一种基于测深侧扫声纳的二次回波抑制及地貌图融合方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于测深侧扫声纳的二次回波抑制及地貌图融合方法，该方法包括两个步骤：1)、二次回波抑制：将测深侧扫声纳通过若干条接收阵远采用波束形成技术，并利用切比雪夫加权方法来抑制海面二次回波；2)、地貌图融合：将单接收阵元得到的侧扫地貌图与多接收阵元得到的侧扫地貌图进行融合，正下方附近以单阵元侧扫图为主，其余地方以多阵元加权侧扫图为主；本发明很好的消除了常规侧扫声纳地貌图中会出现的重影问题，并将单阵元侧扫地貌图与多阵元侧扫地貌图进行有效融合，得到质量更高的侧扫地貌图，方便了对海底地貌的判读。
【专利说明】
一种基于测深侧扫声纳的二次回波抑制及地貌图融合方法
技术领域
[0001] 本发明属于水下声学成像技术领域，尤其涉及一种基于测深侧扫声纳的二次回波 抑制及地貌图融合方法。
【背景技术】
[0002] 随着对海洋资源的开发和利用，海底地形地貌探测显得越来越重要，目前海底地 形地貌探测主要依靠侧扫声纳和多波束测深声纳，侧扫声纳横向分辨率高，主要用于探测 海底地貌;多波束测深声纳能精确测量海底深度，形成直观的三维地形图，主要用于探测海 底地形。为了将这两种声纳的优点和功能结合起来，英国学者Denbigh于1977年首次正式提 出测深侧扫声纳系统原理和结构，它从侧扫声纳的基础上发展而来，因而完全具有侧扫声 纳的所有优点；结构上主要是增加了若干条平行于发射阵元的接收阵元来接收海底回波信 号，如图1所示，然后利用不同接收阵元间的相位信息来估计海底瞬时回波方位，从而计算 出海底深度，因而它又可以像多波束声纳一样，具有条带测深的功能，具有良好的应用前 景，本发明主要研究利用它来形成侧扫地貌图。
[0003] 常规侧扫声纳为了使其功能和成本相匹配，通常只有一条接收阵元，这样便不能 抑制海底散射二次回波以及海面散射回波，导致海底地貌图像会有重影存在;而测深侧扫 声纳为了实现条带测深功能，一般具有若干条接收阵元，因此除了像常规侧扫声纳那样可 以形成海底地貌声图外，还可以通过多阵元联合空间处理技术，抑制海底散射二次回波以 及海面散射回波，从而形成高质量海底地貌图。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种基于测深侧扫声纳的二 次回波抑制及地貌图融合方法，采用多阵元联合处理技术，解决常规侧扫声纳无法抑制海 底二次散射回波和海面回波的问题，再与单阵元侧扫声图进行融合得到了更高质量的侧扫 声图。
[0005] 本发明的目的是通过如下技术方案来完成的，该方法包括两个步骤：
[0006] 1)、二次回波抑制:将测深侧扫声纳通过若干条接收阵远采用波束形成技术，并利 用切比雪夫加权方法来抑制海面二次回波；
[0007] 2)、地貌图融合:将单接收阵元得到的侧扫地貌图与多接收阵元得到的侧扫地貌 图进行融合，正下方附近以单阵元侧扫图为主，其余地方以多阵元加权侧扫图为主。
[0008] 作为优选，该二次回波抑制及地貌图融合的具体方法包括如下步骤：
[0009] 1 )、将测深侧扫声纳安装在拖体或者AUV的载体上，测深侧扫声纳内的基阵安装倾 角约为20°~40°，发射信号采用Chirp信号；
[0010] 2)、收到接收信号后，在测深侧扫声纳接收阵元中，选取若干条接收阵元的数据， 先对每条阵元的数据作匹配滤波，取匹配滤波后能量值作为阵元的输出结果；
[0011] 3)、选取合适的切比雪夫加权系数，再对各阵元的输出结果采用切比雪夫加权求 和，最后得到的结果作为侧扫条带回波强度；
[0012] 4)、将多阵元加权得到的结果与单阵元得到的结果进行融合，融合后输出结果为
[0014] 本发明的有益效果为:应用测深侧扫声纳对海底地貌形成侧扫声图，利用测深侧 扫声纳的特殊结构，采用多阵元联合空间处理技术，抑制了二次海底散射回波，并与单阵元 侧扫地貌图进行融合，得到更高质量的侧扫地貌图；很好的消除了常规侧扫声纳地貌图中 会出现的重影问题，方便了对海底地貌的判读。
【附图说明】
[0015] 图1是测深侧扫声纳基阵结构示意图。
[0016] 图2是本发明的海底反向散射回波和二次散射回波示意图。
[0017] 图3是本发明的单阵元和四阵元加权侧扫地貌图。
[0018] 图4是本发明的融合处理后的侧扫地貌图。
[0019]图5是本发明的单条阵元接收的海底散射回波信号。
[0020]图6是本发明的理想情形下切比雪夫加权波束图。
[0021] 图7是本发明的单阵元与多阵元加权处理输出结果对比。
[0022] 图8是本发明的海底二次散射回波抑制对比。
【具体实施方式】
[0023] 下面将结合附图对本发明做详细的介绍：
[0024] (1)与常规侧扫声纳类似，测深侧扫声纳可安装在拖体或者AUV等载体上，为了增 大侧扫范围，一般基阵安装倾角约为20°~40°，发射信号采用Chirp信号。
[0025] (2)收到接收信号后，在测深侧扫声纳接收阵元中，选取若干条接收阵元的数据， 先对每条阵元的数据作匹配滤波，取匹配滤波后能量值作为阵元的输出结果。
[0026] (3)选取合适的切比雪夫加权系数，再对各阵元的输出结果采用切比雪夫加权求 和，最后得到的结果作为侧扫条带回波强度。
[0027]在旁瓣约为_30dB的情形下，不同阵元数采用切比雪夫加权法得到的波束图如图6 所示。若考虑侧扫声纳基阵的安装倾角为30度，则对应到波束图中主要考虑30°~120°这个 范围内的值，选N=4或5是比较好的，因为兼顾到了主瓣应保持大约60度的宽度。
[0028]从图7中可看出经过多阵元加权处理后，海面散射回波得到很大的抑制，同时从图 8可以看出，海底二次散射回波也得到了很好的抑制。
[0029] (4)将多阵元加权得到的结果与单阵元得到的结果进行融合，融合后输出结果为
[0031]其中I单表示单阵元输出结果，I力败表示多阵元加权后的输出结果，Ii恰表示融合之 后输出结果，Y表示切比雪夫加权系数之和，a表示融合系数，取值在(0，1)范围内。例如，设 每Ping左舷I单共有N个侧扫点，水柱(声波未接触海底前在水中的散射)约占M个侧扫点，则 融合系数a可取为：
[0033]在存在海底二次散射回波情形下，常规侧扫声纳形成的海底地貌图会有重影存 在，这会使海底地貌图变得模糊不清，严重影响对海底地貌的判别。上述现象主要是由海底 二次散射导致，如图2所示，因此本发明采用多阵元加权处理来抑制旁瓣，从而达到抑制海 底散射二次回波的目的，加权方式采用切比雪夫加权法，旁瓣为_30dB，得到侧扫地貌图与 单阵元得到的侧扫地貌图如图3所示。
[0034]从图3中可以看出，在单阵元侧扫地貌图中可以看到较为明显的重影，但声纳正下 方海底线非常清晰;采用多阵元加权处理后，重影明显的减弱了许多，但遗憾的是海底线也 变得不如单阵元侧扫地貌图那么清晰。
[0035]可将单阵元侧扫图和多阵元加权侧扫图进行融合，正下方附近以单阵元侧扫图为 主，其余地方以多阵元加权侧扫图为主，这样便能很好的将二者的优点结合在一起，如图4 所示。
[0036]从图4可以看出，融合处理后，侧扫地貌图质量有了很大提高，不仅正下方海底线 变得清晰，而且重影也基本消失。
[0037]可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等 同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
【主权项】
1. 一种基于测深侧扫声纳的二次回波抑制及地貌图融合方法，其特征在于:该方法包 括两个步骤： 1) 、二次回波抑制:将测深侧扫声纳通过若干条接收阵远采用波束形成技术，并利用切 比雪夫加权方法来抑制海面二次回波； 2) 、地貌图融合:将单接收阵元得到的侧扫地貌图与多接收阵元得到的侧扫地貌图进 行融合，正下方附近以单阵元侧扫图为主，其余地方以多阵元加权侧扫图为主。2. 根据权利要求1所述的基于测深侧扫声纳的二次回波抑制及地貌图融合方法，其特 征在于:该二次回波抑制及地貌图融合的具体方法包括如下步骤： 1) 、将测深侧扫声纳安装在拖体或者AUV的载体上，测深侧扫声纳内的基阵安装倾角约 为20°~40°，发射信号采用Chirp信号； 2) 、收到接收信号后，在测深侧扫声纳接收阵元中，选取若干条接收阵元的数据，先对 每条阵元的数据作匹配滤波，取匹配滤波后能量值作为阵元的输出结果； 3) 、选取合适的切比雪夫加权系数，再对各阵元的输出结果采用切比雪夫加权求和，最 后得到的结果作为侧扫条带回波强度； 4) 、将多阵元加权得到的结果与单阵元得到的结果进行融合，融合后输出结果为其中I单表示单阵元输出结果，1力败表示多阵元加权后的输出结果，Ii给表示融合之后输 出结果，γ表示切比雪夫加权系数之和，α表示融合系数，取值在(0，1)范围内。
【文档编号】G01S15/89GK105891836SQ201610205730
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年4月1日
【发明人】杨玉春, 焦君圣, 王忠康
【申请人】中国船舶重工集团公司第七〇五研究所, 中国船舶重工集团公司第七一五研究所