相干类测深声纳正下方高精度测深方法及系统

摘要

本发明涉及一种相干类测深声纳正下方高精度测深方法。该方法为计算正下方可信底平均深度

说明书

技术领域

本发明涉及相干类测深声纳测深领域，尤其涉及一种基于相干类测深声 纳正下方高精度测深方法及系统。

背景技术

相干类测深声纳通过采用多条固定间距的平行接收线阵，利用各接收阵 间相位差信息来计算海底来波方向，从而确定海底深度。常见的相干测深声 纳主要有常规测深侧扫声纳和高分辨率测深侧扫声纳。这类声纳均利用相位 差信息进行测深。文献《测深侧扫声呐差分相位估计的不定度》中给出了差 分相位估计的均值和方差解析表式，即不定度。该表达式表明在时空相关函 数相位上除了正常相位差项外，还附加了一项误差项。并通过架设海底是一 反向散射薄层，从理论和实验角度解释了正下方测深误差存在的原因。虽然 通过对声纳参数进行适当的选择可以减弱这种误差的影响，但其在正下方的 测深精度仍无法与其它测深点精度比拟。

关于测深侧扫声纳测深精度及正下方测深问题已有诸多学者进行了系统 的研究和分析。不过这些分析大多是基于传统的相干测深声纳而言的。文献 《Bathymetric Side scan Sonar Bottom Estimation Accuracy:Tilt Angles  and Waveforms》中比较系统的对测深侧扫声纳测深精度在基阵安装角及信号 形式进行了分析，给出了正下方无法测深而形成测深空白的原因，但没有给 出解决方案。文献《Post-processing and Corrections of Bathymetry Derived  from Side-scan Sonar Systems:Application with SeaMARC II》中结合 SeaMARC II测深侧扫声纳给出了解决正下方测深空白的问题，其将测深仪等 设备获得的底深度应用内插方法填补正下方测深空白。该方法中应用测深仪 获取正下方区域深度信息，其不但需要额外增加设备，而且新设备只能获取 正下方一个测深点，不足以提高正下方区域的测深精度。文献《Survey  Operations and Results Using a Klein 5410 Bathymetric Side scan Sonar》 中结合Klein 5410测深侧扫声纳分析了正下方测深不足的问题，其提出解决 正下方测深的方法是通过加密测线，使下一测线深测时覆盖本次测线的正下 方区域来获得测深数据。但该方法要求探测测线间距需满足50%以上的测深覆 盖，显然该方法探测效率极低不可取。

因此，目前需要一种基于相干类测深声纳就能够实现正下方区域高精度 测深的方法，有效地弥补相干类测深声纳在正下方区域的测深缺陷，提高相 干类测深声纳的工作效率。

发明内容

为实现上述目的，本发明提供了一种相干类测深声纳正下方高精度测深 方法及系统。

在第一方面，本发明提供了一种相干类测深声纳正下方高精度测深方法。 该方法为计算正下方可信底平均深度通过变阈值方法，利用所述正下方 可信底平均深度规划相干侧深声纳获得的原始相干测深序列。

进一步的，所述通过变阈值方法，利用所述正下方可信底平均深度规 划利用相干侧深声纳获得的原始相干测深序列，具体为，从底回波起始点 开始计算测深深度序列所述测深深度序列包括，左舷测 深序列正下方区域可信底平均深度右舷测深序列其中，所述 左舷测深序列和所述右舷测深序列为所述原始相干测深序列；计算出 水平方向波束主瓣覆盖宽度w；从所述测深深度序列中找出水平坐标位 于[-w/2,w/2]范围内的测深点D_x≤w/2；设定滑动阈值T_x；保留所述测深点D_x＜w/2 中的点，去除超出对应阈值的点，形成新的测深序列D′_x≤w/2， 与所述测深深度序列中水平坐标位于[-w/2,w/2]之外的测深点构成测深 结果输出。所述水平方向波束主瓣覆盖宽度其中θ_-3dB为 根据左右舷正下方波束形成的结果计算出的主瓣宽度。所述滑动阈值 T_x=x²+T₀，其中，x为所述测深点D_x≤w/2中各测深点对应的水平坐标，T₀为 利用相干法和/或幅度法测量时的允许误差。

进一步的，所述计算正下方可信底平均深度之前，包括：对左右舷各 多条接收通道获得的正交采样数据进行脉冲压缩处理后在正下方做波束形 成；在所述在正下方做波束形成的结果上应用逐步细化分段能量比较方法精 确定位底回波的起始点，根据底回波的起始点分别计算左、右舷原始相干测 深序列；所述在正下方做波束形成的结果上计算正下方可信底平均深度

在第二方面，本发明提供了一种相干类测深声纳正下方高精度测深系 统。该系统包括，计算正下方可信底平均深度的模块；通过变阈值方法， 利用所述正下方可信底平均深度规划相干测深声纳获得的原始相干测深 序列的模块。

进一步的，该系统还包括在所述计算正下方可信底平均深度之前，对 左右舷各多条接收通道获得的正交采样数据进行脉冲压缩处理后在正下方做 波束形成的模块；在所述在正下方做波束形成的结果上应用逐步细化分段能 量比较方法精确定位底回波的起始点的模块；根据底回波的起始点分别计算 左、右舷原始相干测深序列的模块；在所述在正下方做波束形成的结果上计 算正下方可信底平均深度的模块。

本发明提供的一种相干类测深声纳正下方高精度测深的方法及系统，有 效地弥补了相干类测深声纳在正下方的测深缺陷，实现了相干类测深声纳全 覆盖范围内的高精度侧深。本发明无需在相干类侧深声纳添加外增设备，且 计算量小，易于在原有系统上升级，可广泛应用于现在有的相干类测深声纳 系统。

附图说明

图1为本发明实施例中相干类测深声纳正下方高精度测深方法流程图；

图2a和图2b为本发明实施例中应用本方法处理前后的左舷正下方测 深结果比较图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

本发明的主要目的是提高相干类测深声纳正下方的测深精度，其先后将 左右舷获得的原始AD数据在正下方做波束形成，再综合左右舷在正下方形成 的波束，在这三个波束形成输出结果上应用质心法获得三个正下方区域底平 均深度估计，再通过计算得到正下方区域可信底平均深度，并以此深度信息 为参考来规划左右舷获得的原始测深序列。从而提高相干类测深声纳正下方 的测深精度。

图1为本发明一个实施例中的利用相干类测深声纳正下方区域高精度的 测深方法流程图。该方法的实施步骤如图1所示。取一Pi ng测深原始波形 数据为例。

步骤101，按照常规相干探测方法在进行海底探测时，通过相干类测深声 纳获得左右舷原始波形数据，相干类测深声纳采用多条接收阵接收海底回波 信号，其中包含左右舷的多条接收通道接收的正交采样数据，然后分别对各 通道数据进行脉冲压缩处理。

步骤102，分别将左右舷多条接收阵接收的信号在正下方做波束形成。

步骤103，在波束形成结果上应用逐步细化分段能量比较的方法精确定位 底回波的起始点，即精确找到海底回波出现的起始位置。

步骤104，分别获取左右舷的原始相干测深序列。

从在步骤103中获得的底回波起点开始，对回波数据分段应用DOA（波达 方向）估计获得左右舷底回波各散射点信号的来波方向角，进而得到相干法 测深的原始相干测深序列。

具体的，根据获得左、右舷的底回波数据所对应的来波方位角及声程计 算底回波各散射点的深度和水平位置信息，从而得到左舷相干测深结果，即 左舷测深序列及右舷相干测深结果，即右舷测深序列左舷测深序 列和右舷测深序列为原始相干测深序列。

步骤105，分别计算底平均深度估计1及底平均深度估计2

底平均深度估计1在左舷正下方波束形成结果上，通过对底回波 信号幅度应用质心法计算出的正下方底平均深度估计1

同理，底平均深度估计2在左舷正下方波束形成结果上，通过 对底回波信号幅度应用质心法计算出的真下方底平均深度估计2

步骤106，计算底平均深度估计3及主瓣宽度θ_-3dB。

结合步骤102中左右舷正下方波束形成结果，得到左右舷多通道数据在 正下方的波束形成输出，在该输出波形幅度上应用质心法再次估计正下方底 平均深度，即底平均深度估计3

同时，计算该波束形成的主瓣宽度θ_-3dB。

步骤107，计算参考深度，即正下方可信底平均深度

根据步骤105，步骤106中获得三个正下方底平均深度估计计 算这三个正下方底平均深度估计方差，根据计算出的方差采用加权求和再 计算均值的方法确定出一个正下方可信底平均深度

步骤108，通过变阈值方法，利用所述正下方可信底平均深度规划相 干测深声纳获得的原始相干测深序列。

具体的规划过程如下：

首先，根据步骤106中计算出的主瓣宽度θ_-3dB及步骤107中计算出的 正下方可信底平均深度计算水平方向（即垂直航迹向）波束主瓣覆盖宽 度$w=2\bar{d}\tan ({\theta }_{-3\mathrm{dB}}/2).$

然后，综合左、右舷测深原始结果及正下方底可信平均深度形成该Ping底回波测深深度序列从中找出水平坐标位 于[-w/2，w/2]范围内的测深点D_x≤w/2。

其次，利用D_x≤w/2中各测深点所对应的水平坐标x设定一滑动阈值 T_x=x²+T₀，T₀为利用相干法和/或幅度法测量时的允许误差。

最后，将正下方可信底平均深度作为正下方底深度参考基准，保留 测深点中的点，去除超出对应阈值的点，形成新的测深序列 D′_x≤w/2，与中水平坐标位于[-w/2，w/2]之外的测深点构成测深结果输出。

通过测试表明该方法通过对相干测深声纳获得的原始相干测深序列 进行数据处理，能有效去除正下方误差较大的测深点，从而提高正下方区 域测深精度。

图2a和图2b为本发明一个实施例中应用本方法处理前后的左舷正下 方测深结果比较图。

在测深侧扫声纳的一Ping测深数据中，通过左舷多条接收阵接收的 波形信号形成的波束计算正下方底深度估计米。通过右舷多条 接收阵接收的波形信号形成的波束计算正下方底深度估计米。 综合左右舷接收波形信号形成的波束，通过计算得到的深度估计 米。通过计算三次深度估计均值及方差，最终得到可信深度为 $\bar{d}=-61.8761$米。

图2a为原测深声纳相干法测深结果，从图中可以看出应用相干法得 到的正下方测深序列中有比较明显的跳点。这些跳点的存在影响了声纳测 深的精度。通过将米作为正下方区域的参考深度来规则化原相干 测深序列，可以去掉明显偏离实际深度的测深点。从而得到图2b所示的测 深序列，提高了原相干测深声纳在正下方的测深精度。

同样的，利用该方法处理右舷正下方的探测结果也可达到与上述左舷 正下方测深结果同样的精度。

本发明在现有数据基础上，将相干法测深与幅度法测深这两种方法进 行了有效的融合，有效地提高相干类侧深声纳正下方测深精度。并且该方 法不需额外增加传感器设备，也不需要加密测线提高测深区域重叠度，从 而极大利用了测深声纳的宽覆盖性能，提高了声纳的工作效率。

并且，该方法是基于现有的相干类侧深声纳系统，新方法在提升系统 正下方测深性能而引入的数据处理计算量少，所以易于在现有的系统上进 行改进和升级，从而可以极大地节约系统性能升级所带来的成本。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行 了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而 已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做 的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。