一种多波束测深声纳多子阵波束锐化方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种多波束测深声纳多子阵波束锐化方法。
【背景技术】
[0002] 常规波束形成器能够对指定到达方向的回波信号进行增强，对噪声进行抑制，原 理简单、算法易实现，因而在多波束声呐中得到了广泛的应用。但该波束形成器具有主瓣波 束宽、旁瓣级高、存在能量泄露的缺点，容易引起旁瓣干扰。多波束测深声呐的探测目标是 大面积海底，垂直入射的海底回波波束能量很强，能量泄露进入其他波束的主瓣方向后，很 容易形成旁瓣干扰。当被测量的海底比较平坦且底质较硬时或空间方位较近时，这种影响 更加明显。当使用基于波束输出能量的时间加权平均等海底检测算法时，其影响就是会把 平坦海底地形测量成虚假的两边上翘的弧形海底地形，即所谓的"隧道效应"。
[0003] 抑制"隧道效应"对提高多波束测深声呐的数据质量和测量结果的可信度非常 重要，目前常见的解决方法有两类：第一类采用自适应旁瓣抵消器，如利用误差反馈格型 RLS算法和基于Givens旋转的后验格型-梯型算法对多波束测深声呐实验数据中存在的 旁瓣干扰进行分析处理。该算法能够有效的削弱边缘波束方向上镜像波束的旁瓣干扰， 但算法的结构复杂，运算量较大，难以实时实现；第二类采用对常规波束形成进行加窗，如 chebyshev、卷积矩形窗等，虽然有效降低了旁瓣，但导致主瓣展宽，降低了空间分辨力。增 大声呐基阵孔径可以有效缓解这一矛盾，但其导致的硬件复杂性、高成本和多波束测深声 呐小型化趋势相矛盾。因此，利用信号处理方法降低波束旁瓣、同时还能保证波束主瓣的尖 锐就相当有意义。
[0004] 本发明公开了一种多波束测深声纳多子阵波束锐化方法，将换能器阵列接收到的 回波信号划分成为具有一定重叠的子阵，将子阵波束形成后的信号划分成子波束组。对子 波束组进行两级锐化波束形成，得到较为尖锐的多波束输出。该方法与常规波束形成计算 量基本相当，算法结构较适合硬件平台实现，能够在信号采样间隔内完成波束形成处理，有 效地抑制了多波束测深声纳中的"隧道效应"。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是在于提供一种多波束测深声纳多子阵波束锐化方法。
[0006] 本发明的目的是这样实现的：
[0007] 包含以下几个步骤：
[0008] (1)对换能器阵列接收到的原始信号进行正交变换，得到所需的解析信号；
[0009] (2)利用子阵划分器，对得到的解析信号进行子阵划分，将信号划分为在空间上具 有重叠的4个子阵，并将子阵划分为2个子波束组；
[0010] (3)对每个子阵进行常规波束形成，分别对子阵1和子阵4组成的子波束组A和子 阵2和子阵3组成的子波束组B进行第一级锐化波束形成；
[0011] (4)对子波束组A和子波束组B锐化波束形成后的输出作为下一级锐化波束形成 的输入，进行第二级锐化波束形成，其输出即为锐化多波束输出。
[0012] 所述的换能器阵列共有M阵元，则设计每个子阵长度为N，1子阵与2子阵之间间 隔阵元数为N 1,2子阵与3子阵之间间隔阵元数为N2, 3子阵与4子阵之间间隔阵元数为N1, 则子阵划分需满足关系式M = 4N-2Ni-N2。各子阵的空间位置可分别为：
[0013] X1 = [ (-M/2+0. 5) : I: (N-M/2-0. 5) ] *D
[0014] X2= [ (-M/2+N-N !+0· 5) : 1: (Ν2/2-0· 5) ] *D
[0015] X3= [ (-N 2/2+0. 5) : I: (M/2-N+Ni+O. 5) ] *D
[0016] X4= [ (M/2-N+0. 5) : I: (M/2-0. 5) ] *D
[0017] 其中D为阵元间距。
[0018] 所述步骤（3)中将1子阵和4子阵组成子波束组A，2将子阵和3子阵组成子波束 组B。
[0019] 所述波束组A的锐化波束为：
[0021] 其中，Rsi为子阵1和子阵4的和波束，表示为Rsi= |ROT1| + |RraF4| ;RD1为子阵1和 子阵4的差波束，表示为Rdi= |ReBF「ReBF4| ;ns为锐化系数，选择范围在（0· 3, 1)。
[0022] 锐化波束形成的简化结构如下：
[0023] 和波束
[0024] 差波束
[0025] 锐化波束：
[0026] 本发明的有益效果是：
[0027] 1、在不增加基阵孔径的前提下，使用信号处理方法完成波束的锐化过程。不同于 误差反馈格型RLS算法和基于Givens旋转的后验格型-梯型算法等计算量较大、结构复杂 的算法，本发明能够在较小的运算量情况下完成对"隧道效应"的抑制。
[0028] 2、能够得到较加窗常规波束形成更高的主旁瓣比，并且主瓣宽度较加窗前有所降 低。经算法结构简化后，更适于硬件平台实现，能够在采样间隔内即完成锐化波束形成，具 有较高的工程实用性。
【附图说明】
[0029] 图1算法整体结构框图。
[0030] 图2多子阵划分不意图。
[0031 ] 图3锐化波束简化结构示意图。
[0032] 图4a波束宽度对比示意图。
[0033] 图4b角度分辨力对比示意图。
[0034] 图5a常规波束形成输出效果图。
[0035] 图5b锐化波束形成输出效果图。
[0036] 图6a常规波束形成水底检测图。
[0037] 图6b锐化波束形成水底检测图。
【具体实施方式】
[0038] 下面结合附图对本发明进行详细描述：
[0039] 一种多波束测深声纳多子阵波束锐化方法，包含以下几个步骤：
[0040] 步骤（1):对换能器阵列接收到的原始信号进行正交变换，得到所需的解析信号；
[0041] 步骤（2):利用子阵划分器，对得到的解析信号进行子阵划分，将信号划分为在空 间上具有一定重叠的4个子阵，并将子阵划分为2个子波束组；
[0042] 步骤⑶：对每个子阵进行常规波束形成，分别对子阵1和子阵4组成的子波束组 A和子阵2和子阵3组成的子波束组B进行第一级锐化波束形成；
[0043] 步骤（4):对子波束组A和子波束组B锐化波束形成后的输出作为下一级锐化波 束形成的输入，进行第二级锐化波束形成，其输出即为锐化多波束输出。
[0044] 本发明还可以包括：
[0045] 1、多子阵划分形式：
[0046] 假设换能器共有M阵元，则设计每个子阵长度为N，子阵1与子阵2之间间隔阵元 数为N 1，子阵2与子阵3之间间隔阵元数为N2，子阵3与子阵4之间间隔阵元数为N1，则子 阵划分需满足关系式M = 4N-2NfN2。
[0047] 2、锐化波束形成方法：
[0048] 以子波束组A为例可表示为：
[0050] 其中，Rsi为子阵1和子阵4的和波束，表示为Rsi= |ReBF1| + |ReBF4| ;RD1为子阵1和 子阵4的差波束，表示为Rdi= |ROT1-ReBF4| ;ns为锐化系数，选择范围在（0.3, 1)，可以根据 不同波束角度选取不同值，用以得到预期的束宽。
[0051] 3、锐化波束形成结构优化：
[0052] 锐化波束形成方法可以进行结构简化，将一次未知底数未知幂数的指数运算推导 成为一次已知底数的指数运算和一次已知底数的对数运算的组合运算，使算法结构更适合 硬件平台实现，结构简化如下：
[0056] 结合图1，本发明涉及一种多波束测深声纳多子阵波束锐化方法，包含以下几个步 骤：
[0057] 步骤（1):对换能器阵列接收到的原始信号进行正交变换，得到所需的解析信号；
[0058] 步骤（2):利用子阵划分器，对得到的解析信号进行子阵划分，将信号划分为在空 间上具有一定重叠的4个子阵，并将子阵划分为2个子波束组；
[0059] 步骤⑶：对每个子阵进行常规波束形成，分别对子阵1和子阵4组成的子波束组 A和子阵2和子阵3组成的子波束组B进行第一级锐化波束形成；
[0060] 步骤（4):对子波束组A和子波束组B锐化波束形成后的输出作为下一级锐化波 束形成的输入，进行第二级锐化波束形成，其输出即为锐化多波束输出。
[0061] 步骤（1)中需要对换能器阵元接收到的原始信号进行正交变换，得到所需的解 析信号。具体实施过程是由正交系数生成器按照采样时间片生成正交系数，与阵元信号 s (i，η)相乘，得到解析信号
[0063] 其中s (i，η)表示第η时间片下第i阵元接收到的信号，f。为信号频率，f s为采样 频率。
[0064] 步骤（2)中首先利用子阵划分器将信号划分成为具有一定空间重叠的子阵，子阵 划分器是事先开辟好的一段一定长度、地址连续的缓存空间，用以存储子阵信号。每个子阵 内的信号在存储地址上连续，有助于向量化的算法硬件实现。本发明采用的是多级锐化波 束形成，则要求划分的子阵数必须满足K = 2n，考虑到系统规模及运算量，本发明采用两级 锐化波束形成，子阵划分为4个，如图2所示。
[0065] 不相邻子阵具有形成波束窄的优点，重叠子阵具有抑