CN104181523B - 一种基于横摇稳定策略的多波束测深方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于横摇稳定策略的多波束测深方法及系统，所述方法包含：步骤101)根据横摇稳定后的相控角β进行接收波束形成；步骤102)利用波束形成后的信号的幅相信息估计回波到达时间T₀；步骤103)根据发射面方程和接收面方程确定回波到达时刻的合成波束指向角γ；步骤104)将合成波束指向角γ作为声线的初始入射角α₀，利用回波到达时间T₀进行声速修正和坐标归位。所述步骤101)进一步包含：步骤101‑1)利用传感器记录系统工作期间接收阵列的相对姿态艏摇纵摇P，横摇R；步骤101‑2)根据横摇R计算接收相控角β_n＝θ_n+R，并根据计算得到的相控角进行时移波束形成。

Description

一种基于横摇稳定策略的多波束测深方法及系统

技术领域

本发明属于海洋技术领域，涉及一种基于横摇稳定策略的多波束测深方法及系统。

背景技术

多波束测深技术是一种具有高效率、高精度和高分辨率的海底地形测量技术，其基本测深原理是给定接收波束方向，通过波束形成方法获得该方向的回波信号，经幅值法或分裂孔径相位过零法估计回波到达时间，最后利用时间和方向计算深度值和坐标定位。一种常规多波束声纳换能器阵形为水平T型阵，发射阵列沿龙骨方向安装于船正下方，接收阵列垂直于发射阵列。由于多波束系统是固定安装在船底，系统工作期间接收阵的姿态是随船体姿态不断变化的。

载体姿态的变化会直接影响接收指向角，进而影响了多波束测深系统的性能。各参考坐标系的定义见表1，接收载体指向角θ_n为第n接收波束的方向矢量与载体坐标的负Z轴的夹角。接收航迹指向角γ_n为第n接收波束的方向矢量与航迹坐标的负Z轴的夹角。第n接收波束的波束形成相控角β_n为接收方向矢量与接收阵法向的夹角。以上指向角相对各自参考坐标系Z轴偏向左舷的为正，偏向右舷的角度为负。如果不考虑载体姿态，则相控角等于接收载体指向角，而接收航迹指向角会随载体姿态不断变化，即第n个接收波束不同时刻指向的方向是变化的。载体姿态变化剧烈时，接收航迹指向角可能会超出有效波束覆盖宽度，带来测深误差。

因此，多波束系统测深工作过程中必须进行载体姿态稳定。而由于阵列固定安装于船底，机械调整载体姿态的波束稳定方法不可行。此外，参考国外EM120技术手册有关载体姿态的内容，多波束系统通常采用调整接收波束形成的相控角进行姿态稳定，但目前并没有公开的具体算法。现有技术的接收波束姿态稳定根据实时姿态调整波束相控角，保持波束指向角γ_n为固定值，但是由于姿态测量等因素并不能实现理想的波束稳定。

发明内容

本发明的目的在于，为克服上述姿态稳定方法的不完善导致的多波束测深技术中的诸多缺陷，本发明提供一种基于横摇稳定策略的多波束测深方法及系统。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于横摇稳定策略的多波束测深方法，所述方法包含：

步骤101)根据横摇稳定后的相控角β进行接收波束形成；

步骤102)利用波束形成后的信号的幅相信息估计回波到达时间T₀；

步骤103)根据发射面方程和接收面方程确定回波到达时刻的合成波束指向角γ；

步骤104)将合成波束指向角γ作为声线的初始入射角α₀，利用回波到达时间T₀进行声速修正和坐标归位，进而完成深度探测。

上述步骤101)进一步包含：

步骤101-1)利用传感器记录系统工作期间接收阵列的相对姿态艏摇纵摇P，横摇R；

步骤101-2)根据横摇R计算接收相控角β_n＝θ_n+R，并根据计算得到的相控角进行时移波束形成。其中，θ_n为第n接收波束的方向矢量与载体坐标的负Z轴的夹角。

上述步骤102)采用幅值质心法或分裂孔径相位过零点法判断回波到达时间T₀。

上述步骤103)进一步包含：

步骤103-1)构造发射面方程的步骤，该步骤具体为：

发射不做相控时发射面为一平面，法向量为发射面上任意向量满足

步骤103-2)构造接收面方程的步骤，该步骤具体为：

接收线阵做相控波束形成后，接收主轴与接收阵法向的夹角等于相控角β_n，接收面近似为以接收阵列横向单位矢量为旋转轴的锥面，锥顶角接收面上任一向量满足

步骤103-3)合成波束指向角的单位方向矢量同时满足上述发射面方程和接收面方程，由方程组求解单位方向矢量合成波束指向角为单位方向矢量的仰角

其中，为载体坐标系下发射面法向量，Γ为载体坐标系到航迹坐标系的转换矩阵，与当前时刻的姿态有关，为载体坐标系下接收阵横轴单位矢量，为合成波束的单位方向矢量，γ_n为接收航迹指向角。

上述步骤104)进一步包含：

步骤104-1)将连续声速的垂直分布划分为多层等梯度的分层声速剖面(c_i,z_i)，第i层介质的声速梯度声线的初始入射角α₀＝γ_n(T₀)，表面声速c₀，介质分层界面的入射角与声速满足snell定律

步骤104-2)以α_i角度入射的声线在第i层的垂直传播距离H_i＝z_i+1-z_i，第i层传播时间横向传播距离R_i＝R′(sinα_i-sinα_i+1)；

步骤104-3)累计传播时间∑t_i＝T₀时刻的水深∑H_i和水平距离∑R_i，确定该接收波束对应的测深点在航迹坐标系下的水平坐标表示。

此外，本发明还提供了一种基于横摇稳定策略的多波束测深系统，所述系统包含：

波束形成模块，该模块根据横摇稳定后的相控角β进行接收波束形成；

到达时间估计模块，用于利用波束形成后的信号的幅相信息估计回波到达时间T₀；

合成波束指向角的模块，用于根据发射面方程和接收面方程确定回波到达时刻的合成波束指向角γ；

声速修正和坐标归位模块，用于将合成波束指向角γ作为声线的初始入射角α₀，利用回波到达时间T₀进行声速修正和坐标归位。

上述波束形成模块进一步包含：

信息记录子模块，用于利用传感器记录系统工作期间接收阵列的相对姿态艏摇纵摇P，横摇R；

波束形成子模块，用于根据横摇R计算接收相控角β_n＝θ_n+R，并根据计算得到的相控角进行时移波束形成。

上述到达时间估计模块采用幅值质心法或分裂孔径相位过零点法判断回波到达时间T₀。

上述合成波束指向角的模块进一步包含：

发射面方程构造子模块，用于构造发射面方程，具体为：

发射不做相控时发射面为一平面，法向量为发射面上任意向量满足

接收面方程构造子模块，用于构造接收面方程，具体为：

接收线阵做相控波束形成后，接收主轴与接收阵法向的夹角为相控角β_n，接收面近似为以接收阵列横向单位矢量为旋转轴的锥面，锥顶角接收面上任一向量满足

合成波束指向角子模块，用于合成波束指向角的单位方向矢量同时满足上述发射面方程和接收面方程，由方程组求解单位方向矢量合成波束指向角为单位方向矢量的仰角

其中，其中，为载体坐标系下发射面法向量，Γ为载体坐标系到航迹坐标系的转换矩阵，与当前时刻的姿态有关，为载体坐标系下接收阵横轴单位矢量，为合成波束的单位方向矢量，γ_n为接收航迹指向角。

上述声速修正和坐标归位模块进一步包含：

第一处理子模块，用于将连续声速的垂直分布划分为多层等梯度的分层声速剖面(c_i,z_i)，第i层介质的声速梯度声线的初始入射角α₀＝γ_n(T₀)，表面声速c₀，介质分层界面的入射角与声速满足snell定律

第二处理子模块，用于以α_i角度入射的声线在第i层的垂直传播距离H_i＝z_i+1-z_i，第i层传播时间横向传播距离R_i＝R′(sinα_i-sinα_i+1)；

坐标确定子模块，用于累计传播时间Σt_i＝T₀时刻的水深∑H_i和水平距离∑R_i，确定该接收波束对应的测深点在航迹坐标系下的水平坐标表示。

综上所述，本发明技术方案考虑到由于横摇对接收指向角的影响大于其它姿态分量，利用横摇稳定后的相控角进行接收波束形成，使接收航迹指向角γ_n稳定在较小的变化范围内，再由回波到达时刻T₀的接收航迹指向角γ_n(T₀)解算测深点。本发明提供一种多波束测深系统接收波束的稳定方法，解决载体姿态变化造成的测深定位错误问题。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明的横摇姿态稳定算法利用姿态数据实时地改变接收波束相控角，使得接收航迹指向角稳定在较小的变化区间内，确保了波束形成后信号来自有效的波束宽度覆盖范围。同时，通过解算发射面方程和接收面方程得出波达时刻对应的波达方向，进行声速修正和归位算法，降低了声速分布不均导致的声线弯曲对测深和定位精度的影响且算法在实时计算时容易实现。

附图说明

图1现有技术的载体姿态运动模型示意图；

图2是本发明提供的基于横摇稳定策略的多波束测深方法的流程框图；

图3仿真采用本发明的方案补偿后以及未采用方案补偿前横摇稳定前后接收航迹指向角变化。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明所述方法进行详细说明。

首先，介绍现有技术的与载体姿态相关的坐标系转换定义及水体声速分层模型：

载体姿态分为绕坐标轴旋转的三个旋转分量，载体横摇R左舷抬起为正，纵摇角P船艏抬起为正，艏摇角向右舷偏转为正。由于海水的波动特性，载体的瞬时姿态是不断变化的，各姿态分量大小受当下海况以及船舶的耐波性影响。

表1：坐标系定义

载体坐标系绕x轴旋转角度姿态旋转角度R，在绕经R旋转后的Y轴旋转角度P，最后绕经R、P旋转后的Z轴旋转角度可以回到航迹坐标系。两坐标系之间的转换矩阵Γ与艏摇纵摇P，横摇R有关：

载体姿态稳定后回波到达时刻T₀对应的接收航迹指向角γ_n(T₀)可由发射面方程和接收面方程计算，以作为声线跟踪的初始入射角。根据射线声学理论，不均匀的声场中声线会向声速减小的方向弯曲，所以声线的传播路径不是一条直线，测深值需要根据声速剖面进行修正。而实际水下声速剖面的复杂度并不利于声线跟踪，通常将声速垂直分布近似的划分成多层恒定梯度的分段折线代替声速连续变化的曲线，方便分层水体中的声线路径计算。累加声线在各层的双程传播时间直至其等于回波时间，对应的剖面深度值为最终测深结果。

实施例：下面以T型阵布放的收发换能器阵列介绍上述方案的具体实施过程：

当收发换能器阵列为T型阵，发射阵沿龙骨方向安装于船底，发射形成垂直航迹方向的宽波束，横向覆盖宽度大于90°。接收线阵垂直于发射阵列，由N个基元线性排列而成，相邻基元间距d，形成垂直航迹方向的接收窄波束。具体测深处理流程包含如下步骤：

1、根据横摇稳定后的相控角β进行接收波束形成，具体处理过程为：

存在接收姿态艏摇纵摇P，横摇R的情况下，横摇姿态稳定的接收相控角β_n＝θ_n+R，其中θ_n为第n接收波束方向与接收阵法向的夹角。第j个接收基元与接收子阵中心在稳定方向的声程差为假设表面声速为c，则第n个接收波束形成时延项：利用时延项进行波束形成，得到波形输出。

2、利用波形输出的信号幅相信息估计回波到达时间T₀

声信号经海底反向散射回到接收阵列，此时接收信号能量高于海底回波信号到达之前的海洋环境背景噪声和混响信号。由接收信号的幅值和相位变化情况可以估计声信号的传播时间。

幅度质心法：选择超过指定幅值门限的M点时间信号，每一时间点t_i对应信号强度I_i，由公式得到的加权平均时间即为回波到达时间。

分裂孔径相位过零法：两个接收子阵在接收主轴方向附近的回波信号相位差为时间的准线性函数，接收主轴方向上的回波信号子阵相位差为零。用最小均方误差线性拟合的方法可以估计相位差的时间过零点，得到该接收波束的回波到达时间。计算满足最小均方拟合误差的系数a,b，估计回波到达时间

正下方波束的有效阵列长度较大波束较窄，故海底回波持续时间短且幅值较高，适宜用幅值质心法估计。大倾斜角度的波束对应较大的波束宽度，海底回波持续时间较长，幅值估计法的精确度下降，但是分裂子阵的相位差准线性区变长，适合用相位过零点法估计回拨到达时间。

3、由发射面方程和接收面方程计算接收波束指向角γ_n，确定回波到达时间T₀对应的合成波束指向角γ_n(T₀)。

由于横摇随时间变化，第n波束横摇稳定波束形成后航迹指向角γ_n是一个时间变化函数。假设发射阵列是一个不做相控的平面阵，则发射为一平面。发射阵在海底的脚印由发射时刻t₀姿态决定。发射姿态为零时，发射平面的数学方程为x＝0，发射姿态不为零时法向量的航迹坐标表示变为发射平面上任意向量满足

接收线阵做相控波束形成后，接收主轴与接收阵法向的夹角为相控角β_n，接收面近似为以接收阵列横向为旋转轴的锥面。假设接收阵列横向单位矢量的载体坐标接收航迹单位方向矢量与之间的夹角为锥顶角

故航迹坐标下第n个合成波束单位方向矢量同时满足如下的发射面方程和接收面方程：

根据以上方程求解出时刻合成波束方向与航迹坐标系Z轴的夹角γ_n是一个随载体姿态时间变化而变化函数，横摇稳定后在较小的范围内变化。我们对发射平面方程x＝0，接收载体姿态情况下的正下方波束(θ＝0^°)进行仿真，分析横摇稳定前后合成波束指向角时间变化情况。图3仿真结果显示，给定姿态条件下横摇稳定前正下方接收航迹指向角变化达到10°，横摇稳定后变化范围在1°以内。

4、利用回波到达时间T₀对应的合成波束指向角γ_n(T₀)进行声速修正与归位。

合成波束指向角γ_n(T₀)是声线在接收阵列表面介质层的初始入射角，通过已知的声速剖面进行声线跟踪可估计声线的传播路径。

将连续声速的垂直分布划分为多层等梯度的分层声速剖面(c_i,z_i)，第i层介质的声速梯度声线的初始入射角α₀＝γ_n(T₀)，表面声速c₀，介质分层界面的入射角与声速满足snell定律

由射线声学可知各层的声线轨迹为一段圆弧，且圆弧半径与各层的声速梯度大小g_i成反比。以α_i角度入射的声线在第i层的垂直传播距离H_i＝z_i+1-z_i，第i层传播时间横向传播距离Ri＝R(sinα_i-sinα_i+1)R_i＝R′(sinα_i-sinα_i+1)。

累计传播时间∑t_i＝T₀时刻的水深∑H_i和水平距离∑R_i，确定该接收波束对应的测深点在航迹坐标系下的水平坐标表示。

总之，本发明提供一种针对常规船载多波束系统接收波束横摇稳定方法，以降低阵列载体姿态变化对测深精度的影响。该方法首先使用横摇稳定后的相控角β进行接收波束形成，使实际波束指向角稳定在一定范围内；其次利用波束形成后的信号的幅相信息估计回波到达时间T₀；第三，由发射面方程和接收面方程确定回波到达时刻的合成波束指向角γ；最后，将合成波束指向角γ作为声线的初始入射角α₀，利用回波到达时间T₀进行声速修正和坐标归位。该方法能够降低阵列载体姿态变化对接收波束的影响，获得实际波束形成方向的测深结果。本方法能够降低阵列载体姿态变化对接收波束的影响，获得实际波束形成方向的测深结果，是深水多波束测深系统信号处理的重要组成部分。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种基于横摇稳定策略的多波束测深方法，所述方法包含：

步骤101)根据横摇稳定后的接收相控角β_n进行接收波束形成；

步骤102)利用波束形成后的信号的幅相信息估计回波到达时间T₀；

步骤103)根据发射面方程和接收面方程确定回波到达时刻的合成波束指向角γ；

步骤104)将合成波束指向角γ作为声线的初始入射角α₀，利用回波到达时间T₀进行声速修正和坐标归位，进而完成深度探测。

2.根据权利要求1所述的基于横摇稳定策略的多波束测深方法，其特征在于，所述步骤101)进一步包含：

步骤101-1)利用传感器记录系统工作期间接收阵列的相对姿态艏摇纵摇P，横摇R；

步骤101-2)根据横摇R计算接收相控角β_n＝θ_n+R，并根据计算得到的相控角进行时移波束形成；其中，θ_n为第n接收波束的方向矢量与载体坐标的负Z轴的夹角。

3.根据权利要求1所述的基于横摇稳定策略的多波束测深方法，其特征在于，所述步骤102)采用幅值质心法或分裂孔径相位过零点法判断回波到达时间T₀。

4.根据权利要求1所述的基于横摇稳定策略的多波束测深方法，其特征在于，所述步骤103)进一步包含：

步骤103-1)构造发射面方程的步骤，该步骤具体为：

发射不做相控时发射面为一平面，法向量为发射面上任意向量满足

步骤103-2)构造接收面方程的步骤，该步骤具体为：

接收线阵做相控波束形成后，接收主轴与接收阵法向的夹角等于相控角β_n，接收面近似为以接收阵列横向单位矢量为旋转轴的锥面，锥顶角接收面上任一向量满足

步骤103-3)合成波束指向角的单位方向矢量同时满足上述发射面方程和接收面方程，由方程组求解单位方向矢量合成波束指向角为单位方向矢量的仰角

其中，为载体坐标系下发射面法向量，Γ为载体坐标系到航迹坐标系的转换矩阵，与当前时刻的姿态有关，为载体坐标系下接收阵列横向单位矢量，为合成波束的单位方向矢量，γ_n为合成波束指向角。

5.根据权利要求1所述的基于横摇稳定策略的多波束测深方法，其特征在于，所述步骤104)进一步包含：

步骤104-1)将连续声速的垂直分布划分为多层等梯度的分层声速剖面(c_i,z_i)，第i层介质的声速梯度声线的初始入射角α₀＝γ_n(T₀)，表面声速c₀，介质分层界面的入射角与声速满足snell定律

步骤104-2)以α_i角度入射的声线在第i层的垂直传播距离H_i＝z_i+1-z_i，第i层传播时间横向传播距离R_i＝R′(sinα_i-sinα_i+1)；

步骤104-3)累计传播时间∑t_i＝T₀时刻的水深ΣH_i和传播时间∑t_i＝T₀时刻水平距离∑R_i，确定该接收波束对应的测深点在航迹坐标系下的水平坐标表示。

6.一种基于横摇稳定策略的多波束测深系统，所述系统包含：

波束形成模块，该模块根据横摇稳定后的接收相控角β_n进行接收波束形成；

到达时间估计模块，用于利用波束形成后的信号的幅相信息估计回波到达时间T₀；

合成波束指向角的模块，用于根据发射面方程和接收面方程确定回波到达时刻的合成波束指向角γ；

声速修正和坐标归位模块，用于将合成波束指向角γ作为声线的初始入射角α₀，利用回波到达时间T₀进行声速修正和坐标归位。

7.根据权利要求6所述的基于横摇稳定策略的多波束测深系统，其特征在于，所述波束形成模块进一步包含：

信息记录子模块，用于利用传感器记录系统工作期间接收阵列的相对姿态艏摇纵摇P，横摇R；

波束形成子模块，用于根据横摇R计算接收相控角β_n＝θ_n+R，并根据计算得到的相控角进行时移波束形成；其中，θ_n为第n接收波束的方向矢量与载体坐标的负Z轴的夹角。

8.根据权利要求6所述的基于横摇稳定策略的多波束测深系统，其特征在于，所述到达时间估计模块采用幅值质心法或分裂孔径相位过零点法判断回波到达时间T₀。

9.根据权利要求6所述的基于横摇稳定策略的多波束测深系统，其特征在于，所述合成波束指向角的模块进一步包含：

发射面方程构造子模块，用于构造发射面方程，具体为：

发射不做相控时发射面为一平面，法向量为发射面上任意向量满足

接收面方程构造子模块，用于构造接收面方程，具体为：

接收线阵做相控波束形成后，接收主轴与接收阵法向的夹角为相控角β_n，接收面近似为以接收阵列横向单位矢量为旋转轴的锥面，锥顶角接收面上任一向量满足

合成波束指向角子模块，用于合成波束指向角的单位方向矢量同时满足上述发射面方程和接收面方程，由方程组求解单位方向矢量合成波束指向角为单位方向矢量的仰角

其中，其中，为载体坐标系下发射面法向量，Γ为载体坐标系到航迹坐标系的转换矩阵，与当前时刻的姿态有关，为载体坐标系下接收阵列横向单位矢量，为合成波束的单位方向矢量，γ_n为合成波束指向角。

10.根据权利要求6所述的基于横摇稳定策略的多波束测深系统，其特征在于，所述声速修正和坐标归位模块进一步包含：

第一处理子模块，用于将连续声速的垂直分布划分为多层等梯度的分层声速剖面(c_i,z_i)，第i层介质的声速梯度声线的初始入射角α₀＝γ_n(T₀)，表面声速c₀，介质分层界面的入射角与声速满足snell定律

第二处理子模块，用于计算以α_i角度入射的声线在第i层的垂直传播距离H_i＝z_i+1-z_i，第i层传播时间和横向传播距离R_i＝R′(sinα_i-sinα_i+1)

坐标确定子模块，用于累计传播时间∑t_i＝T₀时刻的水深∑H_i和传播时间∑t_i＝T₀时刻水平距离ΣR_i，确定该接收波束对应的测深点在航迹坐标系下的水平坐标表示。