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原文传递超宽覆盖多波束测深技术研究与实现

论文题名：	超宽覆盖多波束测深技术研究与实现
关键词：	超宽覆盖多波束测深;海底地形探测;隧道效应;声学基阵;模块化设计
摘要：	多波束测深技术是当代海底地形勘测的一项高新技术和最主要的海洋调查手段之一，随着现代科技的不断发展，多波束测深系统不断完善其全覆盖、高精度海底地形地貌探测能力，并广泛应用于国防和国民经济建设的各个领域，如石油管道检测、海底电缆铺设、海底资源勘测、环境调查、海底目标探测、水库库容测量以及指导港口与河道疏浚、水上安全航行等，现已成为国内外海底地形地貌勘测关键科学仪器之一，为众多海洋国家所高度重视。结合当前国内外技术发展趋势和国内多波束测深系统研制的理论及实践需求，为提高多波束测深系统的测量效率和数据的有效性、精确性，综合考虑软件算法、硬件平台和声学基阵等各方面因素，本文主要从以下几个方面展开研究:基于多波束相干测深原理的超宽覆盖海底地形探测技术;超宽覆盖多波束测深假象分析与消除技术;超宽覆盖多波束声学基阵技术;高可靠、高性能、模块化硬件实现技术等。　　首先，研究超宽覆盖多波束相干测深技术。在超宽覆盖条件下，传统的幅度检测法和基于过零检测的相位差法无法在外侧边缘波束获得理想的深度估计值，采用多波束相干测深算法可以扩大覆盖范围、提高地形分辨率。噪声对多波束相干相位差估计精度影响严重，因此提高接收信号的信噪比有助于提高回波角度估计的精度。根据不同波束内相位差序列的信噪比以及信号带宽不断变化的情况，提出使用可变带宽滤波器来提升相位差序列的估计精度。针对相位差序列提取过程中的解相位模糊问题，提出基于多元信息融合的解模糊方法和能够在采样间隔内实时完成的多子阵对解模糊方法。对“V”型阵多波束系统采集的湖试数据进行分析处理，验证了所提出算法的有效性和实用性。　　其次，研究超宽覆盖多波束测深假象及其消除技术。旁瓣干扰以及FT波束形成具有主瓣和旁瓣是产生隧道效应的主要原因。传统的自适应旁瓣抵消方法虽然可消除旁瓣干扰，但其运算量大、不便于实时实现。本文将全相位FFT(All-Phase FFT;apFFT)引入基阵波束域空间，与常规的FFT波束形成算法相比，全相位FFT旁瓣更低，具有更强的谱泄露抑制能力，能够有效消除隧道效应。通过对计算机仿真数据以及湖上数据的处理，验证了此算法具有降低波束旁瓣，削弱隧道效应的能力。基于全相位FFT和传统FFT波束形成输出结果的特点，提出一种新的方位估计方法，这种方法具有在关注的角度范围内不存在相位模糊的特点。通过计算机仿真、两套多波束测深系统的水池实验数据处理以及湖上实验数据处理，验证了该方位估计算法的性能。　　再次，对超宽覆盖多波束测深系统实施方案展开论证。发射和接收基阵的覆盖能力是限制多波束测深系统覆盖宽度的首要因素。通过对比国外厂家宽覆盖多波束测深系统，指出双侧“V”型安装的基阵形式非常有利于提高覆盖宽度，并对常规的双侧“V”型安装Mills交叉阵进行改进，提出使用三条发射阵发射不同频率信号覆盖不同扇面的方法，可大幅提高覆盖宽度。根据波束宽度等指标，得出了发射基阵和接收基阵的各项参数。根据主动声呐方程，得出接收机放大倍数、发射机功率等指标，用于指导硬件系统的实现。同时论证了系统的覆盖性能，并指出影响实际覆盖性能的因素。　　最后，具体实现一套超宽覆盖多波束测深系统并开展详细试验验证。首先依据超宽覆盖多波束测深系统主要技术指标和现有技术基础，确定多波束测深系统的硬件组成结构。然后设计实现多通道信号源和多通道大功率发射机、多通道模块化宽带接收机、多通道数据采集器、高速信号处理平台。最后通过以上四个方面工作，完成设计并实现一整套超宽覆盖多波束测深系统的硬件。通过多次水池联调测试、湖上试验、海上试验，对该系统主要技术指标进行验证，表明系统工作稳定、可靠，测量结果真实、可信。
作者：	陈宝伟
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