多波束與側掃聲納海底目標探測對比分析

宋 曦

（天津港灣水運工程有限公司，天津 300453）

多波束與側掃聲納之間具有良好的互補性，可以優(yōu)勢互補，相互彌補各自不足；此外，它們還能通過信息共享提高資源利用率。所以對于多波束與側掃聲納在海底目標探測應用中如何實現(xiàn)互補及高效處理的研究有著十分重要的意義。首先，對多源數(shù)據(jù)系統(tǒng)模型及其關鍵技術進行分析，包括基于特征點匹配算法的姿態(tài)解算方法、回波多普勒頻移估計方法及成像質量評價準則等內容。然后，針對目前多波束與側掃聲納間比對分析了解到兩者均采用同一坐標系下測量獲得不同時刻多個傳感器輸出數(shù)據(jù)，從而造成計算量巨大這一缺點，提出將兩種數(shù)據(jù)源相結合的思想。

1 海底聲納工作原理

海底聲納工作原理是利用兩個或兩個以上的換能器發(fā)射聲波形成一個聲場，由接收裝置接收該聲場產生的聲脈沖來判斷聲源位置及方向。多波束聲納則利用多個陣元同時發(fā)射相同頻率、幅值、相位各異的超聲波，根據(jù)各通道接收靈敏度差異確定方位角度。側掃聲納則是利用各個陣元分別接收同一個頻段內各陣元所發(fā)出的超聲脈沖，進而確定出被測對象空間分布情況，完成水下環(huán)境感知。

1.1 聲源

首先聲源對于海洋結構物作用時主要依靠其所受外力大小決定是否會發(fā)生運動，如果不受外力作用就會導致物體損壞甚至毀壞。當外界條件發(fā)生變化后，如海流流速變化、海水溫度改變、氣壓升高或下降以及其他環(huán)境因素影響都可能使得聲源受到擾動而使其受力增大或者減小。其次，由于海洋環(huán)境復雜多樣，各種干擾信號往往以一定方式疊加于一起，這給識別和定位帶來了較大困難。而聲納自身存在著噪聲干擾、窄帶干擾和寬帶干擾，這些干擾信號不僅嚴重地降低了信噪比而且也削弱了檢測能力。最后，在實際使用過程中，通常需要對多種環(huán)境參數(shù)做出準確評估，以便及時作出正確決策。

1.2 脈沖響應分析

為了能夠更有效地提取目標信息，提高信號處理效率，必須要從時域和頻域兩方面去研究目標特性，即利用脈沖多普勒雷達測量出水下運動物體速度或加速度等參量。隨著現(xiàn)代科學技術的不斷發(fā)展以及工程實踐要求的日益迫切，基于被動測距原理的多波束系統(tǒng)逐漸被開發(fā)出來并開始運用到軍事上。但是海底的脈沖響應具有非平穩(wěn)特征，因此傳統(tǒng)方法難以得到滿意效果。由于其接收通道數(shù)目眾多，因而可獲得比單路發(fā)射更大范圍內的聲場分布情況。在此過程中，需要對這些數(shù)據(jù)做進一步的數(shù)據(jù)處理，再經過一系列處理即可得出完整波形，所以多波束成像算法已經成為當今水聲領域發(fā)展最成熟且應用最為廣泛的一種信息處理手段之一。側掃聲納對于海底脈沖響應有著很強的適應能力，并且能提供豐富的海雜波背景信息和較高的分辨率，從而為后續(xù)探測任務提供方便。

1.3 海底聲納接收機

海底聲納接收機作為多波束系統(tǒng)中重要組成部分，負責完成對外部海洋聲信道環(huán)境下微弱聲音信號的采集與傳輸。該設備主要包括：低通濾波器、放大電路、檢波器和放大器等幾部分組成，其中低通模擬前端是整個系統(tǒng)的關鍵器件，直接影響整個系統(tǒng)性能。而多波束系統(tǒng)對低中頻數(shù)字信號處理器提出了非常高的要求，因為只有這樣才能保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作，同時又滿足高速實時采樣需求。但是對于聲納的接收效果是有一定限制的，這是因為在海水介質中存在著大量噪聲和干擾，使得信噪比會急劇下降，甚至無法分辨有用信號，嚴重時甚至導致不能正常工作。另外，海底地形復雜多變，各種復雜因素都將對系統(tǒng)造成不同程度的不利影響，例如海流變化引起的波速擾動等等，都可能使接收點位置發(fā)生偏移或者定位不準。所以對于海底接納仍需多波束與側掃聲納配合使用以保證良好的檢測精度及穩(wěn)定性。

1.4 海底目標干擾

在多波束與側掃聲納應用時海底目標的干擾往往伴隨著其他干擾源出現(xiàn)。當多個聲源產生相互抵消作用時就形成一個強相關區(qū)域。而該區(qū)域內存在大量噪聲信號，且這些信號具有較高的信噪比和相關性。因此利用單一傳感器難以有效抑制這種相干雜波，甚至不能對其進行正確分離，這使得系統(tǒng)無法正常工作。此時若要準確估計出各個方位上各傳感器所受到的信干噪比，必須采用聯(lián)合濾波方法。然而由于實際情況中多徑效應、陣元間距誤差以及陣列孔徑大小等多種原因，傳統(tǒng)的聯(lián)合濾波算法很難得到理想結果。所以需要一種能夠快速收斂于最優(yōu)值的自適應迭代濾波算法來提高跟蹤性能。

2 多波束聲納探測

多波束聲納探測多波束聲納通常用于海上或水下目標的測量，它能提供高分辨率的距離信息、深度信息以及角度信息，并且還可以獲取海表面以下幾千米至幾百米范圍內的海洋環(huán)境參數(shù)。隨著科學技術的不斷發(fā)展，特別是電子信息技術、計算機技術、信號處理理論以及水聲通信技術的迅速進步，也給多波束聲納探測系統(tǒng)帶來新的挑戰(zhàn)，如數(shù)據(jù)采集速度快，數(shù)據(jù)量大；同時，為了滿足實時性要求，又需解決如何處理海量數(shù)據(jù)資料，從而降低數(shù)據(jù)處理復雜度問題，因而迫切需要研究高效的并行/分布式并行計算模型。

2.1 多波束聲納系統(tǒng)組成

多波束聲納平臺：包括發(fā)射端和接收端兩部分。其中發(fā)射端的主要設備有相控陣雷達天線、接收前端陣列、發(fā)射機和接收機等，這些設備均采用數(shù)字信號處理器作為核心器件實現(xiàn)其功能。每個陣元包含一個或多個射頻收發(fā)組件。各換能器之間以電纜相連，形成一條完整的通道，稱之為多路復用器。它們都安裝在船身內部或者船體尾部附近位置。發(fā)射端通過控制單元將控制指令發(fā)送給相應的硬件電路，然后由硬件電路根據(jù)指令完成回波的生成、發(fā)送和接收數(shù)據(jù)存儲過程，最后再經處理器把處理結果輸出到顯示模塊中。接收端則負責將接收信號轉換為數(shù)字信號，經過放大、模數(shù)轉換器轉換成二進制形式后傳輸給計算機進行分析與處理。

2.2 多波束聲納成像

多波束聲納成像機理多波束聲納的工作原理就是利用多個換能器對不同方向海水介質傳播的聲波產生干涉作用而實現(xiàn)聲源定位。這種干涉效應會使海底發(fā)生散射現(xiàn)象，因此可通過改變入射波頻率獲得較高分辨率的聲場信息；同時，也可以增強回波能量，提高信噪比；另外，多通道數(shù)據(jù)采集技術使得數(shù)據(jù)處理變得更加簡單快速，從而縮短時間周期。因而，多波束聲納能夠有效地提供海洋環(huán)境相關信息。目前已發(fā)展了多種用于探測深海環(huán)境中各種運動物體或活動目標的方法和系統(tǒng)，由于多波束聲納具有良好的方位分辨能力，其應用前景十分廣泛。

3 多波束與側掃聲納的對比分析

首先，多波束與側掃聲納之間存在明顯差異，即前者是被動跟蹤式的探測儀器，后者是主動搜索式的探測儀器。因此，它們對同一海域所采集到的不同時間序列數(shù)據(jù)進行處理時就會出現(xiàn)一些差別；同時也表現(xiàn)出許多相同的規(guī)律。其次，二者均采用寬帶信號處理方式。這是因為：在信號接收通道上，兩者都有一個收發(fā)天線，并由同一套發(fā)射電路產生相應的回波波形和頻率，從而達到同步工作狀態(tài)。所以可將這些信息綜合起來應用，因而可以相互兼容使用。再次，二者結構基本相同。即各模塊之間是通過串行口連接而成。這種通信模式不僅節(jié)省了大量電纜資源，而且還提高了系統(tǒng)性能及可靠性。最后，其傳輸距離非常接近且各自獨立運行于特定頻段內，互不影響，有利于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和穩(wěn)定性。

3.1 多波束聲納海底目標探測系統(tǒng)

多波束聲納海底目標探測系統(tǒng)的研制過程包括以下幾個方面：（1）研究了基于聲傳播理論的淺海水聲信道建模問題；并對不同情況下的多徑效應進行仿真分析，為后續(xù)的信號設計提供參考依據(jù)。在此基礎上，完成了相應的軟件實現(xiàn)與實驗驗證工作。（2）提出一種新的適用于海洋環(huán)境噪聲模型—高斯混合分布（GMM），該模型較好地描述了海水介質特性隨深度變化的非平穩(wěn)性，以及海浪等復雜因素引起的時變非線性特征，并且克服了傳統(tǒng)高斯白噪音模型因假設條件苛刻而導致無法直接用于實際海洋環(huán)境中的缺點。（3）針對上述兩種算法分別建立起對應的數(shù)學模型，然后利用Matlab/Simulink平臺搭建聯(lián)合仿真器，以計算機仿真代替物理模型試驗來獲取相關參數(shù)，進而得到較為。真實可靠的結果，最終使得整個水下目標探測設備得以研發(fā)成功。（4）根據(jù)以上研究成果，結合實驗室現(xiàn)有條件，開發(fā)出集聲學測量、信息處理和數(shù)據(jù)通信于一體的“海上試驗測試平臺”，該裝置主要由硬件部分和軟件系統(tǒng)兩大部分組成，其中軟硬件相結合的設計方案保證了各個子系統(tǒng)能夠正常運轉，滿足系統(tǒng)各項技術指標要求。

3.2 側掃聲納海底目標探測系統(tǒng)

側掃聲納海底目標探測系統(tǒng)采用雙天線發(fā)射側掃陣列，使回波信號更加豐富且信噪比更高。針對海面背景噪聲影響較大這一問題，在接收端利用小波變換進行濾波處理；并通過仿真實驗分析不同濾波器對信號處理效果的影響。同時為了減小副瓣干擾，采用相位編碼技術。另外還介紹了側掃陣各單元之間的協(xié)調方法以及主被動復合成像原理，針對側掃聲納采集到的數(shù)據(jù)信息具有冗余性這一特點，將自適應降噪技術應用到側掃陣數(shù)據(jù)處理當中。首先對側掃陣元接收到的數(shù)據(jù)信息做預處理，去除雜波成分后再使用LMSNusselt準則進行最優(yōu)估計。其次將經處理過的數(shù)據(jù)壓縮存儲到數(shù)據(jù)庫中，以便后期進一步處理時調用。

3.3 多波束與側掃聲納海底目標探測對比

多波束測深法和常規(guī)側掃聲納法對海底目標檢測能力，并比較二者優(yōu)缺點，結果表明：基于改進的MUSIC算法的多波束測水深法能有效地提高海底目標定位精度。但是其運算量大，計算時間長，需要大量存儲空間才能完成定位任務，而且當環(huán)境復雜或者存在噪聲等因素影響時會導致誤差較大。因此，如何快速準確地獲取海底目標信息仍然是當前亟待解決的難題之一。另外由于受海洋環(huán)境以及海況變化等因素影響，水聲信道具有時變特性。多源干擾信號時容易發(fā)生錯誤判斷。此外，“旁瓣干擾”問題也是制約該方法在實際應用中發(fā)展的瓶頸之一。會造成嚴重的虛假點現(xiàn)象，降低定位性能。而本文提出的多波束測深法則克服了上述缺點，不僅可以實現(xiàn)精確的海底目標位置確定，也可避免虛假點現(xiàn)象，最后通過仿真驗證多束線聲源模型下的主從式單自由度聲傳感器可以達到較高分辨度。

側掃聲吶海底目標探測與多波束技術比起來有很大優(yōu)勢：首先是能夠進行遠距離觀測；其次可以獲取更豐富的數(shù)據(jù)信息和更加準確的檢測結果。它無需任何額外硬件設備即可實現(xiàn)水下三維運動物體的實時測量、跟蹤以及定位。此外，由于采用雙發(fā)射/接收方式，所以對噪聲具有很強的抑制作用。另外，利用多個主被動陣聯(lián)合工作來完成目標探測時，還能有效地減小陣元間干擾，提高信噪比，從而降低虛警率。并且，其定位精度高，可達厘米級。通過將這兩個方面相結合，就形成了一套完整的海洋聲探測系統(tǒng)。該系統(tǒng)對復雜海洋環(huán)境下航行器（潛艇）等海上平臺具有很好的適用性。因此，該系統(tǒng)在軍事及民用領域都有著廣闊的應用前景。

目前國內外已經有多種水下定位技術被提出和發(fā)展起來，其中基于聲學理論的測向算法是一種較為成熟且實用的方法。但這種方法也存在一定的局限性。而實際在多波束與側掃聲納海底目標探測時，往往因為受到各種環(huán)境因素或人為因素的干擾，使得所獲得的方位估計精度不高，甚至出現(xiàn)錯誤的結論，給后續(xù)處理帶來困難。針對多波束與側掃波換能器相對位置變化引起的測量誤差較大的缺點，提出了改進方案：用一個固定頻率信號激勵聲源產生方位角誤差信號，再根據(jù)此誤差信號計算出參考方向上各個波束之間的相位差值，進而得到各波束的空間夾角向量。然后，把這個矢量作為權矩陣輸入到最小二乘支持向量機分類器中，以解決傳統(tǒng)最小二乘法容易陷入局部極小值問題。

3.4 海底目標探測目的

海底目標探測目的在于識別不同類型的海雜波及其相應的特性，為了使海底回波特征更好地表現(xiàn)出來，通常需要使用合適的濾波方法進行去噪。然而現(xiàn)有的許多濾波器并沒有考慮到海雜波及相關成分的影響，因而會造成較低的檢測性能。提出了基于自適應加權最小二乘支持向量機和小波變換兩種降噪算法，分別用于抑制高斯白噪音、脈沖多途效應及混響環(huán)境中的隨機干擾源，取得良好的效果。多波束與側掃聲納海底目標探測系統(tǒng)主要由三部分組成，即發(fā)射端、接收端以及信號處理終端。海底目標探測目的包括對水中目標進行跟蹤定位，確定其距離信息；提取水體中弱散射點信息，如聲速剖面等。

4 結束語

多波束與側掃聲納海底目標探測對比分析表明，采用自適應加權最小二乘軟閾值法對聲信號進行消噪后，能有效地濾除噪聲，提高信噪比，降低虛警概率；小波包分解重構能夠很好地分離出受強背景噪聲污染的低頻分量和高頻成份，有利于進一步分析水聲信號特征；同時通過仿真實驗驗證了上述算法在消除隨機因素及水動力擾動下的有效性。并且將這些算法應用于實際工程當中，可以大大提高水下航行器的隱蔽性，具有重要的實用價值。