基于多波束測深聲吶的成像技術研究.pdf

1、多波束測深聲吶是當代海底成像及海底表征最有效的工具之一，因為它們能在垂直航跡方向的寬條帶上提供共點定位的高分辨率測深數(shù)據(jù)和反向散射強度數(shù)據(jù)。深度數(shù)據(jù)形成海底地形圖，反向散射強度形成海底地貌聲圖，結合共點定位的這兩種數(shù)據(jù)就能實現(xiàn)一體化探測、有效地描繪海底特征的空間變化。目前利用多波束測深聲吶探測海底地形已經(jīng)得到了長足發(fā)展，但是利用多波束測深聲吶進行反向散射強度的水下聲學成像技術還相當不成熟。為了提高多波束測深聲吶聲學成像的質量，本文以拓展

2、國產(chǎn)淺水寬覆蓋多波束測深聲吶成像能力為目標，結合當前國內(nèi)外相關技術的研究熱點和發(fā)展趨勢，分別針對海底散射信號高精度DOA-TOA估計技術、多波束海底聲學成像方法以及成像數(shù)據(jù)修正技術、水下目標多波束一體化探測技術及其試驗驗證等幾個方面面臨的基礎理論和技術難點開展研究。具體的研究內(nèi)容包括:
　　1、研究海底散射信號高精度DOA-TOA估計技術，以提高成像位置數(shù)據(jù)的質量。分析指出了分裂波束相位差檢測法中存在相位非模糊區(qū)間和DOA估計精度

3、不能同時兼顧的問題。針對該問題，提出了一種波束域相位中心互相關(BPCCC:Beamspace Phase Center Cross-Correlation)相位差檢測法，突破了常規(guī)分裂波束測向方法的局限。該方法是相位中心互相關技術與波束形成技術的有效結合，文中不僅推導了DOA估計的數(shù)學表達公式，還推導了其在主波束內(nèi)相位差非模糊的條件和基于最小DOA估計誤差準則的最優(yōu)子陣結構。理論分析以及計算機仿真分析結果表明，該方法在一定程度上克服了

4、分裂波束相位差檢測法中存在的局限性，具有更好的估計性能。在此基礎上，借鑒多子陣檢測法綜合利用幅度相位進行回波檢測的思想，進一步提出了多子陣BPCCC檢測法。湖上試驗數(shù)據(jù)處理結果表明了新方法的有效性以及工程應用的可行性。
　　2、研究多波束測深聲吶海底聲學成像方法以及成像數(shù)據(jù)修正技術，以獲得能真實反映海底底質特征且與實際地理位置數(shù)據(jù)準確對應的高分辨海底反向散射強度數(shù)據(jù)。首先，討論了現(xiàn)有多種多波束水下成像方法，分析和對比它們的性能特點

5、，指出snippet成像法雖然在海底成像的分辨率與位置歸算的準確性方面更具優(yōu)勢，但其成像質量受波束內(nèi)海底地形起伏影響較大;為避免此影響提出了一種基于多子陣BPCCC檢測法的海底聲學成像方法。該方法對海底檢測點回波強度和位置估計使用同一個高精度、高分辨率DOA-TOA序列，因此聲強測點的位置是其在海底的實際位置且兩者數(shù)據(jù)準確對應，從而提高了成像質量。然后，考慮海洋環(huán)境及多波束測深聲吶自身的復雜性，分別對位置數(shù)據(jù)和回波強度數(shù)據(jù)進行了修正。一

6、方面，考慮了水中聲線折射現(xiàn)象對位置計算的影響解算海底各檢測點相對于基陣中心的位置，并結合GPS數(shù)據(jù)和測量船姿態(tài)數(shù)據(jù)對成像數(shù)據(jù)進行了空間歸位，獲得了實際地理位置數(shù)據(jù);另一方面，從多波束測深聲吶的聲吶方程出發(fā)，研究分析了各種海底反向散射強度的影響因素并給出了相應的修正模型，進一步討論了海底反向散射強度角度關系確定與剔除的方法，最終獲得能真實反映海底底質特征的反向散射強度數(shù)據(jù)。針對湖上試驗數(shù)據(jù)的處理給出了具體的處理方法及成像流程，處理結果驗證

7、了新方法的有效性。
　　3、從三個方面研究水下目標多波束一體化探測技術。首先，研究了多波束水下成像的另一個重要部分——多波束水體成像的成像方法以及具體成像處理流程，靜態(tài)試驗和航行動態(tài)試驗的數(shù)據(jù)處理結果表明了其對水中目標和水底目標的探測能力，并采用MVDR方法消除了干擾因素的影響對水中目標進行了有效提取。其次，在獲得的實際地理位置數(shù)據(jù)和反映真實海底特征的反向散射強度數(shù)據(jù)的基礎上，對多ping多測線聲吶圖像的形成中涉及的關鍵技術進行了