一種多波束測深聲納多子陣波束銳化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種多波束測深聲納多子陣波束銳化方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 常規(guī)波束形成器能夠?qū)χ付ǖ竭_方向的回波信號進行增強，對噪聲進行抑制，原 理簡單、算法易實現(xiàn)，因而在多波束聲吶中得到了廣泛的應用。但該波束形成器具有主瓣波 束寬、旁瓣級高、存在能量泄露的缺點，容易引起旁瓣干擾。多波束測深聲吶的探測目標是 大面積海底，垂直入射的海底回波波束能量很強，能量泄露進入其他波束的主瓣方向后，很 容易形成旁瓣干擾。當被測量的海底比較平坦且底質(zhì)較硬時或空間方位較近時，這種影響 更加明顯。當使用基于波束輸出能量的時間加權(quán)平均等海底檢測算法時，其影響就是會把 平坦海底地形測量成虛假的兩邊上翹的弧形海底地形，即所謂的"隧道效應"。
[0003] 抑制"隧道效應"對提高多波束測深聲吶的數(shù)據(jù)質(zhì)量和測量結(jié)果的可信度非常 重要，目前常見的解決方法有兩類：第一類采用自適應旁瓣抵消器，如利用誤差反饋格型 RLS算法和基于Givens旋轉(zhuǎn)的后驗格型-梯型算法對多波束測深聲吶實驗數(shù)據(jù)中存在的 旁瓣干擾進行分析處理。該算法能夠有效的削弱邊緣波束方向上鏡像波束的旁瓣干擾， 但算法的結(jié)構(gòu)復雜，運算量較大，難以實時實現(xiàn)；第二類采用對常規(guī)波束形成進行加窗，如 chebyshev、卷積矩形窗等，雖然有效降低了旁瓣，但導致主瓣展寬，降低了空間分辨力。增 大聲吶基陣孔徑可以有效緩解這一矛盾，但其導致的硬件復雜性、高成本和多波束測深聲 吶小型化趨勢相矛盾。因此，利用信號處理方法降低波束旁瓣、同時還能保證波束主瓣的尖 銳就相當有意義。
[0004] 本發(fā)明公開了一種多波束測深聲納多子陣波束銳化方法，將換能器陣列接收到的 回波信號劃分成為具有一定重疊的子陣，將子陣波束形成后的信號劃分成子波束組。對子 波束組進行兩級銳化波束形成，得到較為尖銳的多波束輸出。該方法與常規(guī)波束形成計算 量基本相當，算法結(jié)構(gòu)較適合硬件平臺實現(xiàn)，能夠在信號采樣間隔內(nèi)完成波束形成處理，有 效地抑制了多波束測深聲納中的"隧道效應"。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是在于提供一種多波束測深聲納多子陣波束銳化方法。
[0006] 本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：
[0007] 包含以下幾個步驟：
[0008] (1)對換能器陣列接收到的原始信號進行正交變換，得到所需的解析信號；
[0009] (2)利用子陣劃分器，對得到的解析信號進行子陣劃分，將信號劃分為在空間上具 有重疊的4個子陣，并將子陣劃分為2個子波束組；
[0010] (3)對每個子陣進行常規(guī)波束形成，分別對子陣1和子陣4組成的子波束組A和子 陣2和子陣3組成的子波束組B進行第一級銳化波束形成；
[0011] (4)對子波束組A和子波束組B銳化波束形成后的輸出作為下一級銳化波束形成 的輸入，進行第二級銳化波束形成，其輸出即為銳化多波束輸出。
[0012] 所述的換能器陣列共有M陣元，則設(shè)計每個子陣長度為N，1子陣與2子陣之間間 隔陣元數(shù)為N 1,2子陣與3子陣之間間隔陣元數(shù)為N2, 3子陣與4子陣之間間隔陣元數(shù)為N1, 則子陣劃分需滿足關(guān)系式M = 4N-2Ni-N2。各子陣的空間位置可分別為：
[0013] X1 = [ (-M/2+0. 5) : I: (N-M/2-0. 5) ] *D
[0014] X2= [ (-M/2+N-N !+0· 5) : 1: (Ν2/2-0· 5) ] *D
[0015] X3= [ (-N 2/2+0. 5) : I: (M/2-N+Ni+O. 5) ] *D
[0016] X4= [ (M/2-N+0. 5) : I: (M/2-0. 5) ] *D
[0017] 其中D為陣元間距。
[0018] 所述步驟（3)中將1子陣和4子陣組成子波束組A，2將子陣和3子陣組成子波束 組B。
[0019] 所述波束組A的銳化波束為：
[0021] 其中，Rsi為子陣1和子陣4的和波束，表示為Rsi= |ROT1| + |RraF4| ;RD1為子陣1和 子陣4的差波束，表示為Rdi= |ReBF「ReBF4| ;ns為銳化系數(shù)，選擇范圍在（0· 3, 1)。
[0022] 銳化波束形成的簡化結(jié)構(gòu)如下：
[0023] 和波束
[0024] 差波束
[0025] 銳化波束：
[0026] 本發(fā)明的有益效果是：
[0027] 1、在不增加基陣孔徑的前提下，使用信號處理方法完成波束的銳化過程。不同于 誤差反饋格型RLS算法和基于Givens旋轉(zhuǎn)的后驗格型-梯型算法等計算量較大、結(jié)構(gòu)復雜 的算法，本發(fā)明能夠在較小的運算量情況下完成對"隧道效應"的抑制。
[0028] 2、能夠得到較加窗常規(guī)波束形成更高的主旁瓣比，并且主瓣寬度較加窗前有所降 低。經(jīng)算法結(jié)構(gòu)簡化后，更適于硬件平臺實現(xiàn)，能夠在采樣間隔內(nèi)即完成銳化波束形成，具 有較高的工程實用性。
【附圖說明】
[0029] 圖1算法整體結(jié)構(gòu)框圖。
[0030] 圖2多子陣劃分不意圖。
[0031 ] 圖3銳化波束簡化結(jié)構(gòu)示意圖。
[0032] 圖4a波束寬度對比示意圖。
[0033] 圖4b角度分辨力對比示意圖。
[0034] 圖5a常規(guī)波束形成輸出效果圖。
[0035] 圖5b銳化波束形成輸出效果圖。
[0036] 圖6a常規(guī)波束形成水底檢測圖。
[0037] 圖6b銳化波束形成水底檢測圖。
【具體實施方式】
[0038] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進行詳細描述：
[0039] 一種多波束測深聲納多子陣波束銳化方法，包含以下幾個步驟：
[0040] 步驟（1):對換能器陣列接收到的原始信號進行正交變換，得到所需的解析信號；
[0041] 步驟（2):利用子陣劃分器，對得到的解析信號進行子陣劃分，將信號劃分為在空 間上具有一定重疊的4個子陣，并將子陣劃分為2個子波束組；
[0042] 步驟⑶：對每個子陣進行常規(guī)波束形成，分別對子陣1和子陣4組成的子波束組 A和子陣2和子陣3組成的子波束組B進行第一級銳化波束形成；
[0043] 步驟（4):對子波束組A和子波束組B銳化波束形成后的輸出作為下一級銳化波 束形成的輸入，進行第二級銳化波束形成，其輸出即為銳化多波束輸出。
[0044] 本發(fā)明還可以包括：
[0045] 1、多子陣劃分形式：
[0046] 假設(shè)換能器共有M陣元，則設(shè)計每個子陣長度為N，子陣1與子陣2之間間隔陣元 數(shù)為N 1，子陣2與子陣3之間間隔陣元數(shù)為N2，子陣3與子陣4之間間隔陣元數(shù)為N1，則子 陣劃分需滿足關(guān)系式M = 4N-2NfN2。
[0047] 2、銳化波束形成方法：
[0048] 以子波束組A為例可表示為：
[0050] 其中，Rsi為子陣1和子陣4的和波束，表示為Rsi= |ReBF1| + |ReBF4| ;RD1為子陣1和 子陣4的差波束，表示為Rdi= |ROT1-ReBF4| ;ns為銳化系數(shù)，選擇范圍在（0.3, 1)，可以根據(jù) 不同波束角度選取不同值，用以得到預期的束寬。
[0051] 3、銳化波束形成結(jié)構(gòu)優(yōu)化：
[0052] 銳化波束形成方法可以進行結(jié)構(gòu)簡化，將一次未知底數(shù)未知冪數(shù)的指數(shù)運算推導 成為一次已知底數(shù)的指數(shù)運算和一次已知底數(shù)的對數(shù)運算的組合運算，使算法結(jié)構(gòu)更適合 硬件平臺實現(xiàn)，結(jié)構(gòu)簡化如下：
[0056] 結(jié)合圖1，本發(fā)明涉及一種多波束測深聲納多子陣波束銳化方法，包含以下幾個步 驟：
[0057] 步驟（1):對換能器陣列接收到的原始信號進行正交變換，得到所需的解析信號；
[0058] 步驟（2):利用子陣劃分器，對得到的解析信號進行子陣劃分，將信號劃分為在空 間上具有一定重疊的4個子陣，并將子陣劃分為2個子波束組；
[0059] 步驟⑶：對每個子陣進行常規(guī)波束形成，分別對子陣1和子陣4組成的子波束組 A和子陣2和子陣3組成的子波束組B進行第一級銳化波束形成；
[0060] 步驟（4):對子波束組A和子波束組B銳化波束形成后的輸出作為下一級銳化波 束形成的輸入，進行第二級銳化波束形成，其輸出即為銳化多波束輸出。
[0061] 步驟（1)中需要對換能器陣元接收到的原始信號進行正交變換，得到所需的解 析信號。具體實施過程是由正交系數(shù)生成器按照采樣時間片生成正交系數(shù)，與陣元信號 s (i，η)相乘，得到解析信號
[0063] 其中s (i，η)表示第η時間片下第i陣元接收到的信號，f。為信號頻率，f s為采樣 頻率。
[0064] 步驟（2)中首先利用子陣劃分器將信號劃分成為具有一定空間重疊的子陣，子陣 劃分器是事先開辟好的一段一定長度、地址連續(xù)的緩存空間，用以存儲子陣信號。每個子陣 內(nèi)的信號在存儲地址上連續(xù)，有助于向量化的算法硬件實現(xiàn)。本發(fā)明采用的是多級銳化波 束形成，則要求劃分的子陣數(shù)必須滿足K = 2n，考慮到系統(tǒng)規(guī)模及運算量，本發(fā)明采用兩級 銳化波束形成，子陣劃分為4個，如圖2所示。
[0065] 不相鄰子陣具有形成波束窄的優(yōu)點，重疊子陣具有抑