一種基于橫搖穩(wěn)定策略的多波束測(cè)深方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種基于橫搖穩(wěn)定策略的多波束測(cè)深方法及系統(tǒng)，所述方法包含：步驟101）根據(jù)橫搖穩(wěn)定后的相控角β進(jìn)行接收波束形成；步驟102）利用波束形成后的信號(hào)的幅相信息估計(jì)回波到達(dá)時(shí)間T0；步驟103）根據(jù)發(fā)射面方程和接收面方程確定回波到達(dá)時(shí)刻的合成波束指向角γ；步驟104）將合成波束指向角γ作為聲線的初始入射角α0，利用回波時(shí)間T0進(jìn)行聲速修正和坐標(biāo)歸位。所述步驟101）進(jìn)一步包含：步驟101-1）利用傳感器記錄系統(tǒng)工作期間接收陣列的相對(duì)姿態(tài)艏搖縱搖P，橫搖R；步驟101-2）根據(jù)橫搖角度R計(jì)算接收相控角βn＝θn+R，并根據(jù)計(jì)算得到的相控角進(jìn)行時(shí)移波束形成。
【專利說明】
一種基于橫搖穩(wěn)定策略的多波束測(cè)深方法及系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于海洋【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種基于橫搖穩(wěn)定策略的多波束測(cè)深方法及系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]多波束測(cè)深技術(shù)是一種具有高效率、高精度和高分辨率的海底地形測(cè)量技術(shù)，其基本測(cè)深原理是給定接收波束方向，通過波束形成方法獲得該方向的回波信號(hào)，經(jīng)幅值法或分裂孔徑相位過零法估計(jì)回波到達(dá)時(shí)間，最后利用時(shí)間和方向計(jì)算深度值和坐標(biāo)定位。一種常規(guī)多波束聲納換能器陣形為水平T型陣，發(fā)射陣列沿龍骨方向安裝于船正下方，接收陣列垂直于發(fā)射陣列。由于多波束系統(tǒng)是固定安裝在船底，系統(tǒng)工作期間接收陣的姿態(tài)是隨船體姿態(tài)不斷變化的。
[0003]載體姿態(tài)的變化會(huì)直接影響接收指向角，進(jìn)而影響了多波束測(cè)深系統(tǒng)的性能。各參考坐標(biāo)系的定義見表1，接收載體指向角θ η為第η接收波束的方向矢量與載體坐標(biāo)的負(fù)Z軸的夾角。接收航跡指向角Yn為第η接收波束的方向矢量與航跡坐標(biāo)的負(fù)Z軸的夾角。第η接收波束的波束形成相控角βη為接收方向矢量與接收陣法向的夾角。以上指向角相對(duì)各自參考坐標(biāo)系Z軸偏向左舷的為正，偏向右舷的角度為負(fù)。如果不考慮載體姿態(tài)，則相控角等于接收載體指向角，而接收航跡指向角會(huì)隨載體姿態(tài)不斷變化，即第η個(gè)接收波束不同時(shí)刻指向的方向是變化的。載體姿態(tài)變化劇烈時(shí)，接收航跡指向角可能會(huì)超出有效波束覆蓋寬度，帶來測(cè)深誤差。
[0004]因此，多波束系統(tǒng)測(cè)深工作過程中必須進(jìn)行載體姿態(tài)穩(wěn)定。而由于陣列固定安裝于船底，機(jī)械調(diào)整載體姿態(tài)的波束穩(wěn)定方法不可行。此外，參考國(guó)外ΕΜ120技術(shù)手冊(cè)有關(guān)載體姿態(tài)的內(nèi)容，多波束系統(tǒng)通常采用調(diào)整接收波束形成的相控角進(jìn)行姿態(tài)穩(wěn)定，但目前并沒有公開的具體算法。現(xiàn)有技術(shù)的接收波束姿態(tài)穩(wěn)定根據(jù)實(shí)時(shí)姿態(tài)調(diào)整波束相控角，保持波束指向角Yn為固定值，但是由于姿態(tài)測(cè)量等因素并不能實(shí)現(xiàn)理想的波束穩(wěn)定。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于，為克服上述姿態(tài)穩(wěn)定方法的不完善導(dǎo)致的多波束測(cè)深技術(shù)中的諸多缺陷，本發(fā)明提供一種基于橫搖穩(wěn)定策略的多波束測(cè)深方法及系統(tǒng)。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于橫搖穩(wěn)定策略的多波束測(cè)深方法，所述方法包含:
[0007]步驟101)根據(jù)橫搖穩(wěn)定后的相控角β進(jìn)行接收波束形成；
[0008]步驟102)利用波束形成后的信號(hào)的幅相信息估計(jì)回波到達(dá)時(shí)間Ttl ；
[0009]步驟103)根據(jù)發(fā)射面方程和接收面方程確定回波到達(dá)時(shí)刻的合成波束指向角
Y;
[0010]步驟104)將合成波束指向角Y作為聲線的初始入射角α O，利用回波時(shí)間Ttl進(jìn)行聲速修正和坐標(biāo)歸位，進(jìn)而完成深度探測(cè)。
[0011]上述步驟101)進(jìn)一步包含:
[0012]步驟101-1)利用傳感器記錄系統(tǒng)工作期間接收陣列的相對(duì)姿態(tài)艏搖P，縱搖P，橫搖R;
[0013]步驟101-2)根據(jù)橫搖角度R計(jì)算接收相控角β n = Θ n+R,并根據(jù)計(jì)算得到的相控角進(jìn)行時(shí)移波束形成。
[0014]上述步驟102)采用幅值質(zhì)心法或分裂孔徑相位過零點(diǎn)法判斷回波到達(dá)時(shí)間I；。
[0015]上述步驟103)進(jìn)一步包含:
[0016]步驟103-1)構(gòu)造發(fā)射面方程的步驟，該步驟具休為:
[0017]發(fā)射不做相控時(shí)發(fā)射面為一平面，法向量為「，犮射面上任意向量X滿足Χ.0-?) = 0；
[0018]步驟103-2)構(gòu)造接收面方程的步驟，該步驟具體為:
[0019]接收線陣做相控波束形成后，接收主軸與接收陣法向的夾角等于相控角βη，接收面近似為以接收陣列橫向單位矢量為旋轉(zhuǎn)軸的錐面，錐頂角成，接收面上任一向量

【權(quán)利要求】
1.一種基于橫搖穩(wěn)定策略的多波束測(cè)深方法，所述方法包含: 步驟101)根據(jù)橫搖穩(wěn)定后的相控角β進(jìn)行接收波束形成； 步驟102)利用波束形成后的信號(hào)的幅相信息估計(jì)回波到達(dá)時(shí)間Ttl ； 步驟103)根據(jù)發(fā)射面方程和接收面方程確定回波到達(dá)時(shí)刻的合成波束指向角Y ；步驟104)將合成波束指向角Y作為聲線的初始入射角Citl，利用回波時(shí)間Ttl進(jìn)行聲速修正和坐標(biāo)歸位，進(jìn)而完成深度探測(cè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于橫搖穩(wěn)定策略的多波束測(cè)深方法，其特征在于，所述步驟101)進(jìn)一步包含: 步驟101-1)利用傳感器記錄系統(tǒng)工作期間接收陣列的相對(duì)姿態(tài)艏fe Ψ縱搖P，橫搖R； 步驟101-2)根據(jù)橫搖角度R計(jì)算接收相控角β n = Θ n+R，并根據(jù)計(jì)算得到的相控角進(jìn)行時(shí)移波束形成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于橫搖穩(wěn)定策略的多波束測(cè)深方法，其特征在于，所述步驟102)采用幅值質(zhì)心法或分裂孔徑相位過零點(diǎn)法判斷回波到達(dá)時(shí)間I；。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于橫搖穩(wěn)定策略的多波束測(cè)深方法，其特征在于，所述步驟103)進(jìn)一步包含: 步驟103-1)構(gòu)造發(fā)射面方程的步驟，該步驟具體為: 發(fā)射不做相控時(shí)發(fā)射面為一平面，法向量力 "發(fā)射面上任意向量X滿足Χ.0-//) = 0 ； 步驟103-2)構(gòu)造接收面方程的步驟，該步驟具體為: 接收線陣做相控波束形成后，接收主軸與接收陣法向的夾角等于相控角βη，接收面近似為以接收陣列橫向單位矢量為旋轉(zhuǎn)軸的錐面，錐頂角f-A，接收面上任一向量f滿
步驟103-3)合成波束指向角的單位方向矢量同時(shí)滿足上述發(fā)射面方程和接收面方程，由方程組求解單位方向矢量:P = (，Vv, & )，合成波束指向角為單位方向矢量的仰角
其中，〃 =(1，0..0)為載體坐標(biāo)系下發(fā)射面法向量， 為載體坐標(biāo)系到航跡坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，與當(dāng)前時(shí)刻的姿態(tài)有關(guān)，U = (0丄0)為載體坐標(biāo)系下接收陣橫軸單位矢量，f為合成波束的方向矢量，Yn為接收航跡指向角。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于橫搖穩(wěn)定策略的多波束測(cè)深方法，其特征在于，所述步驟104)進(jìn)一步包含: 步驟104-1)將連續(xù)聲速的垂直分布劃分為多層等梯度的分層聲速剖面(Ci，Zi)，第i層介質(zhì)的聲速梯度
初始聲線入射角cU= Yn(Ttl)，表面聲速Cci,介質(zhì)分層界面的


入身寸角與聲速滿足snell定律
步驟104-2)以a i角度入射的聲線在第i層的垂直傳播距離Hi = Zi+1-Zi，第i層傳播時(shí)間
,橫向傳播距離 Ri = R(sin a「sin a i+1)； 步驟104-3)累計(jì)傳播時(shí)間Σ ti = T0時(shí)刻的水深Σ Hi和水平距離Σ Ri,確定該接收波束對(duì)應(yīng)的測(cè)深點(diǎn)在航跡坐標(biāo)系下的水平坐標(biāo)表示。
6.一種基于橫搖穩(wěn)定策略的多波束測(cè)深系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包含: 波束形成模塊，該模塊根據(jù)橫搖穩(wěn)定后的相控角β進(jìn)行接收波束形成； 到達(dá)時(shí)間估計(jì)模塊，用于利用波束形成后的信號(hào)的幅相信息估計(jì)回波到達(dá)時(shí)間Ttl ； 合成波束指向角的模塊，用于根據(jù)發(fā)射面方程和接收面方程確定回波到達(dá)時(shí)刻的合成波束指向角Y ; 聲速修正和坐標(biāo)歸位模塊，用于將合成波束指向角Y作為聲線的初始入射角Qci，利用回波時(shí)間Ttl進(jìn)行聲速修正和坐標(biāo)歸位。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于橫搖穩(wěn)定策略的多波束測(cè)深系統(tǒng)，其特征在于，所述波束形成模塊進(jìn)一步包含: 信息記錄子模塊，用于利用傳感器記錄系統(tǒng)工作期間接收陣列的相對(duì)姿態(tài)艏搖P，縱搖P，橫搖R ； 波束形成子模塊，用于根據(jù)橫搖角度R計(jì)算接收相控角βη= en+R，并根據(jù)計(jì)算得到的相控角進(jìn)行時(shí)移波束形成。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于橫搖穩(wěn)定策略的多波束測(cè)深系統(tǒng)，其特征在于，所述到達(dá)時(shí)間估計(jì)模塊采用幅值質(zhì)心法或分裂孔徑相位過零點(diǎn)法判斷回波到達(dá)時(shí)間Tc^
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于橫搖穩(wěn)定策略的多波束測(cè)深系統(tǒng)，其特征在于，所述合成波束指向角的模塊進(jìn)一步包含: 發(fā)射面方程構(gòu)造子模塊，用于構(gòu)造發(fā)射面方程，具體為: 發(fā)射不做相控時(shí)發(fā)射面為一平面，法向量為I'n發(fā)射面上任意向量f滿足X.(「") = O ； 接收面方程構(gòu)造子模塊，用于構(gòu)造接收面方程，具體為: 接收線陣做相控波束形成后，接收主軸與接收陣法向的夾角為相控角βη，接收面近似為以接收陣列橫向單位矢量J^為旋轉(zhuǎn)軸的錐面，錐頂角f-戍，接收面上任一向量I滿足
合成波束指向角子模塊，用于合成波束指向角的單位方向矢量同時(shí)滿足上述發(fā)射面方程和接收面方程，由方程組求解單位方向矢量Ρ = <Λ,V,.，ν_?)，合成波束指向角為單位方向矢量的仰角
其中，其中，//=αο，ο)為載體坐標(biāo)系下發(fā)射面法向量，r為載體坐標(biāo)系到航跡坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，與當(dāng)前時(shí)刻的姿態(tài)有關(guān)，α = (0,1,0)為載體坐標(biāo)系下接收陣橫軸單位矢量，V為合成波束的方向矢量，Yn為接收航跡指向角。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于橫搖穩(wěn)定策略的多波束測(cè)深系統(tǒng)，其特征在于，所述聲速修正和坐標(biāo)歸位模塊進(jìn)一步包含:第一處理子模塊，用于將連續(xù)聲速的垂直分布劃分為多層等梯度的分層聲速剖面(Ci, Zi),第i層介質(zhì)的聲速梯度
初始聲線入射角C^= Yn(Tci),表面聲速C。，

介質(zhì)分層界面的入射角與聲速滿足snell定律
第二處理子模塊，用于以a i角度入射的聲線在第i層的垂直傳播距離Hi = Zi+1_Zi，第i 層傳播時(shí)間
，橫向傳播距離 Ri = R(sin a「sin a i+1)； 坐標(biāo)確定子模塊，用于累計(jì)傳播時(shí)間Σ ti = T0時(shí)刻的水深Σ Hi和水平距離Σ Ri，確定該接收波束對(duì)應(yīng)的測(cè)深點(diǎn)在航跡坐標(biāo)系下的水平坐標(biāo)表示。
【文檔編號(hào)】G01S7/40GK104181523SQ201310189261
【公開日】2014年12月3日 申請(qǐng)日期:2013年5月21日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月21日
【發(fā)明者】劉治宇, 劉曉東, 陳若婷, 劉小剛, 董飛 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所