一種噪聲環(huán)境中的多波束相位差估計(jì)新方法

一種噪聲環(huán)境中的多波束相位差估計(jì)新方法李海森;陳寶偉;周天;魏玉闊【摘要】針對多波束測深聲吶相位差檢測法中噪聲嚴(yán)重影響相位差估計(jì)的質(zhì)量，使得深度測量的數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差的問題,采用理論分析和計(jì)算機(jī)仿真的方法，研究了噪聲干擾對相位差估計(jì)的影響并有針對性地提出了減小測量誤差.提高深度測量的可信度的信號處理方法.研究結(jié)果表明，噪聲對相位差測量的影響在接收條帶的不同部分是不間的，采用較大的子陣間距，利用相干信號的幅度信息和使用帶寬可變的濾波器能有效降低噪聲十?dāng)_，提高相位差估計(jì)的精度，實(shí)測數(shù)據(jù)處理證實(shí)了信號處理方法的有效性和可行性.％Inconsideringtheproblemoftheprecisionofphasedifferenceestimationandthequalityofthebathymetriedatabeingseriouslyinfluencedbynoiseinterference,theoreticanalysisandcomputersimulationwereusedtostudytheimpactofthenoiseonphasedifferenceestimation,andusefulsignalprocessingmethodswereproposedtodecreasemeasurementbiasandincreasethereliabilityofsonarsystems.Theresultsindicatethatnoiseinfluenceonphasedifferenceisnotthesameindifferentpartsofonebathymetricswath.Usingwidesubarrayspacing,theinformationofsignalamplitudeandvariablebandwidthfilteringcandecreasethenoiseandimprovethephasedifferenceestimationprecision.Thesignalprocessingmethodsareillustratedbydatafroma300kHzmultibeamechosounder.【期刊名稱】《哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報》【年(卷)，期】2011(032)005【總頁數(shù)】5頁(P632-636)【關(guān)鍵詞】相位差;噪聲干擾;測量誤差;多波束測深聲吶【作者】李海森;陳寶偉;周天;魏玉闊【作者單位】哈爾濱工程大學(xué)，水聲技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江，哈爾濱,150001;哈爾濱工程大學(xué)冰聲技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江,哈爾濱,150001;哈爾濱工程大學(xué)冰聲技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江,哈爾濱,150001;哈爾濱工程大學(xué),水聲技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江,哈爾濱,150001【正文語種】中文【中圖分類】P716.7多波束測深聲吶是海底地形探測的主流工具，在海底工程和海洋監(jiān)測中發(fā)揮了巨大的作用［1］.相位差檢測法是一種常用的多波束測深算法［2］，它能提高邊緣波束內(nèi)回波到達(dá)時間的估計(jì)精度和聲吶海底深度測量的覆蓋寬度，因此得到了廣泛的應(yīng)用.然而，有關(guān)多波束相位差序列在噪聲環(huán)境中估計(jì)問題的討論并不多見，特別是有關(guān)在噪聲環(huán)境中相位差序列估計(jì)的誤差特性和信號處理方法的討論就更少.事實(shí)上，在實(shí)際的海上測量過程中由于海洋環(huán)境噪聲干擾的存在，相位差序列嚴(yán)重的被噪聲干擾所影響，使得相位差序列在真值左右來回抖動，降低了聲吶測量數(shù)據(jù)的可信度.研究和分析相位差在噪聲環(huán)境中估計(jì)的誤差特性和減小估計(jì)方差的信號處理方法是十分必要的.通過理論分析和計(jì)算機(jī)仿真研究了多波束相位差序列估計(jì)的誤差特性，給出了誤差曲線，并從概率密度函數(shù)的角度給出了噪聲源對相位差估計(jì)的影響.同時討論了在噪聲環(huán)境中多波束相位差序列估計(jì)應(yīng)采取的有針對性的信號處理方法，并對國內(nèi)某型號多波束測深聲吶的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，結(jié)果表明利用有針對性的信號處理方法能有效減小噪聲干擾，改善相位差估計(jì)的精度，提高深度測量的可信度.1多波束相位差檢測法如圖1所示，假設(shè)回波以角度e入射到兩子陣A和B上，每個子陣均有M個陣元，陣元間距為a,子陣A和B的起始陣元序號分別為M1和M2,假定各陣元的靈敏度相同，經(jīng)相位補(bǔ)償后子陣A第r號波束的輸出為式中q=2nasine/入為相鄰陣元入射信號的相位差，啊=2nasiner/入為將波束控制到er方向時相鄰陣元間補(bǔ)償?shù)南嘁?同樣，對于子陣B同號波束的輸出為由此可知，2個子陣同號波束輸出信號的相位差為其中，D=(M2-M1)a為子陣間距.注意到信號入射角度是隨著采樣時間不斷變化的，即e=e(n).因此式(3)可寫為由式(4)可知，當(dāng)測量得到相位差值后就可以估計(jì)出相應(yīng)的回波入射角度.假設(shè)相位差測量的誤差為8△中，則對應(yīng)的角度估計(jì)誤差為相應(yīng)的深度估計(jì)誤差為可以看出多波束測深聲吶的角度和深度估計(jì)的誤差直接取決于相位差估計(jì)的精度，要獲得高質(zhì)量的深度估計(jì)值就必須減小相位差估計(jì)的誤差.圖1多波束相位差檢測法的基本原理Fig.1Theprincipleofmultibeamphasedifferencedetectionmethod2噪聲環(huán)境中相位差估計(jì)誤差特性分析在多波束測深聲吶中基陣接收到的回波信號由海底回波信號和環(huán)境噪聲干擾疊加而成，噪聲干擾的影響是嚴(yán)重的，相位差檢測法暗含的假設(shè)是海底散射點(diǎn)產(chǎn)生的到達(dá)接收陣的波陣面是圓形的，對于小的基線長度來說近似是平面的.環(huán)境噪聲干擾使得這個假設(shè)不再成立同時降低了系統(tǒng)的工作性能.這個問題可以通過考慮圖2中的向量圖來解釋，S為某時刻到達(dá)的海底回波信號，I為加在接收子陣上的干擾.可以看到干擾造成了相位差的波動.2個接收子陣之間相位差測量誤差的產(chǎn)生是類似圖2中的多個獨(dú)立相位擾動的疊加.圖2信號和干擾的矢量圖Fig.2Phasordiagramsofsignalandinterference事實(shí)上信號和干擾的幅度和相位上是統(tǒng)計(jì)變化的［3］，當(dāng)信號和噪聲的幅度值接近的時候會發(fā)生大的相位誤差.對于多波束測深聲吶，通常認(rèn)為直達(dá)波和干擾信號具有瑞利包絡(luò)分布和均勻分布的隨機(jī)相位統(tǒng)計(jì)特性［4］.在不考慮海底反向散射強(qiáng)度變化的情況下，實(shí)驗(yàn)證明瑞利分布假設(shè)適合海底散射.對于具有相同指向性B(a)的接收陣相位差檢測的概率密度函數(shù)［5］可以表示如下：式中:A=(nsin中-pcos中)/o2,D2=o4-p2-n2,o2=J{S(a)+I(a)}{B(a)}2da,p=J{S(a)+I(a)}?{B(a)}2cos(pi(a)-p2(a))da,q=-J{S(a)+I(a)}?{B(a)}2sin(p1(a)-p2(a))da.M中，S(a)是海底回波信號的角度能量分布，I(a)是噪聲信號的角度能量分布，B1(a)-B2(a)是a方向的回波在兩接收器上產(chǎn)生的相位差.在多波束測深聲吶系統(tǒng)中，任何時刻來自海底分辨率單元的回波信號都有一個小的橫向維度，回波能量對應(yīng)的傾斜角的分布可以認(rèn)為是一個Delta函數(shù)，設(shè)Delta函數(shù)的幅度為Ps，回波信號在2個接收陣之間產(chǎn)生哲的相位差;同樣假設(shè)干擾也來自于一個小的區(qū)域，因此也有一個Delta函數(shù)的角度分布，設(shè)Delta函數(shù)的幅度為PI,假設(shè)它的方向在2個接收陣之間產(chǎn)生叫的相位差，即式(7)中的S(a)=Ps8(0s),I(a)=PI8(0I)，于是有o2=Ps+PI,p=Pscos中s+PIcos^I,q=-(Pssin中s+PIsin中I).假設(shè)接收信號的信噪比為13dB，將信號的能量規(guī)一化為單位值，有Ps=1,PI=0.05,02=1.05,假設(shè)哲=0,對應(yīng)于來自觀察軸線方向到達(dá)的信號，干擾到達(dá)的方向在兩個接收子陣上造成-n的相位差，即W=-n，于是可以計(jì)算出p=0.95，n=0.圖3為在這些參數(shù)條件下相位差檢測的概率密度曲線，可以看出相位差檢測的概率密度函數(shù)類似于高斯分布，概率密度值很小的曲線部分對應(yīng)著很少發(fā)生的，但是會造成很大相位差估計(jì)誤差的尖刺，這對相位差估計(jì)的精度有相當(dāng)?shù)挠绊?圖3相位差概率密度函數(shù)曲線Fig.3Theprobabilitydensityfunctionofphasedifference圖4相位差測量的誤差分析Fig.4Phasedifferenceestimationerroranalysis通過檢驗(yàn)相位差估計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)方差〕中2p^)d中可以來評估相位差估計(jì)的精度，它可以由圖4中曲線中2p@)以下部分的面積獲得.可以看出，圖3中概率密度較小的曲線部分對相位差估計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)偏差有很大的貢獻(xiàn)，在此參數(shù)條件下計(jì)算得出的相位差檢測的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.68rad.對于平坦的海床，噪聲干擾會使得多波束相干相位差序列從光滑的單調(diào)的關(guān)系變?yōu)橛屑獯痰?，最?yán)重的尖刺發(fā)生在信號和干擾的幅度相近的地方.如圖5所示，為由多波束測深聲吶實(shí)測數(shù)據(jù)估計(jì)的相位差序列，其對應(yīng)的相干信號幅度如圖6所示.該數(shù)據(jù)來源于國產(chǎn)某型號的多波束測深聲吶的湖上實(shí)驗(yàn)，聲吶的工作頻率為300kHz,脈沖寬度為0.5ms，接收陣陣元個數(shù)為80個，在估計(jì)相位差序列時將接收陣劃分為2個子陣，每個子陣的陣元個數(shù)為40個.結(jié)合兩圖可以看出相位差曲線上的尖刺點(diǎn)大都發(fā)生在相干信號幅度小的時候，因?yàn)樵谶@些測量點(diǎn)信號的幅度和噪聲干擾的幅度相近，相位差估計(jì)由于噪聲的干擾產(chǎn)生了很大的偏差.聲吶本身的振動、載體的運(yùn)動、二次回波等均為噪聲的來源，在圖7中給出了環(huán)境噪聲對接收信噪比的影響隨著水平距離變化的曲線，聲吶的工作頻率為300kHz，海底深度為100m，發(fā)射信號的聲源級為200dB，環(huán)境噪聲級50dB，海水的聲吸收系數(shù)為0.05dB/m，陣列的指向性增益為30dB，反向散射強(qiáng)度遵循Lambert定律[6].從圖中可以看到，這種噪聲干擾使得信號的信噪比快速的下降特別是在傾斜角度處，由于信號回波信號的旅行時間長，信號能量損失大，使得信噪比變的很低.圖5多波束相位差曲線Fig.5Multibeamphasedifferenceseries圖6相干信號的幅度Fig.6Interferometricsignalamplitude圖8噪聲對相位差估計(jì)的影響Fig.8Thenoiseimpactonphasedifferenceestimation圖8為利用上述的相位差方差估計(jì)方法得出的噪聲對相位差估計(jì)方差的影響曲線，可以看出在海底平坦的情況下，條帶邊緣的海底回波信號相位差估計(jì)方差大，而條帶內(nèi)側(cè)回波信號的相位差估計(jì)精度高，這和的實(shí)際測量的數(shù)據(jù)是相符合的，噪聲嚴(yán)重影響著多波束測深聲吶的性能，限制著聲吶覆蓋寬度的提高，因此這就要求在條帶的不同部分使用不同的信號處理方法來獲得精度一致的、高質(zhì)量的相位差估計(jì).3相位差的估計(jì)方法從以上的分析可以看出，噪聲的存在使得相位差的檢測出現(xiàn)偏差，嚴(yán)重影響著聲吶深度測量數(shù)據(jù)的可信度，同時相位差序列在海底測深條帶的不同部分受到噪聲干擾的程度是不同的，應(yīng)該采取有針對性的信號處理方法來減小噪聲干擾，提高相位差測量的精度.下面給出有針對性的信號處理方案.1）采用較大的子陣間距.大的子陣間距有更強(qiáng)的抗干擾能力[7],因?yàn)榫植坎嚸娴臄_動會對小的子陣間距產(chǎn)生影響，而大的子陣間距能在一定程度上減小這種波動的影響，同時從式(6)可以看出對于給定的相位差估計(jì)誤差，采用大的子陣間距能夠減小深度和角度估計(jì)的誤差.在工程上應(yīng)該盡量采用較大的子陣間距，如圖9和圖10所示為在子陣間距5入和10入下對多波束測深聲吶實(shí)測數(shù)據(jù)的相位差估計(jì).可以看出使用大的子陣間足巨所獲得的相位差序列的擾動小，能在一定程度上減弱噪聲所帶來的相位差估計(jì)的不確定性，但是需要注意的是使用大的子陣間距更容易出現(xiàn)相位模糊問題，因此必須采取相應(yīng)的信號處理方法來解模糊，Vernier是最常用的—種方法，該方法的詳細(xì)討論可參考文獻(xiàn)[8].剔除幅度較小的測量點(diǎn).幅度小的測量點(diǎn)往往是受到噪聲嚴(yán)重干擾的測量點(diǎn)，這些采樣點(diǎn)會在相位差序列上產(chǎn)生比較嚴(yán)重的尖刺.圖11所示給出了噪聲干擾的示意圖，其中S1和S2為方向相同幅度不同的海底散射信號，在同一噪聲干擾下，測量結(jié)果變?yōu)镾1和S2',S1'的幅度明顯小于S2',由此可見測量信號的幅度過小的點(diǎn)，很可能是信號能量微弱的回波信號采樣，利用這些點(diǎn)進(jìn)行相位差估計(jì)很有可能造成較大的估計(jì)誤差.相位差序列的可變帶寬濾波處理[9].濾波是一種減小噪聲干擾的有效手段，使用濾波器能夠大大降低噪聲的干擾.經(jīng)典的方法使用固定帶寬的濾波處理方法，濾波器的帶寬根據(jù)經(jīng)驗(yàn)獲得，一般選取為脈沖寬度的4~6倍，事實(shí)上這種濾波器不可能在整個條帶范圍內(nèi)適用，這是由于整個條帶的海底散射信號受到噪聲影響的程度是不同的，如圖7所示.這就要求使用帶寬可變的濾波器來對相位差序列進(jìn)行自適應(yīng)的濾波處理，在不同的波束內(nèi)使用不同的濾波器帶寬.注意到波束內(nèi)回波信號受到噪聲干擾的程度和波束寬度內(nèi)海底回波的持續(xù)時間有著密切的關(guān)系，如圖12所示，為波束照射平坦海底的示意圖，可以看出在波束寬度一定的條件下波束內(nèi)回波信號持續(xù)時間越長則意味著回波的旅行時間越長，由于海水的聲吸收而損失的能量越多，回波信號的信噪比越低.從圖12所示的幾何關(guān)系可以很容易的得出波束寬度內(nèi)海底回波的持續(xù)時間的計(jì)算式為式中:。為-3dB帶寬，a為掠射角，t為發(fā)射脈沖寬度，H為海底深度.濾波器的截止頻率的計(jì)算式為其中，參數(shù)P可以根據(jù)實(shí)際的海洋情況來確定.圖9子陣間距為5入時的相位差序歹UFig.9Phasedifferencewithsubarrayspacing5入圖10子陣間距為10入時的相位差序歹UFig.10Phasedifferencewithsubarrayspacing10入圖11噪聲對不同幅度信號的影響Fig.11Thenoiseimpactonsignalswithdifferentamplitude圖12波束傾斜入射海底Fig.12Beamfromobliqueincidenceangles圖13為海底平坦的情況下濾波器的截止頻率隨波束控制角度的變化曲線，條帶內(nèi)側(cè)的波束對應(yīng)著大的截止頻率，邊緣波束對應(yīng)著小的截止頻率.這和圖7所示的信噪比變化是相符合的，信噪比高的區(qū)域?qū)?yīng)著大的截止頻率，而信噪比低的區(qū)域?qū)?yīng)著小的截止頻率.圖13濾波器的截止頻率Fig.13Thecutofffrequencyoffilter圖1437°方向波束內(nèi)濾波前后的相位差序列Fig.14Filteredandrawphasedifferencein37°beam圖1567°方向波束內(nèi)濾波前后的相位差序列Fig.15Filteredandrawphasedifferencein67°beam在實(shí)際的海洋深度測量過程中，式(8)中的海底深度可以根據(jù)上一個收發(fā)周期內(nèi)的相同波束控制方向內(nèi)的深度信息獲得.不同于固定帶寬濾波處理的方法，這種方法的濾波器帶寬能夠根據(jù)實(shí)際海洋環(huán)境進(jìn)行調(diào)整利用這種方法對300kHz某型號多波束測深聲吶的實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如圖14和圖15所示.濾波前兩個波束內(nèi)相位差序列受到噪聲干擾的程度是不同的，37°波束內(nèi)信號受到噪聲干擾的程度明顯小于67°波束內(nèi)的信號，在這2個波束內(nèi)所使用濾波器的帶寬會自適應(yīng)的調(diào)整以適應(yīng)這種變化.從濾波處理結(jié)果來看，在這2個波束內(nèi)使用這種可變帶寬的濾波處理方法均能獲得較為平滑的相位差序列，從而大大減小了噪聲的干擾，提高了深度測量的可信度.4結(jié)束語噪聲的存在使得多波束相位差估計(jì)出現(xiàn)偏差，降低了相位差估計(jì)的可靠性，增大了估計(jì)誤差.同時，在測深條帶的不同區(qū)域回波信號受到噪聲干擾的程度是不相同的，海底平坦的情況下邊緣回波區(qū)域內(nèi)受到噪聲干擾的程度明顯大于條帶內(nèi)側(cè)回波信號受到的噪聲干擾.相位差估計(jì)時應(yīng)盡可能的采用大的子陣間距來提高系統(tǒng)的抗干擾能力，同時充分利用相干信號的幅度信息剔除幅度過小的測量點(diǎn)，因?yàn)檫@些小幅度的測量點(diǎn)通常受到噪聲的嚴(yán)重干擾.在進(jìn)行濾波處理時，根據(jù)海洋深度的變化情況在不同的波束內(nèi)采用不同截止頻率的低通濾波器能夠大大減小噪聲的干擾，提高相位差估計(jì)的精度.參考文獻(xiàn)：【相關(guān)文獻(xiàn)】[1]李海森.多波束條帶海底地形測繪系統(tǒng)研究[D]?哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)，1999:1-2.[2]LLORT-PUJOLG,SINTESC,LURTONX.Anewapproachforfastandhigh-resolutioninterfometricbathymetry[C]//OCEANS2006-AsiaPacific.Singapore,2006:1-7.[3]DENBIGHPN.Swathbathymetry:Principlesofoperationandananalysisoferrors[J].IEEEJournalofEngineering,1989,14(4):289-297.[4]LURTONX.Swathbathymetryusingphasedifference:theoreticalanalysisofacousticalmeasurementpreci