一种基于多重分裂波束相位差的多波束测深方法

摘要

本发明涉及声纳信号处理领域，主要是一种基于多重分裂波束相位差的多波束测深方法，提供了一种高分辨多波束海底检测技术，通过采用多种分裂波束划分方法，形成对波达方向相位差曲线的多次测量，同时引入最小二乘处理估计参数误差，解决了传统相位差检测法自动跟踪门设计困难的问题。本发明有益的效果是：使其在对回波信噪比较低的边缘波束进行海底检测时，仍具有很高的检测精度。

主权项

1.一种基于多重分裂波束相位差的多波束测深方法，其特征在于：该方法包括步骤如下：步骤一：采用不同的阵元重叠方式将基阵划分为两个子阵，设有M(M≥2)种不同的分裂波束划分方法，得到M次该波束的相位差序列测量，即为该方向上的相位差图像，记为，1≤i≤M；步骤二：假设声波到达的波前是平面波，令回波到达角度为θ，两相邻子阵等效声中心分别为c_1i和c_2i，它们之间的距离用d_i表示，1≤i≤M，那么两个子阵之间的相位差为：式(1)表示在一个给定时刻的接收信号的相位差估计，其中，f表示工作频率，c为声速，Δθ(n)表示回波与束控方向的偏差，当回波来自波束控制方向时，为零；对于同一时刻的不同分裂波束划分方法得到的相位差序列，一定是同一方位的海底回波，采用最小二乘估计处理，得到误差函数e：其中，k_i为相位差序列的斜率，$k_i=\frac{2\mathrm{\pi f}{d}_i}{c}$令$\frac{\partial e}{\partial \left(\sin \mathrm{\Delta \theta }\left(n\right)\right)}=0,$得到Δθ(n)的估计：将(3)式代入到(2)中，得到一个表明子阵相位差函数非线性度的e值，称为相位差误差函数，在回波到达时间内e值很小；当M≥2，计算出非线性度大小e，当e低于一个确定门限时，用于估计回波到达角度(DOA)和海底深度，这个门限所决定的区间为跟踪区间，作为预成波束角度和到达时间函数的e值称为相位差误差图像；步骤三：相位差图像中的非零值表示了某波束内从其它方向来的回波，对相位差图像进行变换，称变换之后的图像为海底轨迹图像，它是回波到达方向和时间的函数，图像网格中每一个像素点值的大小表示某一时刻、某一波达方向上海底回波可能性的大小；对于相位差图像中的每个像素点，利用(3)式计算DOA，海底图像网格中对应于给定时间和DOA的像素点的值就会增大，这表明某方向上很大的海底回波可能性；首先初始化，产生海底图像B(n，α)＝0，α为时刻，n为DOA；由(3)计算Δθ(n，β)，增加对应网格中的B(n，α)：$B(n,\alpha )\Leftarrow B(n,\alpha )+I(n,\beta )---\left(4\right)$其中，I(n，β)为增量，β为预成波束角I(n，β)＝1+wA(n，β)                                                (5)此处，常数1为相位加权，A(n，β)是n时刻、预成波束角为β的波束输出的幅度，为幅度加权，w为全局加权因子；步骤四：对其它大掠射角的波束重复上述步骤一、二、三，得到相应的海底轨迹图像B(n，α)；步骤五：若跟踪区间的上下限所对应的采用时刻分别为n_l和n_h，那么结合采样频率得到相应的时间区间：t_l＝n_l×f_s及t_h＝n_h×f_s；根据对应波束下的海底图像B(n，α)，计算其在跟踪区间内时间的幅度加权平均，作为该波束的回波到达时间(TOA)估计值，加权平均的公式如下：$t=\underset{i=T_l}{\overset{T_h}{\Sigma }}{A}_i·t_i/\underset{i=T_l}{\overset{T_h}{\Sigma }}{A}_i---\left(6\right)$最后由DOA-TOA估计对得到最终的深度估值。