多波束測深系統(tǒng)高分辨力底檢測-算法研究與系統(tǒng)實現(xiàn).pdf

1、海底地形的測量是海洋環(huán)境調(diào)查、資源開發(fā)及航行保障等工作的基礎(chǔ)，主要任務(wù)是測量海底深度，并進一步繪制海底地形圖。多波束測深系統(tǒng)利用廣角度定向發(fā)射和多通道接收技術(shù)，形成條帶狀的高密度水深數(shù)據(jù)，是一項高技術(shù)海底地形測量手段。近五十年來，多波束測深技術(shù)不斷完善，并持續(xù)朝著寬覆蓋、高分辨以及高精度的方向發(fā)展。
　　 多波束測深系統(tǒng)作為一種水聲探測設(shè)備，其性能最終取決于測量過程背后的物理機制。系統(tǒng)接收的海底后向散射回波信號在空間和時間上都是

2、連續(xù)分布的，相對于傳統(tǒng)聲納研究的點目標(biāo)而言，回波信號嚴重展寬，底部對應(yīng)的回波信號特征不明顯，信號的分辨和特征參數(shù)的估計都更為復(fù)雜，對底部回波信號檢測/估計性能的分析更具困難。
　　 多波束測深中的底檢測處理屬于含有未知參量的檢測問題，應(yīng)用時回波參量估計與水底檢測是聯(lián)合進行的，一方面估計中需用到檢驗為真的信號樣本，另一方面檢測判決需要有效參量估計的支撐。底檢測處理中的目標(biāo)為水底，面臨的問題主要包括到達角度/到達時間估計、后向散射信

3、號檢測和條帶測量模型變化檢測。
　　 論文以提高邊緣波束測量精度和水底測深數(shù)據(jù)可靠性為目的，以國家863計劃課題中的多波束淺海地形測量系統(tǒng)為研究平臺，通過估計-檢測-模型聯(lián)動的方式，圍繞著影響測線的三個主要因素(測點位置、測點深度以及測線模型)，對多波束測深中的關(guān)鍵技術(shù)--波束形成處理、底檢測處理和測深數(shù)據(jù)的模型檢測展開研究工作。
　　 首先針對多波束測深系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境，構(gòu)建了回波信號的傳播模型。對于淺海環(huán)境，信號在近距

4、離情況時以球面波的形式傳播，此時按照平面波模型處理，將會導(dǎo)致測點位置出現(xiàn)偏差。論文發(fā)展了近場聚焦處理與遠場常規(guī)處理相結(jié)合的波束形成方法，以提高波束定向的精確度以及測點的定位精度；針對近場聚焦算法計算量大，很難實時處理的問題，提出了近似的聚焦波柬形成算法，并仿真研究了近似聚焦的波束模式圖與理想情況的差別，驗證了近似算法的有效性。
　　 測點的深度由回波信號的到達時間和到達角度兩個待估參量決定，其中回波到達角度通常根據(jù)預(yù)成的波束角度

5、獲得，對于邊緣的傾斜波束，腳印明顯展寬，導(dǎo)致測深精度嚴重下降。針對邊緣波束腳印內(nèi)地形起伏導(dǎo)致回波信號表現(xiàn)出的點狀特征，論文采用高分辨力方位估計算法分辨波束寬度內(nèi)的多向回波信號，獲得亞波束寬度的分辨性能。具體提出了波束域多指向的基于旋轉(zhuǎn)不變技術(shù)的信號參數(shù)估計方法(Estimation of Signal Parameters via Rotational InvarianceTechniques，簡寫為ESPRIT)，降低了此類算法對信噪

6、比以及樣本點數(shù)的要求，且計算復(fù)雜度降低。試驗數(shù)據(jù)處理結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的加權(quán)平均時間(WeightedMean Time，簡寫為WNT)或者方位偏離指示(Bearing Deviation Indicator，簡寫為BDI)底檢測算法相比，波束域多指向ESPRIT算法能夠提供更好的細節(jié)分辨效果。
　　 另一方面，系統(tǒng)覆蓋范圍/分辨力要求、安裝空間限制等因素使得多波束系統(tǒng)多采用特殊形狀的接收陣列，導(dǎo)致基于均勻線陣假設(shè)的高分辨力方位估

7、計算法無法直接應(yīng)用，同時回波信號的短時平穩(wěn)性使得算法所需的協(xié)方差矩陣的估計較為困難，增加了高分辨力方位估計算法的應(yīng)用復(fù)雜度。論文通過將虛擬陣列變換、多子陣空間前后向平滑方法與波束域多指向ESPRIT算法相結(jié)合，得到適用于任意形狀平面陣的高分辨力底檢測算法，計算機仿真以及試驗數(shù)據(jù)分析結(jié)果均驗證了算法的有效性。
　　 回波信號的到達時間和到達角度可轉(zhuǎn)化為水底的測點數(shù)據(jù)。由于各種干擾的影響，測點數(shù)據(jù)中存在著異常值，同時測點分布的不均勻

8、性也不利于獲得連續(xù)的水底測線。論文提出利用最小二乘支持向量機對條帶的測點數(shù)據(jù)進行建模，根據(jù)模型對測深數(shù)據(jù)進行篩選，剔除異常值，進一步提高模型的擬合精度。試驗數(shù)據(jù)分析表明，對水底地形建模既可以填補測量間隙，又能夠?qū)崿F(xiàn)多種算法測量結(jié)果的融合處理，提高測點數(shù)據(jù)的可靠性。
　　 論文在理論研究的基礎(chǔ)上完成了WMT和BDI兩種底檢測算法的信號處理機的實現(xiàn)。通過多次水池測試、湖上以及海上試驗的實際使用，驗證了信號處理機及其算法實現(xiàn)的有效性和