[发明专利]一种基于深度和声速扫描的高精度单波束测深方法

说明书

本发明涉及一种基于深度和声速扫描的高精度单波束测深方法，本发明采用单个发射阵元发射和单个接收阵元发射并采集覆盖一定带宽(该带宽由系统的有效带宽决定)的信号，从回波中提取多组频域子带分量，先粗略计算深度和声速的取值范围，再采用高分辨谱估计方法对多组频域子带分量沿着深度维和声速维进行扫描处理，在深度和声速的取值范围内获得深度‑声速二维扫描输出，通过提取二维输出峰值处的深度值获得高精度测深结果。本发明的基本原理经过了理论推导，实施方案经过了计算机数值仿真的验证，其结果表明本发明提出的方法可以比传统方法获得更高的深度估计精度。

技术领域

本发明属于阵列成像领域，特别涉及一种基于深度和声速扫描的高精度单波束测深方法。

背景技术

通常情况下，传统声纳利用连续波(CW:continuous wave)脉冲作为信号波形时，为了获得较高的测深精度，需要使用脉宽更小的CW脉冲，这会导致信号能量有限，从而限制了其作用深度。为了避免使用CW脉冲从而导致作用深度和精度之间的矛盾，声纳可使用线性调频(LFM：linear frequency modulation)脉冲，结合匹配滤波处理获得脉冲压缩效果，从而有效提高作用深度并获得期望的测深精度。但是，此时声纳的精度由系统瞬时带宽(决定了所能使用的最大信号带宽)决定。为了提高测深精度，需要增加系统带宽，这不但会增加换能器硬件系统的复杂度，也会导致声纳的成本剧增。

为了提高测深系统的测量精度，研究人员提出了频率步进方法(N.Levanon.Stepped-frequency pulse-train radar signal[J].IEE Proceedings Radar,Sonar andNavigation,2002,149)。该方法使用单个发射阵元在不同时间上发射一组步进信号，通过处理目标回波将多个频率步进信号合成大带宽信号从而获得较高的测深精度。但是在实际应用中，频率步进方法面临着声纳平台运动误差而导致的回波深度迁徙问题，容易导致目标在深度维上散焦，同时由于存在谱泄漏，还会导致深度维高旁瓣问题。

同时，另一种利用合成带宽的多输入多输出(MIMO:multiple-input multiple-output) 技术被提出来应用到声纳上(孙超,刘雄厚.MIMO声纳:概念与技术特点探讨[J].声学技术,2012,31(02):117-124.)。MIMO声纳使用多个发射阵元发射小带宽信号，通过匹配滤波、波束形成等一系列处理将目标回波合成大带宽信号，从而不增加系统瞬时带宽即可提高测深精度。但是由于使用多个发射阵元同时发射正交波形，该方法增加了发射端复杂度，提高了成本，也面临这发射端同步校准，波形优化、深度维高旁瓣等一系列问题。

同时，传统测深方法还要精确测出声音在水中的传播速度，但由于水体是不均匀的，要精确测出平均声速就要使用高精度仪器，大大提高成本。

发明内容

本发明解决的技术问题是：为了在声速无法精确测量、系统带宽有限的情况下提高单波束测深精度，本发明提出一种利用信号回波中的多组频域子带分量获得高精度测深结果的方法。本发明采用单个发射阵元发射和单个接收阵元发射并采集覆盖一定带宽(该带宽由系统的有效带宽决定)的信号，从回波中提取多组频域子带分量，先粗略计算深度和声速的取值范围，再采用高分辨谱估计方法对多组频域子带分量沿着深度维和声速维进行扫描处理，在深度和声速的取值范围内获得深度-声速二维扫描输出，通过提取二维输出峰值处的深度值获得高精度测深结果。

本发明的技术方案是：一种基于深度和声速扫描的高精度单波束测深方法，包括以下步骤：

步骤1：定义该探测系统中设有单个发射阵和单个接收阵，单个发射阵和单个接收阵相互重叠且位于坐标原点；

步骤2：发射阵发射一定带宽的脉冲信号，接收阵接收回波；

步骤3：外部处理PC对接收回波进行脉冲压缩处理，并估计双程时延：

步骤4:对脉冲压缩处理之后的回波信号做傅里叶变换，再提取L个频域子带分量；