CN109975815B - 一种水下目标多波束声纳探测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下目标多波束声纳探测系统及方法，该探测系统包括发射声纳阵和接收线阵；所述发射声纳阵位于航行器或水下拖体的前方，用于发射垂直向波束扫描目标，并在探测到水下目标时锁定所述垂直向波束的方向，沿着该垂直向波束的方向采用探照灯聚束方式发射水平向波束进行窄条带扫描；所述接收线阵位于航行器或水下拖体的舷侧，用于接收响应于发射声纳阵发射的垂直向波束或水平向波束的回波信号；本发明首先利用航行器或水下拖体艏部圆柱阵构成的多波束扫描声纳发射垂直向波束对水下目标进行宽范围的粗略扫描，探测到水下目标后锁定垂直向波束的方向，并与接收线阵联合对水下目标进行精细查证，对水下目标的探测距离远且成像分辨率高。

Description

一种水下目标多波束声纳探测系统及方法

技术领域

本发明属于水下目标成像及探测技术领域，更具体地，涉及一种多波束扫描圆柱阵和接收线阵组合的水下目标多波束声纳探测系统及方法。

背景技术

水下目标探测与定位在国防民生等领域有着重要作用，需要合适的水下成像技术和对应的信号处理方法；目前，水下目标探测技术主要包括声纳成像和光学成像，其中，声纳成像具有作用距离远、穿透能力强的优点；

多波束电子扫描全景声纳是一种采用圆弧阵换能器，在一个发射接收周期内够覆盖360°视角范围的一种电子多波束声纳，主要用于潜水作业、目标跟踪、水下作业、水下目标监控等，多波束扫描声纳的成像作用距离相对较远，但是分辨率较低。

合成孔径声呐(Synthetic Aperture Sonar，简称SAS)是一种水下高分辨率的成像设备，其基本原理是利用小孔径基阵的移动来合成虚拟大孔径，然后通过将孔径收集到的回波数据以一定的方式高效地相干叠加即可得到方位向的高分辨率。根据小孔径基阵的移动方式的不同，一般可分为条带式、聚束式等成像方式，但这两种方式的水下探测距离都不够远；这是因为通常合成孔径声纳发射阵是宽波束(40°(垂直航迹向)×18°(沿航迹向)，发射声源级不高(通常210dB左右)，最大作用距离小于1000m；另外，由于探测效率受接收声纳阵尺度的限制，2.5m长的接收阵，1000m探测距离，最大航速只有0.9m/s(这么低的速度已经很难稳定航行)，探测效率很难提高。

发明内容

针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种水下目标多波束声纳探测系统及方法，首先利用航行器或水下拖体艏部圆柱阵构成的多波束扫描声纳发射垂直向波束对水下目标进行宽覆盖范围的粗略扫描，探测到水下目标后锁定垂直向波束的方向，沿着该垂直向波束的方向采用探照灯聚束方式发射水平向波束进行窄条带扫描，并与舷侧的接收线阵联合对水下目标进行精细查证，其目的在于解决现有方法存在的探测距离和成像分辨率不能兼顾的问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种水下目标多波束声纳探测系统，包括发射声纳阵和接收线阵；

所述发射声纳阵位于航行器或水下拖体的前方，用于采用相控方式发射垂直向波束对目标进行宽覆盖范围的扫描，并在探测到水下目标时锁定所述垂直向波束的方向，沿着该垂直向波束的方向采用探照灯聚束方式发射水平向波束进行窄条带扫描；

所述接收线阵位于航行器或水下拖体的舷侧，用于在水平平面内接收响应于发射声纳阵发射的垂直向波束或水平向波束的回波信号。

优选的，上述水下目标多波束声纳探测系统还包括信号处理模块；

所述信号处理模块用于采用探照灯聚束成像方式根据所述回波信号生成全方位的水下声束剖面图，得到水下目标的三维重建图像。

优选的，上述水下目标多波束声纳探测系统，其发射声纳阵还用于在运动过程中根据航行器或水下拖体的姿态信息修正其发射的垂直向波束或水平向波束的波束角，以保证发射波束能够稳定跟踪水下目标。

优选的，上述水下目标多波束声纳探测系统，其发射声纳阵为多波束扫描圆柱阵，扫描范围为水平360°，垂直±60°，分辨率为12°×6.5°。

优选的，上述水下目标多波束声纳探测系统，其接收线阵的分辨率为12°×6.5°。

按照本发明的另一个方面，还提供了一种水下目标多波束声纳探测方法，包括以下步骤：

S1：采用相控方式发射垂直向波束，接收响应于所述垂直向波束的第一回波信号；

S2：当探测到水下目标时锁定所述垂直向波束的方向，沿着该垂直向波束的方向采用探照灯聚束方式发射水平向波束进行窄条带扫描，接收响应于所述水平向波束的第二回波信号；

S3：采用探照灯聚束成像方式根据所述第二回波信号生成全方位的水下声束剖面图，得到水下目标的三维重建图像。

优选的，上述水下目标多波束声纳探测方法，其垂直向波束和水平向波束的分辨率12°×6.5°。

优选的，上述水下目标多波束声纳探测方法，其步骤S3中包括以下子步骤：

S31：将所述第二回波信号分为两路，一路进行同相混频处理，另一路进行正交混频处理；

S32：分别从处理后的两路第二回波信号中取出实部和虚部，构成极坐标系下的目标频域信息；

S33：对所述目标频域信息进行二维差值计算，将其转换为直角坐标下的目标频域信息；

其中，(x,y)表示目标坐标值；σ(x,y)表示目标散射强度，t表示时间；R表示目标距离，c表示声速，λ为波长，P表示发射脉冲信号，t_p表示脉冲宽度，rect表示窗函数,k_x为波长沿x轴的谱域分量，k_y为波长沿y轴的谱域分量；

S34：对所述直角坐标下的目标频域信息进行二维逆傅里叶变换，得到水下目标的三维重建图像。

优选的，上述水下目标多波束声纳探测方法，其步骤S1、S2中还包括：在运动过程中根据航行器或水下拖体的姿态信息修正所述垂直向波束或水平向波束的波束角，以保证发射波束能够稳定跟踪水下目标。

优选的，上述水下目标多波束声纳探测方法，其步骤S31中还包括：对同相混频处理和正交混频处理后的第二回波信号依次进行低通滤波、A/D采样。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明提供的水下目标多波束声纳探测系统及方法，首先利用多波束扫描圆柱阵发出垂直向波束进行宽覆盖范围的粗略扫描，当探测到水下目标后，锁定垂直向波束的方向，并沿着该垂直向波束的方向采用探照灯聚束方式发射水平向波束进行窄条带精确扫描，通过舷侧的接收线阵接收回波信号；多波束扫描圆柱阵和接收线阵交替持续工作，可获得较大的时间增益又可以获得较高的空间增益，探测距离远并且成像分辨率高；

(2)本发明提供的水下目标多波束声纳探测系统及方法，多波束扫描圆柱阵在运动过程中根据航行器或水下拖体的姿态信息修正其发射的垂直向波束或水平向波束的波束角，使得发射声纳波束能够保持在指定的倾角上，以保证发射波束能够稳定跟踪水下目标，进行目标时间累积提高信噪比；同时，进行接收线阵在移动过程中的空间扩展，将阵长由原来数米提高到数十米甚至上百米，目标越远，接收线阵扩展的尺度越大，从而使得目标方位向分辨率与距离无关，远距离目标的分辨率优于2D(D为发射阵尺度)。

附图说明

图1是本发明实施例提供的水下目标多波束声纳探测系统的结构图；

图2是本发明实施例提供的多波束扫描示意图；

图3是本发明实施例提供的探照灯式滑动聚束成像示意图；

图4是本发明实施例提供的水下目标多波束声纳探测方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是本实施例所提供的一种水下目标多波束声纳探测系统的结构图，如图1所示，该探测系统包括发射声纳阵和接收线阵；

发射声纳阵位于航行器或水下拖体的艏部，用于在垂直平面内采用相控方式发射垂直向波束，该垂直向波束的垂向开角6.5°，水平开角为12～120°可调；并在探测到水下目标时锁定垂直向波束的方向，沿着该垂直向波束的方向采用探照灯聚束方式发射水平向波束进行窄条带扫描，各频带扫测条带宽度通常小于520m；图2所示是本实施例提供的多波束扫描示意图；

接收线阵位于航行器或水下拖体的舷侧，用于在水平平面内接收响应于发射声纳阵发射的垂直向波束或水平向波束的回波信号；

本实施例中，该发射声纳阵采用多波束扫描圆柱阵，多波束扫描圆柱阵安装在航行器或水下拖体艏部的水平转轴上，其具有纵倾角预先调整装置，工作倾角可以分0°，45°和90°三个档调整变化；声纳在0°倾角工作时，主要进行远距离水平大面积搜索；声纳在45°倾角工作时，前下视工作；声纳在90°倾角工作时，主要进行水下沉底目标的探测；多波束扫描圆柱阵的扫描范围为水平360°，垂直±60°(0°倾角安装)，分辨率为12°×6.5°；多波束扫描圆柱阵声纳的阵元数约32(水平)×16(垂直)，阵元采用纵向复合棒或采用π型铁氧体材料构造的磁致伸缩阵子结构，收发共置，发射/接收垂直向采用相控方式进行波束扫描，工作时可以按照预定的波束倾角进行发射和接收声信号，也可以采用分频/分时方式进行垂直向波束扫描，水平向均是进行数字波束形成；舷侧接收线阵的阵长约2.5m，32通道，分辨率1.2°×6.5°；多波束扫描圆柱阵和舷侧接收线阵的工作频段可根据需要选择，典型频段如20kHz～30kHz；本实施例取为23kHz。

本实施例中，首先利用多波束扫描圆柱阵发出垂直向波束进行宽覆盖范围的粗略扫描，此时探测到的目标分辨率较低；为了进一步提高分辨率，多波束扫描圆柱阵锁定垂直向波束的方向，沿着该垂直向波束的方向采用探照灯聚束方式发射水平向波束进行窄条带精确扫描，探照灯聚束成像方式可产生一个从上到下、从前到后的水下声束剖面图；多波束扫描圆柱阵发射的扫描波束如同探照灯一样可持续地旋转，随后切换到接收模式，由接收线阵接收回波信号，在运动过程中多波束扫描圆柱阵根据航行器或水下拖体的运动方向旋转发射声波，这样持续工作，获得成像的高增益和高分辨率；多波束扫描圆柱阵与舷侧的接收线阵联合对水下目标进行精细查证，从而提高了目标成像的分辨率。

由于多波束扫描圆柱阵的尺度较大，同时发射的是窄波束(12°×6.5°)，阵增益12dB以上，加上舷侧接收线阵的接收阵增益(10dB左右)，共计25dB强度目标探测距离可以达到5km左右，这么远的距离上是很难进行全测绘带合成孔径处理；因此，本实施例中的多波束扫描圆柱阵采用垂直向上下波束进行粗扫描，舷侧接收线阵通过水平向多波束接收目标的回波信号，当然，由于多波束扫描圆柱阵为收发共置型，因此，也可以采用圆柱阵和舷侧的接收线阵联合的方式实现目标回波信号的接收；当探测到目标后，锁定垂直向波束的方向角，在声纳水平航行过程中，声波垂直向不变，多波束扫描圆柱阵在水平方向进行探照灯式波束跟踪，一直锁定目标；这样，可以获得较大的时间增益又可以获得较高的空间增益，探测距离远并且成像分辨率高，实现目标探得远，又探得清的目的。另外，使用舷侧接收线阵可以提高声纳基阵的运动速度，本实施例提供的声纳探测系统，在5000m探测范围内，波束扫描宽度通常小于520m，2.5m舷侧阵，基阵的航行速度可达到1.9m/s，是较为合理的航行速度。

作为本实施例的一个优选，该水下目标多波束声纳探测系统还包括信号处理模块；信号处理模块主要用于采用探照灯聚束成像方式根据舷侧的接收线阵接收的回波信号生成全方位的水下声束剖面图，得到水下目标的三维重建图像。

作为本实施例的一个优选，该发射声纳阵还用于在运动过程中根据航行器或水下拖体的姿态信息修正其发射的垂直向波束或水平向波束的波束角，使得发射声纳波束能够保持在指定的倾角上，以保证发射波束能够稳定跟踪水下目标，进行目标时间累积提高信噪比；图3所示为探照灯式滑动聚束成像示意图，如图所示，通过发射波束的角度修正使前后两帧发射信号的波束中心线均锁定在多波束扫描圆柱阵探测到的水下目标上；同时，进行接收线阵在移动过程中的空间扩展，即阵长由原来数米提高到数十米甚至上百米，目标越远，接收线阵扩展的尺度越大，从而使得目标方位向分辨率与距离无关，远距离上目标的分辨率优于2D(D为发射阵尺度)。

本实施例还提供了一种水下目标多波束声纳探测方法，该方法适用于本实施例提供的水下目标多波束声纳探测系统；图4所示是本实施例提供的水下目标多波束声纳探测方法的流程图，包括以下步骤：

S1：采用相控方式发射垂直向波束对水下目标进行宽覆盖范围的粗略扫描，接收响应于该垂直向波束的第一回波信号；该垂直向波束的垂向开角6.5°，水平开角为12～120°可调；

S2：锁定垂直向波束的方向，沿着该垂直向波束的方向采用探照灯聚束方式发射水平向波束进行窄条带扫描，各频带扫测条带宽度通常小于520m；接收响应于该水平向波束的第二回波信号；本实施例中，垂直向波束和水平向波束的分辨率均为12°×6.5°；

另外，在运动过程中根据航行器或水下拖体的姿态信息实时修正上述垂直向波束或水平向波束的波束角，使得发射声纳波束能够保持在指定的倾角上，以保证发射波束能够稳定跟踪水下目标。

S3：采用探照灯聚束成像方式根据第二回波信号生成全方位的水下声束剖面图，得到水下目标的三维重建图像；探照灯式聚束成像方法可以采用极坐标法、Charp-Scaling法和距离徙动法等，本实施例采用极坐标算法进行处理，具体包括以下子步骤：

S31：将第二回波信号分为两路进行处理，一路进行同相混频处理，另一路进行正交混频处理；对同相混频处理和正交混频处理后的第二回波信号依次进行低通滤波、A/D采样；

S32：分别从处理后的两路第二回波信号中取出实部和虚部，构成极坐标系下的目标频域信息；将数据以极坐标格式记录可以消除声纳和目标间的相对转动所造成的图象散焦；

S33：对极坐标系下的目标频域信息进行二维差值计算，将其转换为直角坐标下的目标频域信息；

其中，得到的第二回波信号为：

对第二回波信号进行去调频处理后，与下述参考信号

相乘后得到的直角坐标下的目标频域信息表示如下：

其中，(x,y)表示目标坐标值；σ(x,y)表示目标散射强度，t表示时间；R表示目标距离，c表示声速，λ为波长，P表示发射脉冲信号，t_p表示脉冲宽度，rect表示窗函数,k_x为波长沿x轴的谱域分量，k_y为波长沿y轴的谱域分量。

S34：对直角坐标下的目标频域信息进行二维逆傅里叶变换，得到探测场景和水下目标的散射特性的三维重建图像。

相比于现有的水下目标探测技术，本发明提供的水下目标多波束声纳探测系统及方法，首先利用多波束扫描圆柱阵发出垂直向波束进行宽覆盖范围的粗略扫描，当探测到水下目标后，锁定垂直向波束的方向，并沿着该垂直向波束的方向采用探照灯聚束方式发射水平向波束进行窄条带精确扫描，通过舷侧的接收线阵接收回波信号；多波束扫描圆柱阵和接收线阵交替持续工作，可获得较大的时间增益又可以获得较高的空间增益，探测距离远并且成像分辨率高。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种水下目标多波束声纳探测系统，其特征在于，包括发射声纳阵和接收线阵；

所述发射声纳阵位于航行器或水下拖体的前方，用于发射垂直向波束扫描目标，并在探测到水下目标时锁定所述垂直向波束的方向，沿着该垂直向波束的方向采用探照灯聚束方式发射水平向波束进行窄条带扫描；

所述接收线阵位于航行器或水下拖体的舷侧，用于接收响应于发射声纳阵发射的垂直向波束或水平向波束的回波信号。

2.如权利要求1所述的水下目标多波束声纳探测系统，其特征在于，还包括信号处理模块；

所述信号处理模块用于采用探照灯聚束成像方式根据所述回波信号生成水下声束剖面图，得到水下目标的三维重建图像。

3.如权利要求1或2所述的水下目标多波束声纳探测系统，其特征在于，所述发射声纳阵还用于在运动过程中根据航行器或水下拖体的姿态信息修正其发射的垂直向波束或水平向波束的波束角，以保证发射波束能够稳定跟踪水下目标。

4.如权利要求3所述的水下目标多波束声纳探测系统，其特征在于，所述发射声纳阵为多波束扫描圆柱阵，扫描范围为水平360°，垂直±60°，分辨率为12°×6.5°。

5.如权利要求4所述的水下目标多波束声纳探测系统，其特征在于，所述接收线阵的分辨率为12°×6.5°。

6.一种水下目标多波束声纳探测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：发射垂直向波束扫描目标，并接收响应于所述垂直向波束的第一回波信号；

S2：锁定所述垂直向波束的方向，沿着该垂直向波束的方向采用探照灯聚束方式发射水平向波束进行窄条带扫描，并接收响应于所述水平向波束的第二回波信号；

S3：采用探照灯聚束成像方式根据所述第二回波信号生成水下声束剖面图，得到水下目标的三维重建图像。

7.如权利要求6所述的水下目标多波束声纳探测方法，其特征在于，步骤S1、S2中还包括：在运动过程中根据航行器或水下拖体的姿态信息修正所述垂直向波束或水平向波束的波束角，以保证发射波束能够稳定跟踪水下目标。

8.如权利要求6或7所述的水下目标多波束声纳探测方法，其特征在于，步骤S3中包括以下子步骤：

S31：将所述第二回波信号分为两路，一路进行同相混频处理，另一路进行正交混频处理；

S32：分别从处理后的两路第二回波信号中取出实部和虚部，构成极坐标系下的目标频域信息；

S33：对所述目标频域信息进行二维差值计算，将其转换为直角坐标下的目标频域信息；

其中，(x,y)表示目标坐标值；σ(x,y)表示目标散射强度，t表示时间；R表示目标距离，c表示声速，λ为波长，P表示发射脉冲信号，t_p表示脉冲宽度，rect表示窗函数，k_x为波长沿x轴的谱域分量，k_y为波长沿y轴的谱域分量；

S34：对所述直角坐标下的目标频域信息进行二维逆傅里叶变换，得到水下目标的三维重建图像。

9.如权利要求8所述的水下目标多波束声纳探测方法，其特征在于，步骤S31中还包括：对同相混频处理和正交混频处理后的第二回波信号依次进行低通滤波、A/D采样。

10.如权利要求6或9所述的水下目标多波束声纳探测方法，其特征在于，所述垂直向波束和水平向波束的分辨率为12°×6.5°。

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