CN109471113A - 基于相位法的多波束声呐海底地形测量质量实时评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于相位法的多波束声呐海底地形测量质量实时评估方法，其特征是，多波束声呐相位法的质量因子为：式中：QF_φ代表质量因子、t_p是相位检测下的到达时刻，单位s、T₀是信号的发射脉冲宽度，单位s、k是相位差线性拟合后的斜率、δΔφ²是估计的相位标准差，本发明计算量小且容易获得，计算只涉及回波信号的一些简单特征量；判断准则简单明确，质量因子值越高，深度估计越准确；可实现测深值的实时质量监测，因为质量因子本身就是随TOA一起获得的，而且立即可用；它作为表示测深值质量水平的客观指标，可用于之后更高级的后处理算法，如CUBE算法。

Description

基于相位法的多波束声呐海底地形测量质量实时评估方法

技术领域

本发明涉及一种质量实时评估方法，尤其涉及一种基于相位法的多波束声呐海底地形测量质量实时评估方法。

背景技术

多波束声呐海底地形测量过程中，对每一次计算的测深值的误差进行客观的估计是很有必要的。实际上，由于声散射信号本质上是波动的，所以到达时间或角度的估计也都是随机的，其波动水平与接收到的回波信号的信噪比(SNR)有关。在数据采集过程中，过于嘈杂的环境下的探测值误差较大，不具有可信度，所以设备应当有识别并剔除这些数据的能力。而对于那些已经达到预设阈值并作为可靠探测值的部分，为了进一步的后期处理，应将表示它们质量水平的客观指标存储起来。

如何评判测深数据的质量并从中筛选真实有效的测深值是当前海底地形探测领域内的重要问题之一。针对这一问题，哈尔滨工程大学(博士学位论文，基于联合不确定度的多波束测深估计及海底地形成图技术，陆丹，2012)提出了多波束声呐联合不确定度测深估计方法(以下简称CUBE算法)，CUBE方法是指对海底网格节点的测深点进行统计处理和误差分析的方法，这意味着每个测点都有一个相关的置信度用来表示其测量质量，CUBE极大地提高了海底测深数据的处理效率，这种方法的难点在于如何准确的估计探测节点的测深质量。除此之外，还有一种完全理论的方法，基于对信噪比(SNR)的全面估计，它进行了详细的系统分析及对测深过程的建模，最终构建了一个深度的测量误差模型(LurtonX.Theoretical Modelling of Acoustical Measurement Accuracy for SwathBathymetric Sonars.International Hydrographic Review,2003,4(2):17-30.)。这种方法的处理效果很好，却也有非常明显的局限性，由于估计实际信噪比通常是件十分困难的事，所以，这种方法更适用于性能预测分析或者是系统设计，而不适合在常规操作环境中对现场数据进行质量监测。

发明内容

本发明的目的是为了在常规操作环境中对现场数据进行质量监测而提供一种基于相位法的多波束声呐海底地形测量质量实时评估方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于相位法的多波束声呐海底地形测量质量实时评估方法，多波束声呐相位法的质量因子为：

式中：QF_φ代表质量因子、t_p是相位检测下的到达时刻，单位s、T₀是信号的发射脉冲宽度，单位s、k是相位差线性拟合后的斜率、δΔφ²是估计的相位标准差。

本发明还包括这样一些特征：

1.当相位检测下的到达时刻位于时间窗口的中心时，多波束声呐相位法的质量因子为：

式中：QF_φ代表质量因子、t_p是相位检测下的到达时刻，单位s、T0是信号的发射脉冲宽度，单位s、k是相位差线性拟合后的斜率、Var(Δφ)是相位差在线性拟合中的方差、N是样本的个数。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)计算量小且容易获得，计算只涉及回波信号的一些简单特征量；

(2)判断准则简单明确，质量因子值越高，深度估计越准确；

(3)可实现测深值的实时质量监测，因为质量因子本身就是随TOA一起获得的，而且立即可用；

(4)它作为表示测深值质量水平的客观指标，可用于之后更高级的后处理算法，如CUBE算法。

附图说明

图1是相位法的多波束声呐海底地形测量数据处理流程图；

图2是相位法初步处理结果(深度初值)；

图3是相位法的质量因子与深度的相对误差对比；

图4是相位法海底地形测量结果。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明的目的在于要解决上述现有技术的缺点和不足，而提供一种基于相位法的多波束声呐海底地形测量质量实时评估方法，利用多波束声呐相位法检测结果，对海底地形质量进行实时评估，从而保留高质量深度测量结果，提高多波束海底地形测量质量。

利用接收阵的相干效应，海底散射回波的相位差序列可以近似为时间的一次函数：

Δφ(t)＝kt+b (1)

最小二乘法做线性回归估计斜率k和截距b，它以欧氏距离为误差度量，并且在高斯噪声的假设下是最大似然估计。

首先选择相位差误差的平方作为目标函数：

其中，N为用于相位法计算的样本数；kt_i+b为相位差以时间t_i为自变量的线性函数；Δφ_i为子阵间的实际相位差。将e分别对k和b求偏导，即可得k和b的估值：

其中，a是相位差Δφ无关的量，为：

然后得到零点时刻，也即TOA：

其中斜率k和截距b分别由式(3)和式(4)获得。

首先给出关于相位差样本的几点假设：

I.构造相位差Δφ(t_i)＝kt_i+b+ε_i。

II.稳态噪声ε_i，高斯分布，均值为零，方差为(方差齐性)。

III.样本数为N且各样本统计独立。

IV.相位差的零点时刻在时间窗口的中央。

这里需要重点解释一下假设IV，它的目的是减去截距b对t_P标准差的影响，因为在一个给定的时间窗口，零点的位置是由斜率k和截距b共同决定的，见式(6)，为了简化问题，增加零点位置在窗口中心的假设，可以减少时间标准差的一个影响因素b。

基于上述假设，在相位差的过零检测中，相位差的误差δΔφ将以斜率k投射到横轴的时间误差δt上，由于不是只在一个时间样本上进行处理，而是相邻的N个样本，这有效降低了相位差的波动水平，使时间方差δt²减小到原来的1/N，对应到δt便有：

δt_φ的下标φ表示它是与相位差相关的时间误差。上式中，斜率k可以由式(3)获得，加绝对值号是因为它的正负并不改变结果，N就是用于相位线性拟合的样本数目，δΔφ则表示相位差的误差，有：

引入t_P在时间窗口中的位置对其标准差的影响，毕竟估计的每个零点时刻都在拟合区间的中心是非常不现实的。零点位置的变动使得δΔφ不再能简单的用式(8)来表示，经典的线性回归方法给出了它的一个无偏的估计量：

可以看到当相位的零点时刻t_P在时间窗口的正中时，有式(9)退化为式(7)。

最后，得到与相位相关的时间标准差δt_φ为：

其中，k是斜率的估值；作为相位“真值”；t_P是的TOA的估值；以上三个量全部可以通过对相位做线性回归求得。此外，N是时间窗中包含的样本数；Δφ_i是实际的波动相位；是平均时间。

认为散射点在分辨单元中是等分布的，则它们在回波段的贡献服从脉冲持续时间T₀的均匀分布，由此确定的到达时间的方差为：

其中，T₀是信号的发射脉冲宽度。

使用相位法估计到达时间的标准差为：

其中，k是估计的线性相位的斜率，可以由式(12)获得；δΔφ是估计的相位标准差，可以由式(9)获得，或者直接由式(10)求δt_φ；T₀是发射信号的脉宽。

根据质量因子的定义，式(13)给出了相位检测下质量因子的表达式：

且有：

其中各个参数所代表的物理含义为：

t_P是相位检测下的到达时刻(TOA)，单位s。

T₀是信号的发射脉冲宽度，单位s。

t是时间的算术平均值，也即，时间窗口的中心，单位s。

k是相位差线性拟合后的斜率，其值可以由式(2)计算得到。

Var(Δφ)是相位差在线性拟合中的方差，其中是相位差的线性估计，在这里作为“真值”，Δφ_i是实际的相位差。

当估计的到达时间位于时间窗口的中心附近时，式(13)可以简化为：

图1为基于相位法的多波束声呐海底地形测量数据处理流程图，其中多通道数据-深度初值过程为常规多波束声呐相位法海底地形测量过程，具体流程为：①多通道数据经过正交变换后得到由正交的实部和虚部组成的复信号；②多通道数据经过正交变换后，在频域上将信号转换为零频信号和倍频信号，经过低通滤波器将倍频信号滤除，只保留零频信号，即包络；③对得到的零频包络信号进行波束形成处理，得到预设波束角下垂直于航迹向分布的多个接收波束，并得到每个波束的相位差曲线；④通过对得到的相位差曲线进行过零检测，即可得到各个预成波束角下的深度初值。质量评估-真实深度值过程为本发明重点内容，以下为具体实施方式。

本发明的质量评估方法主要针对深度初值进行二次处理，具体包括质量评估、相位法二次处理、剔除质量差数据，进而获得海底真实深度值。

质量评估过程即为质量因子计算过程，即：

且有：

图2给出了相位法的初步处理结果，即深度初值。

图3是相位法检测(SNR＝20)下的质量因子(实线)和深度误差(虚线)，可以看到二者十分切合，这表明质量因子是对测深误差的一个有效估计。

相位法二次处理为先在时间窗口的长度不变，中心定位到第一次估计的到达时刻，然后重新线性拟合。数据在二次处理后需再次进行质量评估，保留大于阈值的测深值，舍弃小于阈值的测深值。

图4是经过相位法二次处理后的海底地形测量结果。

综上所述：本发明涉及一种基于相位法的多波束声呐海底地形测量质量实时评估方法，该方法基于海底混响统计特性，采用概率统计的方法分析多波束声呐相位法相对测深误差，并由此建立相位法测深数据质量的评估模型，得到定量度量相位法深度测量不确定度的质量因子，其具有不依赖于任何设备或者水文条件的特点，能够对多波束声呐相位法获得的深度数据进行有效的质量评估。

Claims (2)

1.一种基于相位法的多波束声呐海底地形测量质量实时评估方法，其特征是，多波束声呐相位法的质量因子为：

式中：QF_φ代表质量因子、t_p是相位检测下的到达时刻，单位s、T₀是信号的发射脉冲宽度，单位s、k是相位差线性拟合后的斜率、δΔφ²是估计的相位标准差。

2.根据权利要求1所述的基于相位法的多波束声呐海底地形测量质量实时评估方法，其特征是，当相位检测下的到达时刻位于时间窗口的中心时，多波束声呐相位法的质量因子为：

式中：QF_φ代表质量因子、t_p是相位检测下的到达时刻，单位s、T0是信号的发射脉冲宽度，单位s、k是相位差线性拟合后的斜率、Var(Δφ)是相位差在线性拟合中的方差、N是样本的个数。