三維前視聲吶信號(hào)處理方法

劉治宇，劉曉東，董飛，劉小剛

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三維前視聲吶信號(hào)處理方法

劉治宇，劉曉東，董飛，劉小剛

(中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所海洋聲學(xué)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，北京100190)

三維前視聲像聲吶是安裝在小型水下載體上的重要聲學(xué)探測(cè)設(shè)備。提出了基于波達(dá)方向估計(jì)技術(shù)的三維前視聲吶信號(hào)處理方法，接收陣水平方向采用波束形成技術(shù)，垂直方向采用波達(dá)方向估計(jì)技術(shù)。在波束內(nèi)采用分裂孔徑相位法提高水平方向分辨率，形成聲吶陣前方的三維聲像。仿真結(jié)果和水池實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在接收陣面面積相同的條件下，能夠獲得優(yōu)于常規(guī)技術(shù)的分辨率，可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)目標(biāo)和連續(xù)目標(biāo)的探測(cè)，適合于在水下載體上安裝使用。

波束形成；波達(dá)方向估計(jì)；相位法；三維前視聲吶

0 引言

隨著海洋開(kāi)發(fā)和利用越來(lái)越被重視，應(yīng)用于近海底觀(guān)測(cè)的各種水下載體發(fā)展迅速，如自治無(wú)人水下機(jī)器人、遙控水下機(jī)器人和載人水下機(jī)器人等。三維前視聲像聲吶用于探測(cè)載體前方三維空間內(nèi)障礙物、目標(biāo)和海底，并進(jìn)行聲成像。由于水下載體速度的要求，以及空間和功耗的限制，安裝在小型水下載體上的三維前視聲像聲吶應(yīng)該具有體積小、重量輕、功耗低和分辨率高的特點(diǎn)。

傳統(tǒng)的三維前視聲吶主要采用接收平面陣的二維波束形成技術(shù)，其分辨率受波束角寬限制，要求陣面尺度大，系統(tǒng)復(fù)雜[1]。如果采用二維波達(dá)方向估計(jì)技術(shù)雖然提高了分辨率，但是在空間中同時(shí)到達(dá)的回波個(gè)數(shù)較多的復(fù)雜情況下，不能有效地分辨出多個(gè)目標(biāo)[2]。文獻(xiàn)[3]利用水平方向波束形成技術(shù)和垂直方向波達(dá)方向技術(shù)，垂直方向的波達(dá)方向(Direction of Arrival, DOA)估計(jì)技術(shù)可分辨多個(gè)目標(biāo)，適合于近水面和近海底的應(yīng)用，可以有效提高垂直方向的分辨率，但水平方向的分辨率較低。

為了克服以上幾種方法的缺點(diǎn)，本文采用了一種波束形成技術(shù)、相位法和波達(dá)方向估計(jì)技術(shù)相結(jié)合的信號(hào)處理方法。通過(guò)水平方向的波束形成將波束指向特定的方向，提高該方向的信噪比并減少同時(shí)到達(dá)聲吶陣的信源個(gè)數(shù)；在垂直方向采用波達(dá)方向估計(jì)技術(shù)，提高垂直方向的分辨率；并在水平方向的波束內(nèi)，采用分裂孔徑相位法提高對(duì)連續(xù)目標(biāo)的水平方向分辨能力。利用這樣的信號(hào)處理方法，可以在陣面尺寸較小的情況下，有效地探測(cè)聲吶陣前方目標(biāo)和地形，并提高水平和垂直兩個(gè)方向的分辨率，使用該方法的聲吶陣更適合安裝在小型水下載體上。

1 信號(hào)處理方法

本文提出的信號(hào)處理方案是針對(duì)安裝在小型水下載體上的三維前視聲像聲吶，其信號(hào)處理流程中關(guān)鍵技術(shù)是結(jié)合波束形成技術(shù)、相位法和波達(dá)方向估計(jì)技術(shù)，信號(hào)處理總體流程如圖1所示。在水平平面內(nèi)采用波束形成技術(shù)形成多個(gè)水平方向的波束，波束寬度約為7°；在波束內(nèi)，采用相位法求出水平方向的入射角，提高探測(cè)連續(xù)目標(biāo)的水平方向分辨率；同時(shí)在垂直平面內(nèi)采用波達(dá)方向估計(jì)技術(shù)求出垂直方向的入射角，最后利用這兩個(gè)方向的入射角度和回波到達(dá)時(shí)間等信息計(jì)算出散射點(diǎn)在三維空間中的位置，得到聲像。

由于在波束內(nèi)采用相位法，可以在較寬波束內(nèi)提高水平方向分辨率，因此可減少水平基元個(gè)數(shù)，減小陣面尺寸。

下面分別對(duì)其中所使用的各種信號(hào)處理技術(shù)進(jìn)行闡述。

1.1 水平方向波束形成

頻域波束形成采用快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform, FFT)同時(shí)形成多個(gè)指向不同角度的波束，頻域波束形成的計(jì)算方法為[4]

與延時(shí)加權(quán)求和的時(shí)域波束形成相比，采用FFT波束形成方法能夠加快計(jì)算速度，提高計(jì)算效率，但是FFT中波束序號(hào)是整數(shù)，所以FFT只能形成有限個(gè)特定角度的波束。由于水下載體的姿態(tài)通常比較好，不需要做實(shí)時(shí)的姿態(tài)穩(wěn)定，因此只要這些波束能夠覆蓋聲吶陣前方區(qū)域，固定的波束形成角度對(duì)聲成像不會(huì)產(chǎn)生影響。

波束形成技術(shù)的作用類(lèi)似于空間濾波，可以保留波束指向角方向的增益并壓制偏離波束指向角的散射點(diǎn)，所以只需要考慮波束中心在海底投影附近的散射點(diǎn)的影響。波束主瓣寬度與波束指向角的大小有很大關(guān)系，波束指向正下方，即波束指向角為零時(shí)，波束主瓣最窄；而當(dāng)波束指向角變大時(shí)，波束主瓣在海底的投影變寬，而且投影在波束中心的兩側(cè)不對(duì)稱(chēng)。如果直接采用波束形成后的結(jié)果進(jìn)行判別，則測(cè)深結(jié)果的分辨率較差。

1.2 分裂孔徑相位法

分裂孔徑相位法的基本原理[5-8]是：把接收陣分成兩個(gè)完全相同的子陣，子陣波束形成后，等效于將接收陣面轉(zhuǎn)向波束指向角，波束中心上的散射元正好位于兩個(gè)子陣的等效中心連線(xiàn)的垂直平分線(xiàn)上，也就是說(shuō)波束中心點(diǎn)到達(dá)兩個(gè)子陣的相位差為零。

而偏離波束中心的水平入射角也可以利用它與兩子陣相位差之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系計(jì)算得到。令兩個(gè)子波束的同相分量和正交分量分別為1，2，1，2，可以利用共軛相乘的方法來(lái)提取相位差，計(jì)算公式為

(3)

其中：是兩個(gè)子陣間隔的基元間隔；是波數(shù)；是波束指向角；是實(shí)際角度與波束指向角的偏差。在遠(yuǎn)場(chǎng)條件下，相位差為零時(shí)的方向?qū)?yīng)于波束指向角，此時(shí)有。所以由相位法計(jì)算出水平方向的實(shí)際角度為

利用上述相位法估計(jì)回波入射角的優(yōu)點(diǎn)是能夠有效地利用波束內(nèi)幾乎所有相位差信息來(lái)估計(jì)所有散射點(diǎn)的回波入射角度，對(duì)于連續(xù)目標(biāo)能夠得到比較精確的角度估計(jì)結(jié)果。但是它的缺點(diǎn)是只能分辨波束內(nèi)同時(shí)到達(dá)的一個(gè)目標(biāo)，無(wú)法分辨同時(shí)到達(dá)的多個(gè)目標(biāo)。此外，對(duì)于聲吶陣正前方的目標(biāo)，相位差變化的區(qū)間太小，相位差曲線(xiàn)任何一點(diǎn)細(xì)微的抖動(dòng)都會(huì)給最終的估計(jì)結(jié)果帶來(lái)較大的誤差，所以相位法不適用于正前方的目標(biāo)。

1.3 信源數(shù)估計(jì)

波達(dá)方向估計(jì)算法多采用基于特征子空間的算法，它利用信號(hào)子空間與噪聲子空間的正交性估計(jì)來(lái)波方向，需要預(yù)先知道信源個(gè)數(shù)。而當(dāng)信號(hào)源數(shù)估計(jì)不正確時(shí)，也就是對(duì)信號(hào)子空間和噪聲子空間估計(jì)不準(zhǔn)，即兩者不完全正交，會(huì)造成對(duì)估計(jì)信號(hào)源時(shí)的虛警或者漏警，也就會(huì)造成在估計(jì)信號(hào)方向時(shí)的偏差，所以波達(dá)方向估計(jì)技術(shù)中的首要問(wèn)題是信源數(shù)估計(jì)問(wèn)題。

文獻(xiàn)[9]提出了一種基于特征空間的信源數(shù)估計(jì)方法，它將陣列信號(hào)的協(xié)方差估計(jì)值分別投影到信號(hào)的特征子空間和噪聲子空間。由于信號(hào)子空間與噪聲子空間相互正交，易于由表征投影大小的判據(jù)值區(qū)分信號(hào)和噪聲的貢獻(xiàn)，得到了性能優(yōu)良的信源數(shù)估計(jì)方法。該方法優(yōu)于傳統(tǒng)的蓋氏圓法，而且不需要人工輸入信號(hào)閾值，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的閾值設(shè)定，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

1.4 波達(dá)方向估計(jì)

在垂直平面內(nèi)對(duì)做完波束形成后的信號(hào)用波達(dá)方向估計(jì)技術(shù)求入射角，系統(tǒng)中采用旋轉(zhuǎn)不變子空間(Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques, ESPRIT)算法，利用數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣信號(hào)子空間的旋轉(zhuǎn)不變特性估計(jì)信號(hào)參數(shù)。與其他方法相比，ESPRIT算法不需要進(jìn)行譜峰搜索，計(jì)算量比較小，計(jì)算速度比較快。

ESPRIT算法的原理[2]是：認(rèn)為相鄰子陣間存在一個(gè)固定間距，這個(gè)固定間距能反映出各相鄰子陣間的旋轉(zhuǎn)不變特性。ESPRIT算法就是利用這個(gè)子陣間的旋轉(zhuǎn)不變性實(shí)現(xiàn)陣列的DOA的估計(jì)。

式中：是發(fā)射信號(hào)，是空間陣列的流型矩陣，旋轉(zhuǎn)不變關(guān)系，則子陣1的陣列流型，子陣2的陣列流型，是兩個(gè)子陣陣列流型的合并形式，噪聲一般是零均值高斯白噪聲，與信號(hào)不相關(guān)。

對(duì)接收信號(hào)的協(xié)方差矩陣進(jìn)行特征分解可得：

(7)

本文采用實(shí)值空間總體最小二乘的ESPRIT算法[2](Unitary TLS-ESPRIT)，對(duì)常規(guī)ESPRIT算法的改進(jìn)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(2) 進(jìn)行雙向平滑，減小估計(jì)誤差，顯著增強(qiáng)了對(duì)相關(guān)性較強(qiáng)的回波信號(hào)的處理。可以進(jìn)行對(duì)估計(jì)結(jié)果的有效性判決。

2 仿真結(jié)果

為了驗(yàn)證將波束形成技術(shù)、相位法和波達(dá)方向估計(jì)技術(shù)三者相結(jié)合的信號(hào)處理算法的性能，在Windows平臺(tái)上用Matlab 7.0進(jìn)行仿真計(jì)算。仿真實(shí)驗(yàn)中，平面接收聲吶陣選用16×6個(gè)陣元，相鄰陣元間隔為半波長(zhǎng)，有效陣面大小為80 mm×30 mm。發(fā)射信號(hào)帶寬為10 kHz、中心頻率為150 kHz的chirp信號(hào)；實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)設(shè)定為聲吶陣前方三維空間中的一根桿，桿中心點(diǎn)P到參考點(diǎn)的距離為75 m；水平方向入射角為45°，垂直方向入射角為30°，信噪比為20 dB。產(chǎn)生仿真數(shù)據(jù)的方法見(jiàn)參考文獻(xiàn)[10]。

采用本文提出的信號(hào)處理方法仿真計(jì)算出的角度如圖2所示。與實(shí)際散射點(diǎn)的入射角度相比，水平方向入射角的均方根誤差為1.1037°，垂直方向入射角的均方根誤差為0.9141°。

對(duì)于有效陣面大小相同的平面聲吶陣，分別采用結(jié)合波束形成技術(shù)、相位法和波達(dá)方向估計(jì)技術(shù)的新方法與采用常規(guī)二維波束形成方法在入射角度估計(jì)上的誤差比較見(jiàn)表1?？梢钥闯?，結(jié)合波束形成技術(shù)、相位法和波達(dá)方向估計(jì)技術(shù)的新方法能夠獲得較高的水平分辨率和垂直分辨率，優(yōu)于常規(guī)二維波束形成技術(shù)。

表1 兩種方法計(jì)算出角度的誤差

3 水池試驗(yàn)結(jié)果

聲吶陣元布設(shè)圖見(jiàn)圖3，發(fā)射陣的中心基元用于發(fā)射，周?chē)?個(gè)基元為啞元，為中心發(fā)射基元提供必要的邊界條件，保證中心基元能夠?qū)崿F(xiàn)寬覆蓋發(fā)射，水平、垂直方向波束開(kāi)角可達(dá)到85°×85°。單基元發(fā)射能夠?qū)崿F(xiàn)寬覆蓋，但發(fā)射靈敏度低，影響系統(tǒng)的作用距離。

接收陣為18×8基元的平面陣，中間16×6個(gè)基元接收，邊緣基元為啞元，每個(gè)陣元單獨(dú)引線(xiàn)。它可在水平平面內(nèi)形成約7°的窄波束。聲吶陣尺寸較小，有效陣面尺寸為80 mm×30 mm，非常適合安裝在水下載體頭部。

為了驗(yàn)證方法的有效性，課題組在某消聲水池開(kāi)展了目標(biāo)探測(cè)試驗(yàn)和池壁探測(cè)試驗(yàn)。該水池長(zhǎng)約13 m，寬為7.5 m，深為5 m，其各側(cè)面及上下表面均覆蓋有消聲瓦。試驗(yàn)時(shí)將聲吶艙固定于航車(chē)的吊架上，通過(guò)該吊架可以根據(jù)需要在水池內(nèi)任意部位吊放聲吶系統(tǒng)。本實(shí)驗(yàn)將聲吶艙吊放于水池中間且距離水池后壁約1.5 m處，入水深度為2.5 m。利用CPCI信號(hào)處理機(jī)采集并存儲(chǔ)原始AD數(shù)據(jù)，采用上述信號(hào)處理方法對(duì)原始AD數(shù)據(jù)處理得到聲吶陣前方圖像。

目標(biāo)探測(cè)試驗(yàn)選用兩個(gè)典型目標(biāo)。目標(biāo)1為空心圓柱，直徑為18 cm，高度為30 cm，吊放于聲吶陣右前方。目標(biāo)2為空心球，直徑為33 cm，吊放于聲吶陣正前方。兩目標(biāo)均懸于水中，距池底2.5 m，中心高度相同，水平距離為0.4 m，試驗(yàn)具體布設(shè)情況見(jiàn)圖4。從圖5的圖像結(jié)果可以看出，該信號(hào)處理方法可以分辨出兩個(gè)目標(biāo)，圖像中目標(biāo)的位置與實(shí)際相吻合，水平方向采用的相位法技術(shù)可以恢復(fù)目標(biāo)的多個(gè)散射點(diǎn)，具有高的水平分辨率。

池壁探測(cè)試驗(yàn)的結(jié)果如圖6、7所示。由于水池前壁布有吸聲尖劈，部分散射點(diǎn)的回波較弱，圖像點(diǎn)呈不均勻分布，見(jiàn)圖6。但是從上方看，所有圖像點(diǎn)基本在同一個(gè)平面，見(jiàn)圖7。池壁探測(cè)試驗(yàn)表明，該方法可以恢復(fù)出連續(xù)目標(biāo)的圖像，具有高的水平分辨率和垂直分辨率，聲吶測(cè)距誤差為18.78 cm。利用池壁探測(cè)試驗(yàn)采集的原始AD數(shù)據(jù)，采用二維波束形成技術(shù)得到的測(cè)距誤差為37.48 cm。如利用文獻(xiàn)[3]提出的方法，則測(cè)距誤差為31.63 cm。從以上比較可以看出，該方法在聲吶陣有效陣面比較小的條件下，能夠獲得優(yōu)于常規(guī)技術(shù)的水平分辨率和垂直分辨率。

4 結(jié)論

應(yīng)用在小型水下載體的三維前視聲像聲吶有體積小和分辨率高這兩個(gè)方面的技術(shù)要求，本文提出了一種將波束形成技術(shù)、分裂孔徑相位法和波達(dá)方向估計(jì)技術(shù)相結(jié)合的方法。水池試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法在聲吶陣有效陣面比較小的條件下，能夠獲得優(yōu)于常規(guī)技術(shù)的水平分辨率和垂直分辨率，測(cè)距誤差小于20 cm，適合在小型水下載體上應(yīng)用。

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Signal processing method for 3D forward-looking sonar

LIU Zhi-yu, LIU Xiao-dong, DONG Fei, LIU Xiao-gang

(Laboratory of Acoustic Technology,Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences,Beijng100190, China)

A signal processing method for 3D forward-looking Sonar based on Direction of Arrival Estimation is presented. Beamforming is used in horizontal direction of the receive array, and DOA estimation is employed in vertical direction. Phase estimation is also implemented to improve the resolution in horizontal direction for detecting continuous target. Finally the 3D image in the front of sonar array is formed. The results of tests show that the method can get higher resolution than the sonar using beamforming with the same area of receiver array. The sonar using the method is more suitable for underwater vehicles.

beamforming;direction of arrival estimation;phase estimation; 3D forward-looking sonar

TB565

A

1000-3630(2015)-04-0317-05

10.16300/j.cnki.1000-3630.2015.04.005

2014-07-16;

2014-10-12

國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目(2006AA09Z119)

劉治宇(1978－), 男, 遼寧沈陽(yáng)人, 博士, 副研究員, 研究方向?yàn)樗曅盘?hào)處理、陣列信號(hào)處理。

劉治宇, E-mail: liuzhiyu@mail.ioa.ac.cn