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原文传递基于多波束测深声呐的成像技术研究

论文题名：	基于多波束测深声呐的成像技术研究
关键词：	多波束测深声呐;海底成像技术;散射信号;数据修正;DOA-TOA估计;一体化探测系统
摘要：	多波束测深声呐是当代海底成像及海底表征最有效的工具之一，因为它们能在垂直航迹方向的宽条带上提供共点定位的高分辨率测深数据和反向散射强度数据。深度数据形成海底地形图，反向散射强度形成海底地貌声图，结合共点定位的这两种数据就能实现一体化探测、有效地描绘海底特征的空间变化。目前利用多波束测深声呐探测海底地形已经得到了长足发展，但是利用多波束测深声呐进行反向散射强度的水下声学成像技术还相当不成熟。为了提高多波束测深声呐声学成像的质量，本文以拓展国产浅水宽覆盖多波束测深声呐成像能力为目标，结合当前国内外相关技术的研究热点和发展趋势，分别针对海底散射信号高精度DOA-TOA估计技术、多波束海底声学成像方法以及成像数据修正技术、水下目标多波束一体化探测技术及其试验验证等几个方面面临的基础理论和技术难点开展研究。具体的研究内容包括: 　　1、研究海底散射信号高精度DOA-TOA估计技术，以提高成像位置数据的质量。分析指出了分裂波束相位差检测法中存在相位非模糊区间和DOA估计精度不能同时兼顾的问题。针对该问题，提出了一种波束域相位中心互相关(BPCCC:Beamspace Phase Center Cross-Correlation)相位差检测法，突破了常规分裂波束测向方法的局限。该方法是相位中心互相关技术与波束形成技术的有效结合，文中不仅推导了DOA估计的数学表达公式，还推导了其在主波束内相位差非模糊的条件和基于最小DOA估计误差准则的最优子阵结构。理论分析以及计算机仿真分析结果表明，该方法在一定程度上克服了分裂波束相位差检测法中存在的局限性，具有更好的估计性能。在此基础上，借鉴多子阵检测法综合利用幅度相位进行回波检测的思想，进一步提出了多子阵BPCCC检测法。湖上试验数据处理结果表明了新方法的有效性以及工程应用的可行性。　　2、研究多波束测深声呐海底声学成像方法以及成像数据修正技术，以获得能真实反映海底底质特征且与实际地理位置数据准确对应的高分辨海底反向散射强度数据。首先，讨论了现有多种多波束水下成像方法，分析和对比它们的性能特点，指出snippet成像法虽然在海底成像的分辨率与位置归算的准确性方面更具优势，但其成像质量受波束内海底地形起伏影响较大;为避免此影响提出了一种基于多子阵BPCCC检测法的海底声学成像方法。该方法对海底检测点回波强度和位置估计使用同一个高精度、高分辨率DOA-TOA序列，因此声强测点的位置是其在海底的实际位置且两者数据准确对应，从而提高了成像质量。然后，考虑海洋环境及多波束测深声呐自身的复杂性，分别对位置数据和回波强度数据进行了修正。一方面，考虑了水中声线折射现象对位置计算的影响解算海底各检测点相对于基阵中心的位置，并结合GPS数据和测量船姿态数据对成像数据进行了空间归位，获得了实际地理位置数据;另一方面，从多波束测深声呐的声呐方程出发，研究分析了各种海底反向散射强度的影响因素并给出了相应的修正模型，进一步讨论了海底反向散射强度角度关系确定与剔除的方法，最终获得能真实反映海底底质特征的反向散射强度数据。针对湖上试验数据的处理给出了具体的处理方法及成像流程，处理结果验证了新方法的有效性。　　3、从三个方面研究水下目标多波束一体化探测技术。首先，研究了多波束水下成像的另一个重要部分——多波束水体成像的成像方法以及具体成像处理流程，静态试验和航行动态试验的数据处理结果表明了其对水中目标和水底目标的探测能力，并采用MVDR方法消除了干扰因素的影响对水中目标进行了有效提取。其次，在获得的实际地理位置数据和反映真实海底特征的反向散射强度数据的基础上，对多ping多测线声呐图像的形成中涉及的关键技术进行了讨论，并给出了相应的处理方法;最后，进一步探讨了地形地貌一体化探测的基本原理及实际成图中存在的问题，并提出了一种深度数据和反向散射强度数据联合滤波的一体化探测方法，给出了具体的处理步骤及方法。湖上试验数据处理得到的多测线地形图、声呐图像以及地形地貌一体化图像进一步验证算法的有效性以及工程应用的可行性。
作者：	刘晓
专业：	通信与信息系统
导师：	李海森
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2012
正文语种：	中文