浅水多波束测深声纳关键技术研究

摘要

多波束测深声纳是当代海底地形勘测的重要设备之一。随着现代科学技术的不断进步，浅水多波束测深声纳技术和设备也不断发展与完善，并广泛应用于海底管道检测、海底电缆铺设、海洋工程测量、海底资源勘测、海底沉物探测、水下环境调查、水库库容测量、电站大坝监测、堤防监测以及指导港口与航道疏浚、水上安全航行等国防和国民经济建设领域。结合当前国内外浅水多波束测深声纳设备及技术的发展趋势和国内发展的实际需求，为进一步提高浅水多波束测深声纳的综合性能，本文围绕宽覆盖高分辨测深技术、多波束近场聚焦技术、Multi-Ping与横摇稳定技术和海底地形稳健检测技术等四个方面展开研究，主要内容如下：
　　第一，研究基于脉冲压缩的宽覆盖高分辨多波束测深技术。一方面，引入线性调频（Linear Frequency Modulation,LFM）信号脉冲压缩技术后，高的旁瓣电平导致相干测深法中两个子阵信号的相干损失，为减少相干损失，提出了可变窗函数的LFM多波束回波信号脉冲压缩方法。另一方面，针对LFM信号脉冲压缩运算量较大的问题，研究了编码信号的自相关旁瓣特性，并利用编码信号脉冲压缩的低运算量特点，提出了基于低自相关旁瓣编码的高分辨多波束测深技术。为进一步降低运算量，提出了基于现场可编程门阵列（Field-Programmable Gate Array,FPGA）的编码信号快速脉冲压缩结构。分别以常规连续波（Continuous-Wave,CW）窄脉冲、LFM和低自相关旁瓣编码为探测信号进行仿真分析和湖上试验，结果表明：LFM和低自相关旁瓣编码相对CW窄脉冲在测深质量上有质的提升；可变窗函数的LFM多波束回波信号脉冲压缩方法减少了各波束的相干损失，降低了信噪比损失，提高了距离分辨力，提高了海底地形的测深质量；以低自相关旁瓣编码信号为探测信号时，脉冲压缩更容易实时运算，利于工程实现，可广泛应用在低成本声纳中。
　　第二，研究多波束近场聚焦技术。一方面，针对浅水多波束近场测深中发射未聚焦和单焦点发射聚焦导致航迹向分辨力下降问题，提出了基于 Kasami编码的浅水多波束近场多焦点发射聚焦方法。首先讨论了单焦点聚焦原理，并引入具有优越相关性的Kasami编码信号来解决多个焦点信号间的相互干扰问题；其次推导了其发射和接收原理；然后对发射未聚焦、单焦点聚焦和多焦点聚焦等三种情况进行了仿真对比，结果表明多焦点聚焦方法具有更窄的发射波束宽度和更高的积分旁瓣比（Integrated Side Lobe Ratio,ISLR）；最后进行了水池试验验证，表明本方法显著提高了浅水多波束近场测深的航迹向分辨力。另一方面，针对常规多波束测深声纳接收信号处理中采用远场近似模型，导致近场接收波束形成的分辨力急剧下降的问题，研究了基于FPGA的多波束实时动态聚焦波束形成(Real-Time DynamicFocused Beam-forming,RT-DFBF)方法。首先讨论了相移聚焦波束形成的基本原理，论证了利用其解决近场动态聚焦波束形成的可行性；其次深入分析了算法中各步骤运算的实时性，并在计算精度和实时性之间做合理折衷；然后提出了一种基于FPGA的实时处理结构；最后通过水池试验验证了该方法的实时性、有效性和实用性。
　　第三，研究Multi-Ping与横摇稳定技术。一方面，在常规多波束测深中，针对远距离目标回波信号未到达接收基阵时不能再次发射探测信号而导致测深帧率下降的问题，提出了基于Kasami编码的浅水多波束Multi-Ping测深方法。首先讨论了频分复用Multi-Ping测深方法、基于Kasami编码的并行和串行Multi-Ping测深方法的基本原理。然后通过仿真分析，对比了三种方法的条带间干扰和测深分辨力的性能，结果表明基于Kasami编码的串行Multi-Ping测深方法具有条带间干扰较低，且具有较高测深分辨力的特点。最后进行了水池试验验证，表明该方法在保证测深分辨力的情况下，可有效的提高测量帧率，进而提高测量效率。另一方面，横摇角度的不断变化，使单条测线中的覆盖线左右不均匀，使测线间需要较高的交叠率，从而降低了测量效率。针对此问题，提出了基于FPGA的实时横摇稳定方法。首先研究了实时横摇稳定的基本原理，并分析了算法中各步骤运算的实时性。然后提出了一种FPGA实时计算结构，并将其应用到浅水宽覆盖多波束测深声纳中进行了实时性验证。最后利用松花湖现场横摇数据进行了效率验证，结果表明该技术能根据横摇角度的变化，实时补偿覆盖线的偏离，使覆盖线左右均匀，确保了测线的有效覆盖宽度，提高了测量效率。
　　第四，研究海底地形稳健检测技术。一方面，针对“隧道效应”导致虚假地形的问题，提出了基于有序统计恒虚警概率（Order-Statistics Constant False Alarm Rate,OS-CFAR）的隧道效应消除技术和局部均值二分k搜索法（Local Mean Dichotomy K-FINDER,LMD-K-FINDER）。首先研究了OS-CFAR和隧道效应的消除原理。其次研究了k搜索法（K-FINDER）、LMD-K-FINDER原理和LMD-K-FINDER在宽松k条件和滑动条件下的快速计算方法。然后，通过仿真研究，表明该方法不仅能有效消除“隧道效应”，而且比同类快速方法有着更快的计算速度。最后通过湖上和海上试验数据验证分析，结果表明该方法有效的避免了因“隧道效应”产生的虚假地形，同时具有较低的运算量。另一方面，在常规检测方法中，水体中各非海底目标回波会导致测深异常值的出现，进而导致虚假地形。针对此问题，提出了基于方向预测的帧内地形跟踪方法。首先研究了帧内地形跟踪起点的搜索技术和基于方向预测的地形跟踪技术。然后通过仿真分析表明，合理利用了地形连续性、信干比（Signal to Interference Radio，SIR）和幅度等信息，并采用了方向预测技术，使得帧内地形跟踪方法总体较为稳健。利用其跟踪轨迹设置合理时间窗，可有效减少常规WMT（Weight Mean Time）和相干测深法受水体非地形目标干扰而产生的异常值。最后通过湖上和海上试验数据验证，结果表明：该方法对常规水体目标干扰有较好的地形跟踪能力；该方法实施过程中不需要上下门限信息，使得该方法尽可能少的依赖操作员，有一定的自动性；该方法不需要前帧的数据信息，可降低帧间测深信息的依赖度，当遭遇极端地形导致错误帧后，能迅速重新跟踪，不受前帧错误地形的影响。

目录

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 国外浅水多波束测深声纳发展现状与趋势

1.3 国内浅水多波束测深声纳发展现状与趋势

1.4 浅水多波束测深技术的研究进展

1.5 论文的主要研究内容

第2章 基于脉冲压缩的宽覆盖高分辨多波束测深技术

2.1 引言

2.2 可变窗函数的LFM多波束回波信号脉冲压缩方法

2.3 基于低自相关旁瓣编码的高分辨多波束测深方法

2.4 仿真分析

2.5 松花湖试验验证

2.6 本章小结

第3章 多波束近场聚焦技术研究

3.1 引言

3.2 基于Kasami编码的多焦点发射聚焦方法

3.3 基于FPGA的实时动态聚焦波束形成方法

3.4 本章小结

第4章 Multi-Ping与横摇稳定技术研究

4.1 引言

4.2 基于Kasami编码的Multi-Ping测深技术

4.3 基于FPGA的实时横摇稳定方法

4.4 本章小结

第5章 海底地形稳健检测技术研究

5.1 引言

5.2 基于OS-CFAR的隧道效应消除技术及其快速实现研究

5.3 帧内地形跟踪方法研究

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢