多波束與側(cè)掃聲納海底目標(biāo)探測(cè)對(duì)比分析

宋 曦

（天津港灣水運(yùn)工程有限公司，天津 300453）

多波束與側(cè)掃聲納之間具有良好的互補(bǔ)性，可以優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，相互彌補(bǔ)各自不足；此外，它們還能通過(guò)信息共享提高資源利用率。所以對(duì)于多波束與側(cè)掃聲納在海底目標(biāo)探測(cè)應(yīng)用中如何實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)及高效處理的研究有著十分重要的意義。首先，對(duì)多源數(shù)據(jù)系統(tǒng)模型及其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，包括基于特征點(diǎn)匹配算法的姿態(tài)解算方法、回波多普勒頻移估計(jì)方法及成像質(zhì)量評(píng)價(jià)準(zhǔn)則等內(nèi)容。然后，針對(duì)目前多波束與側(cè)掃聲納間比對(duì)分析了解到兩者均采用同一坐標(biāo)系下測(cè)量獲得不同時(shí)刻多個(gè)傳感器輸出數(shù)據(jù)，從而造成計(jì)算量巨大這一缺點(diǎn)，提出將兩種數(shù)據(jù)源相結(jié)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(gè)或兩個(gè)以上的換能器發(fā)射聲波形成一個(gè)聲場(chǎng)，由接收裝置接收該聲場(chǎng)產(chǎn)生的聲脈沖來(lái)判斷聲源位置及方向。多波束聲納則利用多個(gè)陣元同時(shí)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(cè)掃聲納則是利用各個(gè)陣元分別接收同一個(gè)頻段內(nèi)各陣元所發(fā)出的超聲脈沖，進(jìn)而確定出被測(cè)對(duì)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(duì)于海洋結(jié)構(gòu)物作用時(shí)主要依靠其所受外力大小決定是否會(huì)發(fā)生運(yùn)動(dòng)，如果不受外力作用就會(huì)導(dǎo)致物體損壞甚至毀壞。當(dāng)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(dòng)而使其受力增大或者減小。其次，由于海洋環(huán)境復(fù)雜多樣，各種干擾信號(hào)往往以一定方式疊加于一起，這給識(shí)別和定位帶來(lái)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(hào)不僅嚴(yán)重地降低了信噪比而且也削弱了檢測(cè)能力。最后，在實(shí)際使用過(guò)程中，通常需要對(duì)多種環(huán)境參數(shù)做出準(zhǔn)確評(píng)估，以便及時(shí)作出正確決策。

1.2 脈沖響應(yīng)分析

為了能夠更有效地提取目標(biāo)信息，提高信號(hào)處理效率，必須要從時(shí)域和頻域兩方面去研究目標(biāo)特性，即利用脈沖多普勒雷達(dá)測(cè)量出水下運(yùn)動(dòng)物體速度或加速度等參量。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展以及工程實(shí)踐要求的日益迫切，基于被動(dòng)測(cè)距原理的多波束系統(tǒng)逐漸被開(kāi)發(fā)出來(lái)并開(kāi)始運(yùn)用到軍事上。但是海底的脈沖響應(yīng)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(nèi)的聲場(chǎng)分布情況。在此過(guò)程中，需要對(duì)這些數(shù)據(jù)做進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理，再經(jīng)過(guò)一系列處理即可得出完整波形，所以多波束成像算法已經(jīng)成為當(dāng)今水聲領(lǐng)域發(fā)展最成熟且應(yīng)用最為廣泛的一種信息處理手段之一。側(cè)掃聲納對(duì)于海底脈沖響應(yīng)有著很強(qiáng)的適應(yīng)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(cè)任務(wù)提供方便。

1.3 海底聲納接收機(jī)

海底聲納接收機(jī)作為多波束系統(tǒng)中重要組成部分，負(fù)責(zé)完成對(duì)外部海洋聲信道環(huán)境下微弱聲音信號(hào)的采集與傳輸。該設(shè)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(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵器件，直接影響整個(gè)系統(tǒng)性能。而多波束系統(tǒng)對(duì)低中頻數(shù)字信號(hào)處理器提出了非常高的要求，因?yàn)橹挥羞@樣才能保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作，同時(shí)又滿足高速實(shí)時(shí)采樣需求。但是對(duì)于聲納的接收效果是有一定限制的，這是因?yàn)樵诤Ｋ橘|(zhì)中存在著大量噪聲和干擾，使得信噪比會(huì)急劇下降，甚至無(wú)法分辨有用信號(hào)，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致不能正常工作。另外，海底地形復(fù)雜多變，各種復(fù)雜因素都將對(duì)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(dòng)等等，都可能使接收點(diǎn)位置發(fā)生偏移或者定位不準(zhǔn)。所以對(duì)于海底接納仍需多波束與側(cè)掃聲納配合使用以保證良好的檢測(cè)精度及穩(wěn)定性。

1.4 海底目標(biāo)干擾

在多波束與側(cè)掃聲納應(yīng)用時(shí)海底目標(biāo)的干擾往往伴隨著其他干擾源出現(xiàn)。當(dāng)多個(gè)聲源產(chǎn)生相互抵消作用時(shí)就形成一個(gè)強(qiáng)相關(guān)區(qū)域。而該區(qū)域內(nèi)存在大量噪聲信號(hào)，且這些信號(hào)具有較高的信噪比和相關(guān)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(duì)其進(jìn)行正確分離，這使得系統(tǒng)無(wú)法正常工作。此時(shí)若要準(zhǔn)確估計(jì)出各個(gè)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(shí)際情況中多徑效應(yīng)、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(jié)果。所以需要一種能夠快速收斂于最優(yōu)值的自適應(yīng)迭代濾波算法來(lái)提高跟蹤性能。

2 多波束聲納探測(cè)

多波束聲納探測(cè)多波束聲納通常用于海上或水下目標(biāo)的測(cè)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(nèi)的海洋環(huán)境參數(shù)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是電子信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號(hào)處理理論以及水聲通信技術(shù)的迅速進(jìn)步，也給多波束聲納探測(cè)系統(tǒng)帶來(lái)新的挑戰(zhàn)，如數(shù)據(jù)采集速度快，數(shù)據(jù)量大；同時(shí)，為了滿足實(shí)時(shí)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(fù)雜度問(wèn)題，因而迫切需要研究高效的并行/分布式并行計(jì)算模型。

2.1 多波束聲納系統(tǒng)組成

多波束聲納平臺(tái)：包括發(fā)射端和接收端兩部分。其中發(fā)射端的主要設(shè)備有相控陣?yán)走_(dá)天線、接收前端陣列、發(fā)射機(jī)和接收機(jī)等，這些設(shè)備均采用數(shù)字信號(hào)處理器作為核心器件實(shí)現(xiàn)其功能。每個(gè)陣元包含一個(gè)或多個(gè)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(fù)用器。它們都安裝在船身內(nèi)部或者船體尾部附近位置。發(fā)射端通過(guò)控制單元將控制指令發(fā)送給相應(yīng)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(chǔ)過(guò)程，最后再經(jīng)處理器把處理結(jié)果輸出到顯示模塊中。接收端則負(fù)責(zé)將接收信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制形式后傳輸給計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析與處理。

2.2 多波束聲納成像

多波束聲納成像機(jī)理多波束聲納的工作原理就是利用多個(gè)換能器對(duì)不同方向海水介質(zhì)傳播的聲波產(chǎn)生干涉作用而實(shí)現(xiàn)聲源定位。這種干涉效應(yīng)會(huì)使海底發(fā)生散射現(xiàn)象，因此可通過(guò)改變?nèi)肷洳l率獲得較高分辨率的聲場(chǎng)信息；同時(shí)，也可以增強(qiáng)回波能量，提高信噪比；另外，多通道數(shù)據(jù)采集技術(shù)使得數(shù)據(jù)處理變得更加簡(jiǎn)單快速，從而縮短時(shí)間周期。因而，多波束聲納能夠有效地提供海洋環(huán)境相關(guān)信息。目前已發(fā)展了多種用于探測(cè)深海環(huán)境中各種運(yùn)動(dòng)物體或活動(dòng)目標(biāo)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(yīng)用前景十分廣泛。

3 多波束與側(cè)掃聲納的對(duì)比分析

首先，多波束與側(cè)掃聲納之間存在明顯差異，即前者是被動(dòng)跟蹤式的探測(cè)儀器，后者是主動(dòng)搜索式的探測(cè)儀器。因此，它們對(duì)同一海域所采集到的不同時(shí)間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)就會(huì)出現(xiàn)一些差別；同時(shí)也表現(xiàn)出許多相同的規(guī)律。其次，二者均采用寬帶信號(hào)處理方式。這是因?yàn)椋涸谛盘?hào)接收通道上，兩者都有一個(gè)收發(fā)天線，并由同一套發(fā)射電路產(chǎn)生相應(yīng)的回波波形和頻率，從而達(dá)到同步工作狀態(tài)。所以可將這些信息綜合起來(lái)應(yīng)用，因而可以相互兼容使用。再次，二者結(jié)構(gòu)基本相同。即各模塊之間是通過(guò)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(dú)立運(yùn)行于特定頻段內(nèi)，互不影響，有利于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。

3.1 多波束聲納海底目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)

多波束聲納海底目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)的研制過(guò)程包括以下幾個(gè)方面：（1）研究了基于聲傳播理論的淺海水聲信道建模問(wèn)題；并對(duì)不同情況下的多徑效應(yīng)進(jìn)行仿真分析，為后續(xù)的信號(hào)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。在此基礎(chǔ)上，完成了相應(yīng)的軟件實(shí)現(xiàn)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(zhì)特性隨深度變化的非平穩(wěn)性，以及海浪等復(fù)雜因素引起的時(shí)變非線性特征，并且克服了傳統(tǒng)高斯白噪音模型因假設(shè)條件苛刻而導(dǎo)致無(wú)法直接用于實(shí)際海洋環(huán)境中的缺點(diǎn)。（3）針對(duì)上述兩種算法分別建立起對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，然后利用Matlab/Simulink平臺(tái)搭建聯(lián)合仿真器，以計(jì)算機(jī)仿真代替物理模型試驗(yàn)來(lái)獲取相關(guān)參數(shù)，進(jìn)而得到較為。真實(shí)可靠的結(jié)果，最終使得整個(gè)水下目標(biāo)探測(cè)設(shè)備得以研發(fā)成功。（4）根據(jù)以上研究成果，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有條件，開(kāi)發(fā)出集聲學(xué)測(cè)量、信息處理和數(shù)據(jù)通信于一體的“海上試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)”，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(jié)合的設(shè)計(jì)方案保證了各個(gè)子系統(tǒng)能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)，滿足系統(tǒng)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)要求。

3.2 側(cè)掃聲納海底目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)

側(cè)掃聲納海底目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)采用雙天線發(fā)射側(cè)掃陣列，使回波信號(hào)更加豐富且信噪比更高。針對(duì)海面背景噪聲影響較大這一問(wèn)題，在接收端利用小波變換進(jìn)行濾波處理；并通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)分析不同濾波器對(duì)信號(hào)處理效果的影響。同時(shí)為了減小副瓣干擾，采用相位編碼技術(shù)。另外還介紹了側(cè)掃陣各單元之間的協(xié)調(diào)方法以及主被動(dòng)復(fù)合成像原理，針對(duì)側(cè)掃聲納采集到的數(shù)據(jù)信息具有冗余性這一特點(diǎn)，將自適應(yīng)降噪技術(shù)應(yīng)用到側(cè)掃陣數(shù)據(jù)處理當(dāng)中。首先對(duì)側(cè)掃陣元接收到的數(shù)據(jù)信息做預(yù)處理，去除雜波成分后再使用LMSNusselt準(zhǔn)則進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)。其次將經(jīng)處理過(guò)的數(shù)據(jù)壓縮存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，以便后期進(jìn)一步處理時(shí)調(diào)用。

3.3 多波束與側(cè)掃聲納海底目標(biāo)探測(cè)對(duì)比

多波束測(cè)深法和常規(guī)側(cè)掃聲納法對(duì)海底目標(biāo)檢測(cè)能力，并比較二者優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)果表明：基于改進(jìn)的MUSIC算法的多波束測(cè)水深法能有效地提高海底目標(biāo)定位精度。但是其運(yùn)算量大，計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)，需要大量存儲(chǔ)空間才能完成定位任務(wù)，而且當(dāng)環(huán)境復(fù)雜或者存在噪聲等因素影響時(shí)會(huì)導(dǎo)致誤差較大。因此，如何快速準(zhǔn)確地獲取海底目標(biāo)信息仍然是當(dāng)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(shí)變特性。多源干擾信號(hào)時(shí)容易發(fā)生錯(cuò)誤判斷。此外，“旁瓣干擾”問(wèn)題也是制約該方法在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)展的瓶頸之一。會(huì)造成嚴(yán)重的虛假點(diǎn)現(xiàn)象，降低定位性能。而本文提出的多波束測(cè)深法則克服了上述缺點(diǎn)，不僅可以實(shí)現(xiàn)精確的海底目標(biāo)位置確定，也可避免虛假點(diǎn)現(xiàn)象，最后通過(guò)仿真驗(yàn)證多束線聲源模型下的主從式單自由度聲傳感器可以達(dá)到較高分辨度。

側(cè)掃聲吶海底目標(biāo)探測(cè)與多波束技術(shù)比起來(lái)有很大優(yōu)勢(shì)：首先是能夠進(jìn)行遠(yuǎn)距離觀測(cè)；其次可以獲取更豐富的數(shù)據(jù)信息和更加準(zhǔn)確的檢測(cè)結(jié)果。它無(wú)需任何額外硬件設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)水下三維運(yùn)動(dòng)物體的實(shí)時(shí)測(cè)量、跟蹤以及定位。此外，由于采用雙發(fā)射/接收方式，所以對(duì)噪聲具有很強(qiáng)的抑制作用。另外，利用多個(gè)主被動(dòng)陣聯(lián)合工作來(lái)完成目標(biāo)探測(cè)時(shí)，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(dá)厘米級(jí)。通過(guò)將這兩個(gè)方面相結(jié)合，就形成了一套完整的海洋聲探測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)對(duì)復(fù)雜海洋環(huán)境下航行器（潛艇）等海上平臺(tái)具有很好的適用性。因此，該系統(tǒng)在軍事及民用領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用前景。

目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有多種水下定位技術(shù)被提出和發(fā)展起來(lái)，其中基于聲學(xué)理論的測(cè)向算法是一種較為成熟且實(shí)用的方法。但這種方法也存在一定的局限性。而實(shí)際在多波束與側(cè)掃聲納海底目標(biāo)探測(cè)時(shí)，往往因?yàn)槭艿礁鞣N環(huán)境因素或人為因素的干擾，使得所獲得的方位估計(jì)精度不高，甚至出現(xiàn)錯(cuò)誤的結(jié)論，給后續(xù)處理帶來(lái)困難。針對(duì)多波束與側(cè)掃波換能器相對(duì)位置變化引起的測(cè)量誤差較大的缺點(diǎn)，提出了改進(jìn)方案：用一個(gè)固定頻率信號(hào)激勵(lì)聲源產(chǎn)生方位角誤差信號(hào)，再根據(jù)此誤差信號(hào)計(jì)算出參考方向上各個(gè)波束之間的相位差值，進(jìn)而得到各波束的空間夾角向量。然后，把這個(gè)矢量作為權(quán)矩陣輸入到最小二乘支持向量機(jī)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(wèn)題。

3.4 海底目標(biāo)探測(cè)目的

海底目標(biāo)探測(cè)目的在于識(shí)別不同類型的海雜波及其相應(yīng)的特性，為了使海底回波特征更好地表現(xiàn)出來(lái)，通常需要使用合適的濾波方法進(jìn)行去噪。然而現(xiàn)有的許多濾波器并沒(méi)有考慮到海雜波及相關(guān)成分的影響，因而會(huì)造成較低的檢測(cè)性能。提出了基于自適應(yīng)加權(quán)最小二乘支持向量機(jī)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(yīng)及混響環(huán)境中的隨機(jī)干擾源，取得良好的效果。多波束與側(cè)掃聲納海底目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)主要由三部分組成，即發(fā)射端、接收端以及信號(hào)處理終端。海底目標(biāo)探測(cè)目的包括對(duì)水中目標(biāo)進(jìn)行跟蹤定位，確定其距離信息；提取水體中弱散射點(diǎn)信息，如聲速剖面等。

4 結(jié)束語(yǔ)

多波束與側(cè)掃聲納海底目標(biāo)探測(cè)對(duì)比分析表明，采用自適應(yīng)加權(quán)最小二乘軟閾值法對(duì)聲信號(hào)進(jìn)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(gòu)能夠很好地分離出受強(qiáng)背景噪聲污染的低頻分量和高頻成份，有利于進(jìn)一步分析水聲信號(hào)特征；同時(shí)通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了上述算法在消除隨機(jī)因素及水動(dòng)力擾動(dòng)下的有效性。并且將這些算法應(yīng)用于實(shí)際工程當(dāng)中，可以大大提高水下航行器的隱蔽性，具有重要的實(shí)用價(jià)值。