CN110703262B - 一种效率提升的多波束测深方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种效率提升的多波束测深方法，其特征在于：具体包括以下步骤：(1)声呐读取数据并进行预处理；(2)对声呐接收到的离散的信号序列作希尔伯特变换，得到原始信号的复序列的表达形式；(3)子阵的划分；(4)作N点波束形成：(5)共轭相乘并判断门限；(6)相干信号的可变宽带滤波处理；(7)到达角度DOA；(8)水底深度值计算。本发明拟采用两种方法相结合测深技术，即对小角度入射的回波采用幅度检测法，对大角度入射的回波采用相位检测法，弥补不同检测方法本身存在的局限性，且幅度法与相位法都是先固定回波的DOA方位，然后确定对应此方位回波的TOA，遵循相同基本原理，且降低了算法结合的复杂性，提高测深效率。

Description

一种效率提升的多波束测深方法
技术领域
本发明涉及声呐探深技术领域，具体涉及一种效率提升的多波束测深方法。
背景技术
1、多波束系统测深技术：
(1)基本原理
多波束系统测深的原理是对每个交叉波束内的反向散射回波信号进行到达时间TOA(t)及到达角度DOA(θ)估计，在声速c已知的条件下利用公式
Figure GDA0003961042080000011
Figure GDA0003961042080000012
得到深度值，测深原理图如图1所示。
(2)传统方法
已经有很多技术被用来估计回波信号的DOA和TOA，可以将其归为三类:
①、预先固定DOA，然后估计对应于该方位回波的TOA；
②、基于分裂子阵相关器，估计回波的TOA；
③、估计每一个时间样本中，回波包含的所有DOA。
虽然这三种方法各具特点，但基本思路都是通过发射波束和接收波束对海底进行Mills交叉采样，第一类和第二类方法都是先固定回波的DOA方位，然后确定对应此方位回波的TOA；而第三类方法是针对每个时间片(相当于固定回波的TOA)，确定对应此时间片的回波的DOA方位，多波束的接收示意图如图3所示。
2、基于幅度的加权平均时间技术(WMT)，即幅度检测法
第一类方法通常和己预成波束的波束形成器联系在一起。在Mills交叉采样后，可以通过已预成波束间的内插来进行修正，但必须假定这个到达角是已知的，形成一系列按照波束角分布的波束输出序列回波DOA，然后，对其进行TOA(海底回波到达时间)估计就得到与波束数相同数量的海底深度。WMT的基本问题就是估计每一个波束主轴方向海底信号的到达时间。估计值的获取是从接收到的采样后的回波幅度序列中挑选超过一定的噪声或者旁瓣门限的样本，然后对挑选出的样本计算时间采样指数加权平均，而用来平均的权值一般取为挑选出的样本的幅度。
这种方法对于镜像区域的海底回波检测非常有效，因为此时波束信号的幅度非常尖锐。而对于倾斜入射的海底回波，由于回波持续时间长，因此准确地判断海底回波到达时刻是困难的。为了解决这一问题，在多波束测深声呐中采用了相位差检测的方法来提高倾斜波束回波TOA估计的精度，该算法通过检测相位差为零的时刻来确定回波到达的时间，即第二类方法。
3、相位检测法
第二类方法涉及了分裂孔径相关技术的多种实现。它一般将基阵分裂为多个子阵，这些子阵往往是重叠的，中心间隔若干个阵元问隔(最小为一个阵元间隔)。对每个子阵预成若干个波束，在相应的一对波束中，接收到的信号被转换为相位复矢量，得到相位差估计序列，然后通过寻找相位差序列的过零点来估计那个波束轴方位对应的TOA。这个零点对应了两个子阵同号波束内回波同相到达的时刻，是两个子阵的实际孔径在垂直于回波到达方位平面上的投影，也是与船龙骨垂直平面内波束最大响应轴出现的时刻。这种方法被称为相位检测法。
(1)相位偏差的测量
子阵相干探测方法使用相位信息来估计海底深度，因此海底回波相位估计精度与探测精度直接相关。
假设两个子阵列(具有相同数量的阵列元素)的中心间距是a，发射信号的波长是位，接收阵列的倾斜角是β，信号的波束角是θ，那么两个子阵列之间的相位差可写为：
Figure GDA0003961042080000021
Figure GDA0003961042080000022
而相位误差测量的精度取决于接收阵上的信噪比，两者之间的关系为：
Figure GDA0003961042080000031
其中d表示接收阵的信噪比。于是，可以得到多波束相干测深算法角度估计误差和信噪比之间的关系：
Figure GDA0003961042080000032
深度误差又可以表示为：
Figure GDA0003961042080000033
(2)基线解相关
由于海床的连续性并且脉冲具有一定宽度，实际声音信号足迹范围从十厘米到几米。在如此大的声音足迹中处理仅仅是一个散射点显然是不合适的。因此，海底回波信号模型不应被视为单个散射体，而应视为多个散射体，并且每个散射体将影响相位差并将估计的误差带入海底回波角。
假设声音足迹的散射表面包含许多单独的散射体。多个散射体的组合效应导致两个接收子阵列上的反向散射信号的微小差异，导致在两个相邻子阵列之间接收海底反向散射信号的相干性损失。两个子阵列的接收信号的相关性将减小，这称为基线解相关效应。然后，即使观察信号的方向位于声音足迹的中心，估计的角度误差(其与散射体的膨胀具有直接关系)仍然可能是显着的。它也可以近似为信号处理中的等效噪声源。如图4所示，x0是脚印的中心位置,Δx是脚印的宽度。足迹中有许多散射点，因此子阵列A的接收信号可写为：
Figure GDA0003961042080000034
子阵列B的接收信号可以表示为：
Figure GDA0003961042080000035
这种处理对应的等效信噪比d为：
Figure GDA0003961042080000041
其中，
Figure GDA0003961042080000042
Figure GDA0003961042080000043
目前使用的单一多波束测深方法存在弊端，对于垂直海底及邻近波束，幅度法精度较高，相位法精度很差；对于偏离垂直海底的波束，幅度法精度很差，相位法精度高，而且传统的频域波束形成法具有沉重的计算负担并且相位保真度差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种效率提升的多波束测深方法来解决现有技术中的单一多波束测深方法无法解决不同角度的波束适用不同的测深方法的问题。
为解决以上技术问题，本发明的技术方案为：提供一种效率提升的多波束测深方法，其创新点在于：具体包括以下步骤：
(1)声呐读取数据并进行预处理
使用声纳的发射阵向海底发射声波信号，声波信号被激励的海底条带上的散射点散射的回波被声呐的接收阵接收，接收阵接收到的原始信号数据经过采样的预处理后为离散的信号序列；
其中，声呐发射声波信号的环境为水深为H，声纳的工作频率为f，发射信号的脉冲宽度为t，接收基阵的子阵数为N，子阵间距为0.5倍波长λ，恒定声速为c，海水的声吸收系数为a，海底的反射强度为TS；
所述海水的声吸收系数为a由Throp公式计算得出，海底的反射强度TS由Lambert公式计算得到，海底的反射强度TS的值随水底回波的入射角度θ变化；(2)作希尔伯特变换
对声呐接收到的离散的信号序列作希尔伯特变换，得到原始信号的复序列的表达形式；
(3)子阵的划分
将接收阵分为若干个子阵，将接收阵上的相邻的两个子阵的复信号进行共轭相乘，对其求模得到信号幅度；
(4)作N点波束形成
根据接收阵的子阵划分形式对每一子阵通过DFT波束形成技术做波束形成；
(5)共轭相乘并判断门限
将形成的相同波束方向上一对相邻的子阵的信号共轭相乘得到相干信号，判断每个采样时刻的动态门限，并计算每一个波束控制方向θi波束对应的回波到达时间TOA；
(6)相干信号的可变宽带滤波处理
为了得到可靠性更高的相干信号对共轭相乘后的相干信号做滤波处理，用于滤波处理的滤波器的系数通过上一个收发周期内同方向波束内的深度信息确定；
(7)到达角度DOA
根据角度估计误差判断准则，确定相应波束的到达角度DOA；
其中，所述角度估计误差判断准则为：回波波束角大于0.5rad的非镜像区域采用相位检测法，回波波束角小于0.5rad的非镜像区域采用幅度检测法；
(8)水底深度值计算
根据公式
Figure GDA0003961042080000051
可得到探测点的水下深度值为：
Figure GDA0003961042080000052
其中，c为恒定声速；t为发射信号的脉冲宽度；θ为水底回波的入射角度；
Figure GDA0003961042080000053
为探测点回波的掠角；tp为双向回波时间；β为接收阵列倾斜角；
Figure GDA0003961042080000054
为接收阵列的波束角。
进一步的，所述步骤(4)中波束形成的方法为：对于具有M个元素的均匀线性阵列ULA，第n个波束的输出可以表示为:
Figure GDA0003961042080000061
Figure GDA0003961042080000062
其中，s(t)是源信号；θ是水底回波的入射角；c是恒定声速；Nm(t)是时间t的第m个元素的噪声；xm(t)是时间t的第m个元素的接收信号；wm是第m个元素的加权因子；fs是采样频率；
假设存在具有N个元素的ULA，则阵列元素间隔为d。将整个ULA划分为多个子阵列，每个子阵列的阵列元素数量为M，两个相邻子阵列之间的空间为Ld，所以当选择第k号波束时，输出的第i号子阵可以表示为：
Figure GDA0003961042080000063
将长度为N0的接收信号在门限(tmin,tmax)内分割成若干段，据发射信号的脉冲宽度，每段长度取n0，分段数量为
Figure GDA0003961042080000064
换句话说，相比传统方法一个接收信号只获得一个探测点，可以从一个接受信号更加高效率地得到L0个探测点；其中Ts为海底的反射强度；
从yi,k(t)中选择长度为n0的有效接收信号的第p段，并计算Nt点FFT，这样就可以得到:
Figure GDA0003961042080000065
假设θk是第k号波束角，则：
Figure GDA0003961042080000066
Figure GDA0003961042080000071
Figure GDA0003961042080000072
对带宽内每个频率点做幅度加权平均，
Figure GDA0003961042080000073
由此可得所取探测点所代表接收阵列的波束角θ，再计算该探测点回波的掠角
Figure GDA0003961042080000074
其中β是接收阵列倾斜角。
进一步的，所述步骤(5)中判断动态门限的公式为：
Figure GDA0003961042080000075
对于每一个波束控制方向θi，将各采样点上与θi对应的回波幅度Aij按时间顺序进行排列，然后利用起始、终止门剔除门外数据，计算时舍弃落在动态门限以下的数据，最终保留的数据只是包含在起始、终止门内，且超过了门限的时间片的数据，θi方向波束对应的回波到达时间TOA的计算方法为：利用保留下来的数据通过以下公式的幅度加权平均计算出TOA：
Figure GDA0003961042080000076
进一步的，所述步骤(7)中计算到达角度DOA的方法为：在回波波束角大于0.5rad的非镜像区域，采取相位检测法，波束内长的回波时间对应了长的相位差曲线，通过曲线拟合，能够较好的找到相位差曲线的过零点，来确定相应波束的DOA，曲线拟合公式为：
Figure GDA0003961042080000077
由此计算出双向回波时间，计算公式为：
Figure GDA0003961042080000081
。
本发明和现有技术相比，产生的有益效果为：
(1)本发明拟采用两种方法相结合测深技术，即对小角度入射的回波采用幅度检测法，对大角度入射的回波采用相位检测法，弥补不同检测方法本身存在的局限性，且幅度法与相位法都是先固定回波的DOA方位，然后确定对应此方位回波的TOA，遵循相同基本原理，且降低了算法结合的复杂性，提高测深效率。
(2)本发明采用一种包含相位信息(即接收阵列的波束角)的时域波束形成方法，既适用于幅度法又适用于相位法，从而达到算法效率提升的目的。
附图说明
为了更清晰地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为倾斜波束的测深原理图。
图2为多波束接收示意图。
图3为经过FFT处理后的数据块示意图。
图4为两个子阵列的接收信号示意图。
图5为本发明一种效率提升的多波束测深方法的步骤流程图。
图6为本发明一种效率提升的多波束测深方法波束幅度序列的处理示意图。
图7为线解相关引起的角度估计误差随入射角度变化的关系图。
图8为基线解相关引起的深度估计的相对误差随入射角度变化的关系。
图9为多波束相位差序列的示意图。
图10为本发明的一种效率提升的多波束测深方法的仿真数据处理结果。
具体实施方式
下面将通过具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明提供一种效率提升的多波束测深方法，其方法流程如图5所示，具体包括以下步骤：
(1)声呐读取数据并进行预处理
使用声纳的发射阵向海底发射声波信号，声波信号被激励的海底条带上的散射点散射的回波被声呐的接收阵接收，接收阵接收到的原始信号数据经过采样的预处理后为离散的信号序列；其中，声呐发射声波信号的环境为水深为H，声纳的工作频率为f，发射信号的脉冲宽度为t，接收基阵的子阵数为N，子阵间距为0.5倍波长λ，恒定声速为c，海水的声吸收系数为a，海底的反射强度为TS。
海水的声吸收系数为a由Throp公式计算得出，海底的反射强度TS由Lambert公式计算得到，海底的反射强度TS的值随水底回波的入射角度θ变化。
(2)作希尔伯特变换
对声呐接收到的离散的信号序列作希尔伯特变换，得到原始信号的复序列的表达形式；
(3)子阵的划分
将接收阵分为若干个子阵，将接收阵上的相邻的两个子阵的复信号进行共轭相乘，对其求模得到信号幅度，以方便进行幅度的加权平均时间技术，同时共轭相乘的处理也是为进行另一种相位差检测法做准备。两种方法采用同一种预处理形式，也是出于基于效率提升的算法的考虑。
(4)作N点波束形成
由于DFT波束形成基于快速的傅立叶变换，具有很高的运算速度，从而达到算法效率提升的目的。所以根据接收阵的子阵划分形式对每一子阵通过DFT波束形成技术做波束形成；对于不同的多波束测深技术，需要的波束形成方法也不同，由于本发明采用幅度与相位相结合的测深方法，且要达到高效测深的目的，所以采用通过不同接收器阵列元件的时间延迟来形成波束，以确保降低算法的计算负担。其中，波束形成的具体方法为：对于具有M个元素的均匀线性阵列ULA，第n个波束的输出可以表示为:
Figure GDA0003961042080000101
Figure GDA0003961042080000102
其中，s(t)是源信号；θ是水底回波的入射角；c是恒定声速；Nm(t)是时间t的第m个元素的噪声；xm(t)是时间t的第m个元素的接收信号；wm是第m个元素的加权因子；fs是采样频率；
假设存在具有N个元素的ULA，则阵列元素间隔为d。将整个ULA划分为多个子阵列，每个子阵列的阵列元素数量为M，两个相邻子阵列之间的空间为Ld，所以当选择第k号波束时，输出的第i号子阵可以表示为：
Figure GDA0003961042080000103
将长度为N0的接收信号在门限(tmin,tmax)内分割成若干段，据发射信号的脉冲宽度，每段长度取n0，分段数量为
Figure GDA0003961042080000104
如图6所示，换句话说，相比传统方法一个接收信号只获得一个探测点，可以从一个接受信号更加高效率地得到L0个探测点；其中Ts为海底的反射强度；
从yi,k(t)中选择长度为n0的有效接收信号的第p段，并计算Nt点FFT，这样就可以得到:
Figure GDA0003961042080000105
假设θk是第k号波束角，则：
Figure GDA0003961042080000111
Figure GDA0003961042080000112
Figure GDA0003961042080000113
对带宽内每个频率点做幅度加权平均，
Figure GDA0003961042080000114
由此可得所取探测点所代表接收阵列的波束角
Figure GDA0003961042080000115
再计算该探测点回波的掠角
Figure GDA0003961042080000116
其中β是接收阵列倾斜角。
(5)共轭相乘并判断门限
将形成的相同波束方向上一对相邻的子阵的信号共轭相乘得到相干信号，判断每个采样时刻的动态门限，并计算每一个波束控制方向θi波束对应的回波到达时间TOA，其中，判断动态门限的公式为：
Figure GDA0003961042080000117
对于每一个波束控制方向θi，将各采样点上与θi对应的回波幅度Aij按时间顺序进行排列，然后利用起始、终止门剔除门外数据，计算时舍弃落在动态门限以下的数据，最终保留的数据只是包含在起始、终止门内，且超过了门限的时间片的数据，θi方向波束对应的回波到达时间TOA的计算方法为：利用保留下来的数据通过以下公式的幅度加权平均计算出TOA：
Figure GDA0003961042080000118
(6)相干信号的可变宽带滤波处理
为了得到可靠性更高的相干信号对共轭相乘后的相干信号做滤波处理，用于滤波处理的滤波器的系数通过上一个收发周期内同方向波束内的深度信息确定；
(7)到达角度DOA
根据角度估计误差判断准则，确定相应波束的到达角度DOA。
根据多波束相干测深算法角度误差估计随信噪比变化的关系式，这里主要研究基线解相关因素对于多波束测深声纳海底探测的角度估计和深度估计的影响，在不考虑加性噪声的影响、接收阵和发射阵的情况下。多波束测深声纳角度估计误差和深度估计的相对误差随入射角度的变化关系，分别选取子阵间距为10、20和30倍的波长，从图7和8中可以看出角度和深度估计的误差随着回波入射角度的增加不断减小，并趋近于0，同时不同子阵间距条件下的角度和深度估计误差曲线在回波入射角度大于0.5rad时就趋于重合。在倾斜入射角度上，由于回波信号展宽，幅度检测法不能给出高精度的TOA估计，而相位检测法却能有较好的性能，为了实现超宽覆盖并提高多波束测深算法效率，使用幅度-相位结合算法，并按回波波束角0.5rad为判决准则来实现。
综上，角度估计误差判断准则为：回波波束角大于0.5rad的非镜像区域采用相位检测法，回波波束角小于0.5rad的非镜像区域采用幅度检测法。
计算到达角度DOA的方法为：在回波波束角大于0.5rad的非镜像区域，采取相位检测法，波束内长的回波时间对应了长的相位差曲线，通过曲线拟合，能够较好的找到相位差曲线的过零点，来确定相应波束的DOA，如图9所示，曲线拟合公式为：
Figure GDA0003961042080000121
由此计算出双向回波时间，计算公式为：
Figure GDA0003961042080000122
。
(8)水底深度值计算
根据公式
Figure GDA0003961042080000123
可得到探测点的水下深度值为：
Figure GDA0003961042080000131
其中，c为恒定声速；t为发射信号的脉冲宽度；θ为水底回波的入射角度；
Figure GDA0003961042080000132
为探测点回波的掠角；tp为双向回波时间；β为接收阵列倾斜角；
Figure GDA0003961042080000133
为接收阵列的波束角。
根据本发明的一种效率提升的多波束测深方法所得的测深仿真数据如图10所示。
上面所述的实施例仅仅是本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域中普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进均应落入本发明的保护范围，本发明的请求保护的技术内容，已经全部记载在技术要求书中。

Claims (4)

1.一种效率提升的多波束测深方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
(1)声呐读取数据并进行预处理
使用声纳的发射阵向海底发射声波信号，声波信号被激励的海底条带上的散射点散射的回波被声呐的接收阵接收，接收阵接收到的原始信号数据经过采样的预处理后为离散的信号序列；
其中，声呐发射声波信号的环境为水深为H，声纳的工作频率为f，发射信号的脉冲宽度为t，接收基阵的子阵数为N，子阵间距为0.5倍波长λ，恒定声速为c，海水的声吸收系数为a，海底的反射强度为TS；
所述海水的声吸收系数为a由Throp公式计算得出，海底的反射强度TS由Lambert公式计算得到，海底的反射强度TS的值随水底回波的入射角度θ变化；
(2)作希尔伯特变换
对声呐接收到的离散的信号序列作希尔伯特变换，得到原始信号的复序列的表达形式；
(3)子阵的划分
将接收阵分为若干个子阵，将接收阵上的相邻的两个子阵的复信号进行共轭相乘，对其求模得到信号幅度；
(4)作N点波束形成
根据接收阵的子阵划分形式对每一子阵通过DFT波束形成技术做波束形成；
(5)共轭相乘并判断门限
将形成的相同波束方向上一对相邻的子阵的信号共轭相乘得到相干信号，判断每个采样时刻的动态门限，并计算每一个波束控制方向θi波束对应的回波到达时间TOA；
(6)相干信号的可变宽带滤波处理
为了得到可靠性更高的相干信号对共轭相乘后的相干信号做滤波处理，用于滤波处理的滤波器的系数通过上一个收发周期内同方向波束内的深度信息确定；
(7)到达角度DOA
根据角度估计误差判断准则，确定相应波束的到达角度DOA；
其中，所述角度估计误差判断准则为：回波波束角大于0.5rad的非镜像区域采用相位检测法，回波波束角小于0.5rad的非镜像区域采用幅度检测法；
(8)水底深度值计算
根据公式
Figure FDA0003961042070000021
可得到探测点的水下深度值为：
Figure FDA0003961042070000022
其中，c为恒定声速；t为发射信号的脉冲宽度；θ为水底回波的入射角度；
Figure FDA0003961042070000026
为探测点回波的掠角；tp为双向回波时间；β为接收阵列倾斜角；
Figure FDA0003961042070000027
为接收阵列的波束角。
2.根据权利要求1所述的一种效率提升的多波束测深方法，其特征在于：所述步骤(4)中波束形成的方法为：对于具有M个元素的均匀线性阵列ULA，第n个波束的输出可以表示为:
Figure FDA0003961042070000023
Figure FDA0003961042070000024
其中，s(t)是源信号；θ是水底回波的入射角度；c是恒定声速；Nm(t)是时间t的第m个元素的噪声；xm(t)是时间t的第m个元素的接收信号；wm是第m个元素的加权因子；fs是采样频率；
假设存在具有N个元素的ULA，则阵列元素间隔为d，将整个ULA划分为多个子阵列，每个子阵列的阵列元素数量为M，两个相邻子阵列之间的空间为Ld，所以当选择第k号波束时，输出的第i号子阵可以表示为：
Figure FDA0003961042070000025
将长度为N0的接收信号在门限(tmin,tmax)内分割成若干段，据发射信号的脉冲宽度，每段长度取n0，分段数量为
Figure FDA0003961042070000031
换句话说，相比传统方法一个接收信号只获得一个探测点，可以从一个接受信号更加高效率地得到L0个探测点；其中Ts为海底的反射强度；
从yi,k(t)中选择长度为n0的有效接收信号的第p段，并计算Nt点FFT，这样就可以得到:
Figure FDA0003961042070000032
假设θk是第k号波束角，则：
Figure FDA0003961042070000033
Figure FDA0003961042070000034
Figure FDA0003961042070000035
对带宽内每个频率点做幅度加权平均，
Figure FDA0003961042070000036
由此可得所取探测点所代表接收阵列的波束角
Figure FDA0003961042070000039
再计算该探测点回波的掠角
Figure FDA0003961042070000037
其中β是接收阵列倾斜角。
3.根据权利要求2所述的一种效率提升的多波束测深方法，其特征在于：所述步骤(5)中判断动态门限的公式为：
Figure FDA0003961042070000038
对于每一个波束控制方向θi，将各采样点上与θi对应的回波幅度Aij按时间顺序进行排列，然后利用起始、终止门剔除门外数据，计算时舍弃落在动态门限以下的数据，最终保留的数据只是包含在起始、终止门内，且超过了门限的时间片的数据，θi方向波束对应的回波到达时间TOA的计算方法为：利用保留下来的数据通过以下公式的幅度加权平均计算出TOA：
Figure FDA0003961042070000041
4.根据权利要求2所述的一种效率提升的多波束测深方法，其特征在于：所述步骤(7)中计算到达角度DOA的方法为：在回波波束角大于0.5rad的非镜像区域，采取相位检测法，波束内长的回波时间对应了长的相位差曲线，通过曲线拟合，能够较好的找到相位差曲线的过零点，来确定相应波束的DOA，曲线拟合公式为：
Figure FDA0003961042070000042
由此计算出双向回波时间，计算公式为：
Figure FDA0003961042070000043
。
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