[发明专利]一种基于多重分裂波束相位差的多波束测深方法

说明书

技术领域

本发明涉及声纳信号处理领域，具体涉及阵列信号处理领域，主要是一种基于多重分裂 波束相位差的多波束测深方法。

背景技术

多波束测深系统是对每个发射/接收交叉波束内的回波信号进行回波到达时间(TOA，time of arrival)和回波到达方向(DOA，direction of arrival)估计的一种高效海底地形测绘系统。 由于不同方向的海底反向散射信号具有相同的频率，随着掠射角逐渐变小，回波传播损失增 大，接收到的回波信号强度减弱，并且波束出现明显展宽。所以，对于边缘波束的估计不能 采用基于幅度的底检测法，而要采用基于相位的检测方法，如分裂孔径相位差法等。

然而对于大掠射角所对应的边缘波束，由于回波传播的声程很长而且反向散射损失较大， 接收到的回波信号信噪比很低。此时利用常规分裂孔径相位差法，仅仅通过利用单次曲线拟 合来准确定位相位差曲线的过零点是十分困难的。因此，高精度边缘波束测深技术也是当前 多波束测深信号处理的难点。为此，在上世纪90年代提出了多子阵处理技术，通过测量多个 子阵的相位序列输出和最小二乘估计来获取海底图像信息，但是子阵处理降低了基阵的有效 孔径，必然导致了波束形成分辨性能的下降和增益损失，在低信噪比时将算法的影响测深性 能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于多重分裂波束相位差的多波束测深方法，通 过采用多种分裂波束子阵划分方法，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，使其在对回 波信噪比较低的边缘波束进行海底检测时，仍具有较高的检测精度。

本发明实现目的所采用的技术方案。这种基于多重分裂波束相位差的多波束测深方法， 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

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，ki=2πfdic]]>

令∂e∂(sinΔθ(n))=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；