和接收周期)仅形成单个向下的发射波束。为了减小波束主瓣宽度以提高沿航向分辨率，发射直线阵可以利用大于半波长(如一个波长)的布阵方式。尽管此时会在发射波束图的边缘角度上产生栅瓣，但这些栅瓣都远离法线方向且几乎没有回波，因此不会对主瓣内的信号产生干扰(de Moustier C.State of the art in swath bathymetrysurvey systems.International Hydrographic Review,Monaco,1988:25-54.)。在接收端，接收直线阵需要进行多波束处理，因此采用传统的半波长布阵。然而，随着接收主瓣从中央波束往边缘波束移动，接收孔径会逐渐变小，波束脚印会随之扩大，即边缘波束的分辨率低于中央波束(见图3)。若要提高接收直线阵的孔径，传统方法为增加阵列尺寸或提高发射信号频率，而这又面临着AUV内部空间限制和吸收损失增加的问题。因此，如何增加接收孔径，成为提高跨航向分辨率的关键因素之一。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种测深方法，由两个发射直线阵和一个接收直线阵组成MIMO阵列，每个发射直线阵内部发射相干的信号，而发射直线阵之间发射相互独立的信号，如此便同时获得发射子阵的指向性、阵增益和MIMO系统的波形分集增益，在不增加接收直线阵物理尺寸和提高发射信号频率的前提下，将多波束测深系统的跨航向分辨率倍增。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

1)采用两个相同的均匀直线阵作为发射阵的子阵，两个子阵相互平行并各个阵元对齐，两个子阵之间的距离等于接收阵的阵元个数乘以阵元间距，每个子阵内部的发射信号相干，两个子阵之间的发射信号相互独立，且两个子阵的发射信号的自相关函数具有相同的主瓣和低旁瓣，所述接收阵采用均匀直线阵；

2)两个子阵同时发射脉冲信号并同时照亮单个条带，除该条带外，其他区域处于发射波束的旁瓣内；

3)接收阵采集回波，用两个发射子阵的发射信号对回波进行匹配滤波处理；

4)对步骤3)所述匹配滤波的输出进行多波束处理，形成多个接收波束脚印覆盖测深条带；估计回波到达时延，将时延转换为接收波束脚印的坐标，即获得该条带的离散深度。

所述两个子阵的发射信号的旁瓣峰值小于等于主瓣峰值的0.2倍，两个子阵的发射信号的互相关函数的峰值小于等于自相关函数主瓣峰值的0.2倍。

随着发射阵和接收阵所在平台的移动，重复步骤1)～步骤4)，进行逐条带处理，即获得一片区域的深度值。

本发明的有益效果是：可以在不增加接收ULA的阵列尺寸和提高发射信号频率的前提下，使接收端的方位分辨率倍增，即使得条带式测深系统跨航向分辨率倍增。

附图说明

图1是AUV携带十字阵的示意图，其中三角“Δ”代表发射阵元，圆圈“O”代表接收阵元；

图2是十字阵测深系统在工作中进行逐条带测深的示意图；

图3是单个条带上的波束脚印和分辨率示意图；

图4是本发明中设计的测深MIMO阵列示意图；

图5是与图4中MIMO阵列等效的具有更大接收孔径的虚拟十字阵示意图，其中方框“□”代表虚拟发射阵元，加号“+”代表虚拟接收阵元；

图6是本发明中主要步骤的流程图；

图7是处理单个条带回波获得单个条带测深结果的流程图；

图8(a)是MIMO阵列和十字阵的接收波束图；图8(b)是MIMO阵列和十字阵接收波束图在不同主瓣指向下的波束宽度示意图；

图9(a)是AUV正下方的三维地形示意图；图9(b)是AUV正下方所“照亮”的单条带二维地形图；图9(c)是十字阵测深结果示意图；图9(d)是MIMO阵列测深结果示意图；

图10是十字阵和MIMO阵列在21ping中的测深均方误差示意图(MSE:MeanSquare Error)。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明的主要内容有：

1.设计可用于条带式测深的MIMO阵列。该阵列由两个M0元发射均匀直线阵(ULA:Uniform Linear Array)和一条N元接收ULA组成。两个发射ULA组成一对相互平行且对齐的发射子阵，两者之间的距离等于接收ULA的阵元个数乘以接收阵元间距。每个发射ULA内部发射相干信号，两个发射ULA子阵之间发射相互独立的信号。在发射端，两个发射ULA子阵同时发射脉冲信号并同时“照亮”AUV下方的单个条带。在接收端，利用2个发射ULA上的信号拷贝对N元接收ULA上的回波进行匹配滤波，获得有效孔径为原接收ULA二倍的虚拟2N元ULA上的脉冲压缩回波。对2N个匹配滤波输出按照2N元ULA的处理方式进行多波束形成、估计波束输出的回波时延、将时延转换为坐标，即可获得测深结果。

2.通过计算机数值仿真给出了具有相同物理尺寸的MIMO阵列和传统十字阵的接收波束图，从波束图主瓣宽度这一角度来说明MIMO阵列在接收端具有更高的方位分辨率，即更高的跨航向分辨率。

3.通过计算机数值仿真给出了使用相同尺寸、相同频带窄带信号的MIMO阵列和传统十字阵的测深结果，从测深结果证明了MIMO阵列具有更高的跨航向分辨率。

本发明采用的技术方案可分为以下4个步骤：

1)设计在不增加接收阵列尺寸和不提高发射信号频率的前提下使接收端方位分辨率倍增的多波束测深阵列。本发明使用由2个发射ULA和一个接收ULA组成的MIMO阵列进行多波束测深。发射阵分为2个子阵，且两个子阵均为阵元间距为dt的M0元ULA。接收阵为N元ULA，阵元间距为d_r。两个发射ULA相互平行并对齐，两者之间的距离等于接收ULA的阵元个数乘以阵元间距。每个发射ULA内部的发射信号相干，两个发射ULA之间的发射信号相互独立。这2个发射信号的自相关函数R₁(t)和R₂(t)具有相同的主瓣和低旁瓣。具体实现时，可将旁瓣峰值设为小于等于主瓣峰值的0.2倍，同时互相关函数R_1,2(t)的峰值设为小于等于自相关函数R₁(t)和R₂(t)主瓣峰值的0.2倍。

2)按照步骤1)设计测深阵列并选取合适的发射信号后，进行信号发射与回波采集。在发射端，两个发射ULA同时发射脉冲信号并同时“照亮”AUV下方的单个条带。除了该条带外，其他区域处于发射波束的旁瓣内，因此接收ULA上的回波主要由被“照亮”的条带所贡献。由于2个发射信号互相独立，其在传播过程中互不干扰，每个发射阵元上的回波可以简化为这2种发射信号经过不同时延和不同衰减之后的时域叠加的结果。

3)采集好回波后，用2个发射子阵(即2个发射ULA)上的发射信号s₁(t)和s₂(t)对N元接收ULA上的回波进行匹配滤波处理，可获得2N个输出。当阵列参数和发射信号参数满足步骤1)的要求时，这2N个匹配滤波输出可看作虚拟十字阵上的脉冲压缩回波，该虚拟十字阵的发射阵为阵元间距为d_t的M₀元ULA，接收阵为阵元间距为dr的2N元ULA。

4)对2N个匹配滤波的输出依照2N元ULA的处理方式进行多波束处理，形成多个接收波束脚印覆盖测深条带。估计波束输出上的回波到达时延，将时延转换为波束脚印的坐标，即可获得该条带的离散深度。随着AUV等平台往前移动，进行逐条带处理，即可获得一片区域的深度值。

下面对本发明的每个步骤作详细说明：

步骤1)主要涉及MIMO测深阵列的设计，其相关理论和具体内容如下：

如图4所示，MIMO阵列的发射阵列分为2个发射子阵(在图4中分别以T1和T2表示)，每个子阵为阵元个数为M₀、阵元间距为d_t的ULA。两个发射ULA相互平行且相互对齐。接收阵为阵元个数为N、阵元间距为d_r的ULA。两个发射ULA均与接收ULA垂直。

当使用图4中的坐标系统时，MIMO阵列沿y轴的物理尺寸等于单个M₀元发射ULA的尺寸，即：

$L_{\mathrm{MLMO}}^y=(M_0-1)d_1---\left(1\right)$

MIMO阵列沿x轴的物理尺寸等于两个发射ULA之间的距离：

$L_{\mathrm{MIMO}}^x={\mathrm{Nd}}_r---\left(2\right)$

如此布阵情况下，该MIMO阵列等效为发射孔径不变、接收孔径倍增的虚拟十字阵，如图5所示，其中方框“□”代表虚拟发射阵元，加号“+”代表虚拟接收阵元。此时，MIMO阵列的发射孔径等于虚拟十字阵中发射ULA的物理尺寸，也即MIMO阵列沿y轴的物理尺寸：

$D_{\mathrm{MIMO}}^y=(M_0-1)d_t=L_{\mathrm{MIMO}}^y---\left(3\right)$

MIMO阵列的有效接收孔径等于虚拟十字阵中2N元接收ULA的物理尺寸，约为MIMO阵列中沿x轴的物理尺寸的2倍：

$D_{\mathrm{MIMO}}^x=(2N-1)d_t\≈2L_{\mathrm{MIMO}}^x---\left(4\right)$

从式(4)可知，图4中的MIMO阵列，其接收阵列的有效孔径是自身物理尺寸的2倍。因此该MIMO阵列可以在不增加物理尺寸和发射信号频率的前提下，将接收端的方位分辨率倍增。此外，发射子阵的使用可以保证进行逐条带测深，同时也获得了发射阵增益，保证了MIMO阵列的有效作用距离。

步骤2)到步骤3)主要关于信号的发射与回波的采集，其涉及的相关理论和具体内容如下：

由于2个发射子阵内部的发射信号是相干的，因此在一ping(一ping即一个发射与接收周期)内，一个发射子阵可形成发射主瓣并“照亮”一个条带。当2个发射子阵同时发射信号时，两者同时“照亮”AUV下方的一个条带。由于2个发射子阵之间的信号相互独立的，其在传播过程中互不干扰。因此，将被2个发射子阵“照亮”的条带建模为P个理想的散射点，第n(n＝1,2,…,N)个接收阵元上的信号x_n(t)可简化为这2种独立信号经P个散射点散射后的回波：

$x_n\left(t\right)=\underset{p=1}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\σ}}_p\underset{m=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}{s}_m(t-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{tm}}^p-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{tn}}^p)+n\left(t\right)---\left(5\right)$

其中，s_m(t)为第m(m＝1,2)个发射子阵上的发射信号，σ_p为第p个散射点的散射强度，为第m个发射信号到第p个散射点的时延，为第p个散射点到第n个接收阵元的时延，n(t)为噪声项，t代表时域。

用与2个发射信号的拷贝对N元接收ULA上的回波进行匹配滤波，可获得2N个输出。将第(m-1)N+n个输出表示为y_(m-1)N+n(t)，得到：

y_(m-1)N+n(t)＝x_n(t)*h_m(t)    (6)

其中为与第m个发射信号对应的匹配滤波器的冲击响应函数，上标[]^c为取共轭，*代表时域卷积，T代表发射信号长度。

低多普勒频移较下，匹配滤波处理相当于对回波求相关，因此匹配滤波器的输出可以看作是发射信号的自相关项和互相关项。式(6)可以重写为

$\begin{array}{c}{y}_{(m-1)N+n}\left(t\right)=\underset{p=1}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\σ}}_p[R_m(t-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{tm}}^p-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{rn}}^p-T)+\underset{\underset{i\≠m}{i=1}}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}{R}_{m,i}(t-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ti}}^p-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{rn}}^p-T)]+\\ n\left(t\right)*h_m\left(t\right)\end{array}---\left(7\right)$

其中，R_m(t)为第m个发射信号的自相关函数，R_m,i(t)为两个发射信号之间的互相关函数，i与m的意义一样。当发射信号与噪声相互独立且互相关函数的峰值小于等于自相关函数最大值的0.2倍时，可以将n(t)*h_m(t)和互相关项忽略。如此，式(7)可简化为

$y_{(m-1)N+n}\left(t\right)=\underset{p=1}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\σ}}_p{R}_m(t-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{tm}}^p-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{rn}}^p-T)---\left(8\right)$

为了将式(8)的自相关项送入波束形成器进行相干处理，要求自相关函数具有相同的频带。为了减少自相关函数的旁瓣干扰，也要求自相关函数具有较低的旁瓣，本发明中将自相关函数的旁瓣峰值设为小于等于主瓣峰值的0.2倍即可。

步骤4)主要是关于对匹配滤波器的输出进行多波束处理和回波时延估计，并获得最终的测深结果，其涉及的相关理论和具体内容如下：

2N个匹配滤波输出可以看做2N元虚拟接收ULA上经过脉冲压缩后的回波，因此可以将其直接当做2N元ULA的回波进行处理。以窄带信号为例，其波束形成可表示为

$B_1\left(t\right)=\underset{m=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left[w_{(m-1)N+n}\right]}^c{y}_{(m-1)N+n}\left(t\right)---\left(9\right)$

其中B_q(t)代表第q(q＝1,2,…,Q)个波束的输出，Q为接收波束个数，

$w_{(m-1)N+n}=A_{(m-1)N+n}^q\exp \{-j2\mathrm{\π}{f}_0[(m-1)N+n-1-\frac{2N-1}{2}\left]\frac{d_r\sin \left({\mathrm{\θ}}_q\right)}{c}\right\}---\left(10\right)$

为与窄带信号对应的复加权，为幅度加权，f₀为窄带信号的中心频率，θ_q为第q个接收波束的指向角。

获得多个波束输出后，对波束输出进行回波时延估计(注意此处需要减去匹配滤波器的固定时延T)。最后通过坐标转换获得单个条带的离散点深度。随着AUV往前航行，MIMO阵列可以逐条带进行测深，如此便获得一片区域的深度值。

本发明的主要步骤流程如图6所示，对回波进行处理以获得扇扫图像的流程如图7所示。

以典型的水下多波束条带式测深为例，给出本发明的实施实例。

(1)接收波束图对比

设MIMO阵列的发射子阵T1和T2均为阵元间距为λ(λ为水下100kHz声波在声速1500m/s时的波长)的16元ULA。MIMO阵列的接收阵为阵元间距为λ/2的16元ULA。为了进行对比，设有一个十字阵，其发射阵是间距为λ的16元ULA，接收阵为间距是λ/2的17元ULA。如此，MIMO阵列和十字阵的沿着y轴的物理尺寸均为15λ，沿着x轴的物理尺寸均为16×λ/2＝8λ，两者具有相同的物理尺寸。MIMO阵列和十字阵的接收波束图如图8(a)所示，两者接收波束图在不同主瓣指向下的波束宽度如图8(b)所示(其中旁瓣级为-20dB，采用了Chebyshev窗进行幅度加权，BW_-20dB为-20dB旁瓣之间的波束宽度)。由图8(a)可知，在接收端，MIMO阵列的波束图主瓣明显小于十字阵。由图8(b)可知，不同主瓣指向下，MIMO阵列波束图主瓣宽度约为十字阵的一半。由图8中接收波束图及主瓣宽度的对比结果可知，MIMO阵列在与十字阵使用相同物理尺寸和同频带窄带信号的前提下，获得更高的跨航向分辨率。

(2)测深性能对比

MIMO阵列的2个子阵(即T₁和T₂这2个发射ULA)发射同频带、等脉宽线性调频(LFM:Linear Frequency Modulation)脉冲。两个LFM脉冲的调频方向相反，其频带范围分别是96kHz-104kHz和104kHz-96kHz，脉宽均为15毫秒。传统十字阵采用频带范围是96kHz-104kHz、脉宽为15毫秒的LFM脉冲。接收阵元上的噪声为加性高斯白噪声，信噪比为4dB。接收端进行多波束处理时，采用相移波束形成，幅度加权为-20dB的Chebyshev窗。波束指向角从-44°到44°，间隔为4°，因此将每个条带划分为23个波束脚印。采用WMT法对波束输出进行时延估计。

仿真中原始地形见图9(a)。在AUV正下方z＝-60m的平面上有一圆锥形海山，该海山的顶点距离水面40m。由于对单个条带的测深结果足以说明测深系统的跨航向分辨率，因此仿真中假设AUV停留于坐标原点处，并对其正下方的条带进行21次重复测深。AUV正下方的条带的二维地形图如图9(b)所示。传统十字阵和MIMO阵列的第1次测深结果分别如图9(c)和9(d)所示。由图9(c)和9(d)可知，MIMO阵列的测深结果更为接近条带的真实地形。为了定量分析测深结果，将21ping的测深均方误差(MSE:Mean Square Error)示于图10。由图10(a)中的21ping测深结果的MSE可知，MIMO声纳的MSE在总体上均低于传统十字阵声纳。根据该定量分析的结果，可以认为由于MIMO阵列具有更高的跨航向分辨率，其测深精度高于同尺寸的十字阵声纳。

根据实施实例，可以认为：本发明中所提出的由2个发射ULA和1个接收ULA组成的MIMO阵列，可以在不增加接收ULA物理尺寸和提高发射信号频率的前提下，将测深系统的接收端方位分辨率(即跨航向分辨率)倍增。

Claims (3)

1.一种使用发射子阵的MIMO阵列测深方法，其特征在于包括下述步骤：

1)采用两个相同的均匀直线阵作为发射阵的子阵，两个子阵相互平行并各个阵元对齐，两个子阵之间的距离等于接收阵的阵元个数乘以阵元间距，每个子阵内部的发射信号相干，两个子阵之间的发射信号相互独立，且两个子阵的发射信号的自相关函数具有相同的主瓣和低旁瓣，所述接收阵采用均匀直线阵；

2)两个子阵同时发射脉冲信号并同时照亮单个条带，除该条带外，其他区域处于发射波束的旁瓣内；

3)接收阵采集回波，用两个发射子阵的发射信号对回波进行匹配滤波处理；

4)对步骤3)所述匹配滤波的输出进行多波束处理，形成多个接收波束脚印覆盖测深条带；估计回波到达时延，将时延转换为接收波束脚印的坐标，即获得该条带的离散深度。

2.根据权利要求1所述的使用发射子阵的MIMO阵列测深方法，其特征在于：所述两个子阵的发射信号的旁瓣峰值小于等于主瓣峰值的0.2倍，两个子阵的发射信号的互相关函数的峰值小于等于自相关函数主瓣峰值的0.2倍。

3.根据权利要求1所述的使用发射子阵的MIMO阵列测深方法，其特征在于：随着发射阵和接收阵所在平台的移动，重复步骤1)～步骤4)，进行逐条带处理，即获得一片区域的深度值。