测深侧扫声纳仿真研究
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摘要
测深侧扫声纳是一种海底地形测量设备。它是在传统的水声技术和测深技术基础上改进的系统，因为其宽条带使得测量更有效率，高空间分辨率不容易错过目标或特征，输出图像显示了海底地质有价值的信息。
本文在借鉴多波束测深声纳和传统侧扫声纳的基础上，给出了测深侧扫声纳声纳方程的一些技术指标和基阵设计的参数。
针对多途反射和其他方向的干扰的问题，提出了相干源估计方法来分辨从不同方向的两个信号源，并将其与ESPRIT方法相比较。仿真的结果表明相干源估计方法适合相干信号模型而ESPRIT方法适合非相干信号模型，在浅水情况下两种方法的结合具有很好的性能而同时不会增加系统规模。
文中还介绍了另一种估计海底回波角度的方法—相位中心比较技术。这种方法通过直接计算基阵间的相位中心的相位差来估计回波DOA，这是一种取代了参数估计方法的数学方法，算法能快速执行而产生时间序列。论文给出了仿真结果和实际数据的处理结果，对该方法的可行性进行了验证。
Bathymetric sidescan sonar systems is a sort of seabed terrain surveying and mapping equipment and offer great improvement over conventional hydrographic and bathymetric techniques because their broad swath makes it possible to survey an area more efficiently, their high spatial resolution makes it less likely to miss an obstruction or feature, their image output gives valuable information about the bottom composition.
In this paper, putting forward and reasoning the technical parameters of bathymetric sidescan sonar and the design of sonar array.
To resolve the multipath reflection and other directional interference, a coherent source direction estimator to resolve two sources from different directions is proposed. This method is compared with the ESPRIT-based approach using different sonar data models. The simulations show that coherent source direction estimator works very well for highly coherent sources while the ESPRIT-based method is quite robust for the incoherent source signal model. The results suggest that the combination of two approaches could get a better performance in shallow water without significant increase of the system cost.
A new method-the phase center comparison techniques for calculating the direction-of-arrival (DOA), and thus the bathymetry of the seafloor, is presented. This method will calculate the DOA directly from the phase difference between the phase centers of the array. The method is a numeric approach, instead of a parametric method. The bathymetry calculated can produce a real time display since this algorithm is performed quickly. Through computer simulation and trial data, the method is proved effectively.
本文在借鉴多波束测深声纳和传统侧扫声纳的基础上，给出了测深侧扫声纳声纳方程的一些技术指标和基阵设计的参数。
针对多途反射和其他方向的干扰的问题，提出了相干源估计方法来分辨从不同方向的两个信号源，并将其与ESPRIT方法相比较。仿真的结果表明相干源估计方法适合相干信号模型而ESPRIT方法适合非相干信号模型，在浅水情况下两种方法的结合具有很好的性能而同时不会增加系统规模。
文中还介绍了另一种估计海底回波角度的方法—相位中心比较技术。这种方法通过直接计算基阵间的相位中心的相位差来估计回波DOA，这是一种取代了参数估计方法的数学方法，算法能快速执行而产生时间序列。论文给出了仿真结果和实际数据的处理结果，对该方法的可行性进行了验证。
Bathymetric sidescan sonar systems is a sort of seabed terrain surveying and mapping equipment and offer great improvement over conventional hydrographic and bathymetric techniques because their broad swath makes it possible to survey an area more efficiently, their high spatial resolution makes it less likely to miss an obstruction or feature, their image output gives valuable information about the bottom composition.
In this paper, putting forward and reasoning the technical parameters of bathymetric sidescan sonar and the design of sonar array.
To resolve the multipath reflection and other directional interference, a coherent source direction estimator to resolve two sources from different directions is proposed. This method is compared with the ESPRIT-based approach using different sonar data models. The simulations show that coherent source direction estimator works very well for highly coherent sources while the ESPRIT-based method is quite robust for the incoherent source signal model. The results suggest that the combination of two approaches could get a better performance in shallow water without significant increase of the system cost.
A new method-the phase center comparison techniques for calculating the direction-of-arrival (DOA), and thus the bathymetry of the seafloor, is presented. This method will calculate the DOA directly from the phase difference between the phase centers of the array. The method is a numeric approach, instead of a parametric method. The bathymetry calculated can produce a real time display since this algorithm is performed quickly. Through computer simulation and trial data, the method is proved effectively.
引文
[1] 赵建虎．多波束深度及图像数据处理方法研究．武汉大学博士学位论文．2002：3-9页
[2] 金翔龙．海洋地球物理技术的发展．东华理工学院学报．2004，27(1)：11-12页
[3] 刘经南等．多波束测深系统的现状和发展趋势．海洋测绘．2002，22(5)：5-6页
[4] 朱维庆，刘晓东等．测深侧扫声纳差分相位估计．声学学报．2003，2(6)：481-485页
[5] 朱维庆，朱敏等．海底微地形地貌测量系统．海洋测绘．2003，23(3)：1-3页
[6] 刘忠臣等．浅水多波束系统及其最新技术发展．海洋测绘．2005，25(5)：68-70页
[7] SEA BEAM(USA) Multibeam Sonar Theory of Operation. Sea Beam Instruments Inc. Revision A 2101-8289P
[8] 李家彪等．多波束勘测技术原理与方法．北京：海洋出版，1999
[9] 李全兴，潘国富，钱万民．水深测量与海底面状况声探测技术的进展．海洋测绘．1996，(1)：9-10页
[10] 关致和．海底测量的相干声纳系统．海洋测绘．1997，(2)：36-37页
[11] 朱维庆，刘晓东等．高分辨率测深侧扫声纳．海洋技术．2005，24(4)：1-2页
[12] 曹洪泽．多波束条带测深系统中的相位检测方法研究．哈尔滨工程大学硕士学位论文．1999：3-9页
[13] Dekeyzer R T, Byme J S, Case J D, Cliford B A and Simmons W S. A comparison of acoustic imagery of sea floor features using a towed side scan and a multi-beam echosounder. IEEE Oceans' 02.2, 2002, 1203-1211P
[14] 魏建江等著．CS-1型侧扫声纳系统．海洋技术．1997，16(3)：1-3页
[15] 马开银．小型化多波束条带测深系统研究．哈尔滨工程大学硕士学位论 文．2000：18-44页
[16] A．D．Waite．实用声纳工程．王德石．第三版．电子工业出版社，2004
[17] 田坦，刘国枝，孙大军著．声纳技术．哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，14-39页
[18] 周福洪．水声换能器及基阵．北京：国防工业出版社，200-212页
[19] R．J．尤立克．水声原理．洪申．哈尔滨：哈尔滨船舶工程学院出版社，1985：25-30页
[20] 王泉著．水声设备．北京：国防工业出版社，1985：30-39页
[21] 蒋立军，杜文萍，许枫．侧扫声纳回波信号的增益控制．海洋测绘．2002，22(3)：1-2页
[22] M. A. Masnadi-Shirazi. Differential phase estimation with the SeaMARC bathymetric sidescan sonar system. IEEE Journal of Oceanic Engineering, 1992, 17(3): 239-251P
[23] R. Roy and T. Kailath. ESPRIT-Estimation of signal parameters via rotational invariance techniques. IEEE Transaction on Acoustics, Speech, and Signal Processing, 1989, 37(7): 984-995P
[24] Xu. Wen. and Steward. W. Kenneth. Coherent Source Direction Estimation for Three-Row Bathymetric Sidescan Sonars. Proceeding of IEEE Oceans 1999, Vol. 1, 299-304P.
[25] 杜选民，李海森，姚蓝．多波束条带测深系统中正交信号的获取技术．声学技术．1998，17(1)：41-43页
[26] 张贤达著．现代信号处理．北京：清华大学出版社，2003：142-146页
[27] Edward T. G. Crenshaw. Cross-Correlation of Phase Centers to Estimate Direction-of-Arrival for a 3-Row Bathymetric Sidesca Sonar. 2001, 1-44P
[28] 杨蕾．时延相移波束形成技术研究．哈尔滨工程大学硕士学位文．2004：24-26页
[2] 金翔龙．海洋地球物理技术的发展．东华理工学院学报．2004，27(1)：11-12页
[3] 刘经南等．多波束测深系统的现状和发展趋势．海洋测绘．2002，22(5)：5-6页
[4] 朱维庆，刘晓东等．测深侧扫声纳差分相位估计．声学学报．2003，2(6)：481-485页
[5] 朱维庆，朱敏等．海底微地形地貌测量系统．海洋测绘．2003，23(3)：1-3页
[6] 刘忠臣等．浅水多波束系统及其最新技术发展．海洋测绘．2005，25(5)：68-70页
[7] SEA BEAM(USA) Multibeam Sonar Theory of Operation. Sea Beam Instruments Inc. Revision A 2101-8289P
[8] 李家彪等．多波束勘测技术原理与方法．北京：海洋出版，1999
[9] 李全兴，潘国富，钱万民．水深测量与海底面状况声探测技术的进展．海洋测绘．1996，(1)：9-10页
[10] 关致和．海底测量的相干声纳系统．海洋测绘．1997，(2)：36-37页
[11] 朱维庆，刘晓东等．高分辨率测深侧扫声纳．海洋技术．2005，24(4)：1-2页
[12] 曹洪泽．多波束条带测深系统中的相位检测方法研究．哈尔滨工程大学硕士学位论文．1999：3-9页
[13] Dekeyzer R T, Byme J S, Case J D, Cliford B A and Simmons W S. A comparison of acoustic imagery of sea floor features using a towed side scan and a multi-beam echosounder. IEEE Oceans' 02.2, 2002, 1203-1211P
[14] 魏建江等著．CS-1型侧扫声纳系统．海洋技术．1997，16(3)：1-3页
[15] 马开银．小型化多波束条带测深系统研究．哈尔滨工程大学硕士学位论 文．2000：18-44页
[16] A．D．Waite．实用声纳工程．王德石．第三版．电子工业出版社，2004
[17] 田坦，刘国枝，孙大军著．声纳技术．哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，14-39页
[18] 周福洪．水声换能器及基阵．北京：国防工业出版社，200-212页
[19] R．J．尤立克．水声原理．洪申．哈尔滨：哈尔滨船舶工程学院出版社，1985：25-30页
[20] 王泉著．水声设备．北京：国防工业出版社，1985：30-39页
[21] 蒋立军，杜文萍，许枫．侧扫声纳回波信号的增益控制．海洋测绘．2002，22(3)：1-2页
[22] M. A. Masnadi-Shirazi. Differential phase estimation with the SeaMARC bathymetric sidescan sonar system. IEEE Journal of Oceanic Engineering, 1992, 17(3): 239-251P
[23] R. Roy and T. Kailath. ESPRIT-Estimation of signal parameters via rotational invariance techniques. IEEE Transaction on Acoustics, Speech, and Signal Processing, 1989, 37(7): 984-995P
[24] Xu. Wen. and Steward. W. Kenneth. Coherent Source Direction Estimation for Three-Row Bathymetric Sidescan Sonars. Proceeding of IEEE Oceans 1999, Vol. 1, 299-304P.
[25] 杜选民，李海森，姚蓝．多波束条带测深系统中正交信号的获取技术．声学技术．1998，17(1)：41-43页
[26] 张贤达著．现代信号处理．北京：清华大学出版社，2003：142-146页
[27] Edward T. G. Crenshaw. Cross-Correlation of Phase Centers to Estimate Direction-of-Arrival for a 3-Row Bathymetric Sidesca Sonar. 2001, 1-44P
[28] 杨蕾．时延相移波束形成技术研究．哈尔滨工程大学硕士学位文．2004：24-26页