基于多子阵检测法的多波束海底成像技术

为提高多波束测深声呐海底成像质量,提出了一种基于多子阵检测法的海底成像技术.其以多子阵检测法得到的高精度、高空间分辨率回波到达时间(TOA)和到达角度(DOA)估计序列为基础,对每个接收窄波束的波束输出信号经采样处理估计各个海底检测点的空间位置和回波强度,并考虑实际水声环境以及角度的影响对成像数据进行修正.由于该方法估计对回波强度与空间位置的解算都源于相同的TOA与DOA数据,所以两者能准确地一一对应,提高了成像质量,湖上试验数据的处理结果表明了该方法的有效性以及良好的空间分辨能力.     

一种顾及辐射畸变的多波束与侧扫声呐通用海底底质分类方法

声学海底底质分类对于海底环境和生态系统的研究具有重要意义,而多波束与侧扫声呐是目前最常用于探测海底底质的声呐设备.然而,多波束与侧扫声呐都严重地受到辐射畸变的影响,导致声呐图像噪声较大且难以消除,进而造成对海底底质的误判,并且多波束与侧扫声呐通用底质分类方法目前仍然较为缺乏.为此,本文提出了一种顾及辐射畸变的多波束和侧扫声呐的通用海底底质分类方法.该方法包括了对声呐图像中辐射畸变的改正、针对两种声呐数据特点的不同角度数据归一化、分类数自适应的非监督底质分类以及形态学去除底质图像噪声的步骤,并给出了完整的多波束与侧扫声呐通用海底底质分类流程.将本文方法应用于福建沿海同水域下实测的多波束与侧扫声呐数据得到了该水域的底质分类图像.实验结果表明了同区域下的多波束与侧扫声呐数据通过本文方法得到的底质分类结果具有较高的一致性,证明了通用底质分类方法的有效性,同时通过相互验证也提高了底质分类结果的可靠性.     

多波束声呐水柱图像中气泡羽状流目标探测研究进展

多波束声呐水柱图像数据可以获得从换能器到海底的完整声学信息,通过其对气泡羽状流目标探测是发现海底可燃冰渗漏的一种重要途径,是目前海洋调查与监测中的重要观测内容.本文首先介绍多波束水柱数据的数据结构与成像原理,然后针对目前研究存在的图像噪声大且成因复杂、目标识别方法效率较低、气泡羽状流目标难以准确分割等问题,依次概述当前的研究进展,为海底可燃冰的勘探与监测相关研究提供理论基础.     

水深数据约束下的声呐图像海底地形恢复方法

针对传统多波束系统和单波束系统在获得海底精细地形时的局限性,分析了高分辨率侧扫声呐图像与海底地形因素之间的关系,提出了一种利用高分辨率侧扫声呐图像恢复精细海底地形的新方法.根据侧扫声呐成像机理,构建模型获得声波在海底表面的入射强度和反射强度;基于Shape From Shading反演理论建立海底表面相对形状反演模型,并借助外部水深数据中分离出的地形高频项构建约束模型对反演结果进行约束;将外部水深数据提供的地形低频信息与约束后的反演结果叠加,实现绝对海底地形恢复.结果表明:该方法可获得相对中误差小于2%水深的海底地形恢复精度,并将测深数据分辨率提高近70倍.     

一种噪声环境中的多波束相位差估计新方法

针对多波束测深声呐相位差检测法中噪声严重影响相位差估计的质量,使得深度测量的数据出现偏差的问题,采用理论分析和计算机仿真的方法,研究了噪声干扰对相位差估计的影响并有针对性地提出了减小测量误差.提高深度测量的可信度的信号处理方法.研究结果表明,噪声对相位差测量的影响在接收条带的不同部分是不间的,采用较大的子阵间距,利用相...     

利用RLS-Laguerre格型算法消除多波束测深声呐的隧道效应

为了避免多波束测深声呐输出数据中产生测深假象,分析了海底多波束测深声呐中存在的隧道效应及其产生机理,指出旁瓣干扰是引起隧道效应的重要因素,隧道效应的出现导致多波束测深声呐把相对平坦的海底绘制成凹面向上的水平半圆柱面海底地形.采用系统辨识模型仿真了基于先验误差的误差反馈递归最小二乘(RLS)Laguerre格型算法的极点位置对算法性能的影响,并利用该算法对湖试数据中存在的隧道效应进行分析处理.结果表明通过对Laguerre极点的选择,该算法能够有效消除多波束测深数据边缘波束中存在的旁瓣干扰并快速跟踪真实的海底回波,同时又能保留中央波束信号能量,减少对真实信号的影响.     

时空相关测速方法理论模型研究

相关测速声呐与多普勒测速声呐相比有很多优点.相关声呐与常规测深仪相似,用单波束垂直向海底发射,回波比多普勒声呐的回波强,而且波束可以很宽,相同大小的发射换能器,可以使用低频发射.早期的声相关计程仪,多采用时间或空间相关法,用常规的相关解算装置确定速度.为提高测速精度,提出了基于声传播机理构造海底回波的理论时空相关函数的方法,该方法通过采集的回波数据构造数据相关函数,利用最大似然等方法估计未知参数.为测出舰船相对于地的绝对速度,较详细地推导了海底回波的时空相关理论函数,从而可利用最大似然方法估计船速.     

基于单波束声呐的沉积层参数序贯估计

针对浅海环境下沉积层声学参数估计问题,本文提出一种基于单波束声呐的海底沉积层参数序贯估计方法。将浅海地声参数的声学反演问题建模为序贯估计问题,利用一种时域高频海底反向散射模型对海底散射回波包络进行预测,结合无迹卡尔曼滤波器,根据误差反馈动态校正模型参数,实现沉积层参数自适应估计。将该模型应用于海试数据,获得测线上海底底质类型平均粒径分布,并与全局优化模拟退火算法的预测精度和预测效率进行对比。结果表明:序贯估计预测的海底散射回波包络与实测结果符合较好,海底底质平均粒径的预测值与海底底质分类分布相比具有较高的可信度;序贯估计法在保证和全局优化法精度相似的情况下大幅提升算法效率,参数估计消耗的平均时间显著缩短。     

基于特征空间算法的非圆相干信源DOA估计

针对非圆相干信号的解相干问题,给出了一种新的特征空间算法(eigenspace-direction of arrival,ES-DOA)。利用信号源的非圆特性,虚拟地扩展了阵元个数,使阵列信息增至扩展前的两倍,对信号源数目的估计突破了M-1(M为阵元数)的限制;将信息量加倍后的协方差矩阵加以重构,给出一种新的特征空间算法进行解相干,最大限度地利用了噪声子空间与信号子空间的信息,避免了空间平滑思想的阵列孔径损失及最大似然算法运算量过大的问题;该方法还对信号源功率进行了估计,提高了对小能量信号的估计成功概率。仿真结果表明,该方法对波达方向估计具有很好的鲁棒性。     

基于地声模型的浅海混响地声反演研究

利用浅海混响数据反演海底参数和海底散射常数.混响形成过程中声波多次与海底发生相互作用,因此海底参数之间以及它们与海底散射常数之间的耦合非常严重,未知参数之间的耦合使得常规地声反演方法很难获得海底参数.文中首先利用相对混响强度消除了混响数据中的海底散射常数项,然后利用Hamilton地声模型,分别将海底声速、密度和衰减系数表示成孔隙率的函数,采用自适应下山模拟退火混合反演算法,对单个未知数(孔隙率)进行反演,最后再分别获得海底参数和海底反向散射常数.理论分析和数值模拟表明,该方法可以快速准确获得海底参数,同时具有很好的抗噪声干扰能力.     

单波束水深约束的侧扫声呐图像三维微地形反演

高分辨率海底微地形可呈现更丰富的海床细节特征,对水下目标正确判读具有重要意义。除去底质因素影响,侧扫声呐图像明暗变化与海底地形起伏变化有关,挖掘侧扫声呐图像中的微地形信息,可以弥补现有测深手段分辨率上的不足。针对SFS方法从侧扫声呐图像反演出的相对地形缺少起伏尺度约束和起算基准等问题,本文通过小波分析方法从单波束数据中分别提取与侧扫声呐图像反演地形相关的高频地形及表征地形趋势变化的低频地形,以此构建侧扫声呐反演地形的尺度约束及基准改正模型。试验获得的反演地形从整体趋势到细节特征均与真实地形具有较好的一致性,统计结果表明,反演地形内、外符合均方根误差均小于15 cm,反演地形整体精度与单波束地形相当。     

基于包络提取的TOA估计算法

针对超宽带无线传感器网络中噪声影响定位精度的问题,提出了一种基于包络提取的到达时间(time of arrival, TOA)估计算法。该算法首先利用小波变换的多分辨率分析有效地去除信号中的噪声成分,之后对去噪的信号进行希尔伯特变换提取其包络,最后选取第一个包络的最大值作为TOA的估计值。仿真结果表明,该算法抑制了噪声对TOA估计的影响,提高了估计精度。     

探测海底输油气管线状态的方法

为了海底输油气管线运行安全,避免潜在的灾害性因素的发生,对广东沿海一段海底输油气管线状态进行检测,采用浅层剖面测量、侧扫声呐测量和多波束测量手段对海底油气管线路由区域进行了勘测,勘测结果表明检测区域海底油气管线没有裸露和悬空,埋藏状态良好,管线周边地层较稳定,根据侧扫声呐图像和多波束测深图像,发现在管线路由区海底存在影响海底油气管道安全的因素,管线路由区海底拖锚等痕迹较多,并且在距离管线大约1 000m处有一个较大人工采砂坑存在。     

混响背景下双基地声呐的探测范围分析

为了讨论混响对双基地声呐探测范围的影响,利用经验证的三维散射模型,讨论在不同入射、散射掠射角和散射方位角约束下的海底散射强度分布.根据双基地配置的几何特性,分析对混响有贡献的界面散射面积.以浅海为例分析比较不同基线长度时,混响与噪声限制下不同位置的目标在接收基地阵元输入端所形成的信干比.结果表明,混响限制下,双基地声呐的探测范围与混响强度相关.由于面临较强前向散射和侧向散射的影响以及直达波的强干扰,在近距离上,将出现探测盲区.     

一种小尺度阵空间信号源数估计算法

在信号源数未知或信号源数与估计不符的条件下,大多数高分辨DOA(direction of arrival)估计算法性能都会严重下降或失效。该文通过分析直线阵的阵列流形,给出了波束特征值的概念,并由此提出了一种可应用于小尺度阵的信号源数估计算法.理论分析和仿真实验证明,该算法适用于相干和非相干信号源数估计,并且在低信噪比条件下,仍能进行准确地估计.并且通过蒙特卡洛试验证实了该算法的信源数估计性能优于通常的信源数估计方法.     

基于传播算子的ESPRIT极化参数估计算法

针对极化敏感阵列参数估计过程中需要奇异值和特征值分解,以及低信噪比下估计误差偏大的问题,提出基于传播算子的二维旋转不变子空间(estimation of signal parameters via rotational invariance technique,ESPRIT)算法,改进算法引入非圆信号共轭相关统计信息构造一组新的接收数据,将这组新数据与真实数据重构组合求得噪声子空间;采用ESPRIT算法将信号子空间分块得到旋转不变因子,无须特征值分解和谱峰搜索,实现信号空间到达角(direction of arrival,DOA)和极化角的精确估计.所提算法在参数估计性能上要优于经典算法,在低信噪比情况下均方误差较小,并且可降低计算量,最后由Matlab仿真验证所提算法的有效性.     

基于均匀圆阵Toeplitz矩阵集重构解相干算法

针对目前均匀圆阵相干信源波达方向估计的矩阵重构算法仅利用部分阵列接收数据的相关或协方差矩阵部分元素进行重构造成信息利用不完整的问题,提出一种改进Toeplitz矩阵重构算法。利用模式空间变换后的数据协方差矩阵所有行元素信息构造包含阵元完整相关矩阵信息的Toeplitz矩阵集,经与Hermitian转置矩阵相乘及正反向平滑运算得到满秩数据协方差矩阵。该算法能够直接结合子空间类算法实现相干信号的角度估计,无需平滑算法广义特征值分解,同时解决了目前模式空间矩阵重构算法因忽略相位差变化造成的估计性能下降甚至失效问题。计算机仿真结果验证了本文算法的有效性。     

广义相关导向矢量的InSAS干涉相位估计

针对干涉合成孔径声呐(InSAS)的干涉相位估计问题,利用InSAS复图像对方位向无偏移的特点,提出一种基于广义相关导向矢量模型的干涉相位估计方法.通过构造广义相关导向矢量模型,充分利用当前像素及其周围像素对的相干信息,进而采用所构建的代价函数估计出干涉相位.该方法具有图像自适应精确配准功能,能够在配准误差不超过一个分辨单元的情况下获得准确的干涉相位估计结果.仿真数据及InSAS实测数据的处理结果证明了方法的有效性.     

深水多波束测深侧扫声纳显控系统研究

针对深水多波束测深侧扫声呐多源探测数据的实时可视化表达处理效率较低的问题,提出实时测深数据快速条带式动态网格化方法和动态不规则金字塔构建方法、实时侧扫数据条带式增量更新方法和基于极坐标的实时水体数据重采样方法,实现了全球框架下动态海底探测地形的实时三维渲染和快速侧扫图像及水体图像绘制.同时采用基于状态保护与转移机制的声纳设备控制方法,通过异步通信方式实现了安全友好的交互式操作过程. 实验结果表明：该系统满足深水多波束测深侧扫声纳设备的显控需求,能够保障声纳设备作业安全、增强现场作业能力及数据发掘能力.     

多子阵超宽覆盖海底地形探测方法试验研究

针对多波束海底地形探测系统超宽覆盖问题,提出了具有超宽发射和接收特性的声学基阵设计方案以及多子阵空间建模回波到达方向(DOA)估计方法.超宽覆盖声学基阵的发射阵与接收阵呈"T"型排列,发射阵为直线排列的圆弧阵,接收阵为均匀线阵,发射波束宽度可达144.7.多子阵空间建模DOA估计方法,在较低信噪比情况下仍具有较高的方位估计性能,从而有效估计边缘回波信号方位,仿真数据和典型的多波束海试数据处理结果都证明了算法的可行性.同时,湖上试验验证了超宽覆盖声学基阵和多子阵空间建模方法的有效性,试验结果表明在20 m水深的情况下完全可达到7倍以上水深的覆盖宽度.