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1、宽覆盖多波束海底地形地貌一体化探测技术宽覆盖多波束海底地形地貌一体化探测技术+周天1*，李海森1，李琪1，吴永亭2(1.哈尔滨工程大学水声工程学院，黑龙江哈尔滨150001；2.国家海洋局第一海洋研究所，山东青岛266071)摘要：常规多波束测深系统中采用的FT波束形成技术不能够完成外侧波束区域海底地形的高精度估计，并且地貌测量功能扩展复杂。基于此，文章提出了MSB-RMU算法，此算法具有较高的空间分辨率，能够同时实现中央波束区域和外侧波束区域的高精度地形估计，并且可以方便地扩展地貌测量功能。对试验数据的处理结果表明了此方法的有效性、实用性与优越性。关键词：宽覆盖；多波束；高分辨率；高精度；海
2、底地形地貌Research on wide coverage multibeam bathymetry and physiognomyunited estimation techniqueZHOU Tian1, LI Hai-sen1, LI Qi1, WU Yong-ting2(1. College of Underwater Acoustic Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001;2.Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao, Sh
3、andong 266071 )Abstract: Traditional multibeam bathymetry system based on FT beamformer cant achieve high accuracy seafloor bathymetry estimation of outer beams area, furthermore has complexity in enhancement of physiognomy measurement function. To improve the performances of traditional multibeam b
4、athymetry system, MSB-RMU algorithm is proposed, which has high spatial resolution ability, achieves high accuracy bathymetry estimation of both central beams area and outer beams area, and can expand physiognomy measurement function conveniently. Processing results of experiment data prove the effi
5、ciency, practicality and superiority of the new method.Keywords:wide coverage; multibeam; high resolution; high accuracy; seafloor bathymetry and physiognomy多波束测深系统自上世纪50年代问世以来发展至今，已成为当前海洋资源调查必不可少的重要设备之一。依据其工作原理的不同，又将其分为两类：传统多波束测深系统和相干多+国家863计划资助项目(2007AA09Z124)；中国高等学校博士点基金项目(20070217022)；哈尔滨工程大学基础研
6、究项目(HEUFT07017)；* 周天。Email: zhoutianhttp:/ 波束形成技术，通过增加接收基阵的孔径(通常有上百通道)来提高系统分辨率，如EM3000D 系统，此类系统的优点是在中央波束有很高的测深精度，其主要缺点是在外侧波束方向分辨率低，且地貌测量扩展能力差；相干多波束测深系统利用各通道接收波形的相位差对每个时间样本进行到达方位估计，其通道数一般在26之间，如GeoSwath Plus 系统，此类系统的优点是在外侧波束方向能够得到高精度高分辨率的方位估计，且地貌测量扩展能力强，但其缺点是中央波束方位估计精度差。通过对比可以发现，两类系统的优缺点有着很强的互补性12。两类
7、系统信号处理方法的差异(前者是估计固定方位上的回波到达时间，后者是固定到达时间估计回波到达方位)决定了二者性能上的优缺点。相干多波束测深系统由于其基阵结构的特点，在中央波束方向难以获取高精度的方位估计，因而此类系统通常在垂直方向配置一个单波束测深仪，如GeoSwath Plus 系统，使整个系统变得复杂3；但是传统多波束测深系统采用相干多波束测深系统的基于相位差的信号处理方法，不仅可以解决外侧波束方向的高精度地形估计难题，实现超宽覆盖测量，而且可以很容易扩展地貌测量功能，如文献中对EM3000D 的数据处理中采用了多子阵检测法。但是此方法不能同时兼顾中央波束方向和外侧波束方向的高精度方位估计4
8、。研究表明，基于传统多波束测深系统的接收基阵结构，最佳的信号处理方案是在中央波束方向采用常规FFT 波束形成技术，在外侧波束方向采用基于相位的估计技术，从而保证在两个区域都能够获得高精度的方位估计2。但是在实际应用中，中央波束方向和外侧波束方向的划分通常会带来误差甚至错误。因此，提出一种新的信号处理方法，使其同时适合于中央波束区域和外侧波束区域，并且具有地貌扩展能力，是非常有意义的。基于以上分析，本文基于传统多波束测深系统的接收基阵结构，提出了多子阵波束域求根MUSIC 算法(简写为MSB-RMU 算法)，并给出了其对数据的处理结果，验证了其有效性、实用性与优越性。 1信号模型与求根MUSIC
9、 算法设阵元数为M 的等距线阵，阵元有着相同的指向性，阵元间距为d ，D 个远场窄带信号源，到达方向分别为D ,1 ，其中D M 。以阵列的第1个阵元为基准，各窄带信号在基准阵元的复包络分别)(,),(1t s t s D ，则第m 个阵元接收到的信号为：)()()(1sin )1(2j t g et s t x m D i d m i m i +=- (1)其中，为信号的波长，)(t g m 表示第m 个阵元上的零均值、方差为2的白噪声。表示成向量形式为：)()()(t t t g As x +=(2) 其中：)(,),(),(21D a a a A =，T 21)(,),(),()(t t
10、 t t D s s s s =T 21)(,),(),()(t t t t M g g g g =，T sin 2)1(j sin 2j ,1)(M m d M d m e e -= 基于上述的信号模型，求根MUSIC 算法的过程如下5：(1)利用实际样本估计阵列接收向量)(t x 的协方差矩阵：I A s s A x x R x .)()()()(2H H H +=t t E t t E此处，)(H t x 为)(t x 的埃尔米特矩阵。(2)对x R 进行特征值分解，得到其特征值M ,21 及其对应的特征向量M e e e ,21 。(3)根据先验的或者利用某方法6估计出的信号源数D ，
11、确定信号子空间,21D span e e e S =和噪声子空间,21M D D span e e e G +=(4)定义多项式)p(GG )(p )(z z z f H H =，并求出单位圆上的根。其中，T 1M-1, z , z, z =)p(。(5)利用表达式,D 1,i z di i = )arg2arcsin(得到D 个信源的方位估计。 2 MSB-RMU 算法将M 元线阵分为N 个子阵，每个子阵是1+-N M 元线阵，且满足11+-N N M ，相邻子阵间隔1个基元，基阵结构图1所示： 图1 基阵模型Fig.1 Array Model参照(1)式的表示方法，各子阵输出的向量形式为：
12、N n t t t t t n n n n n ,2,1)()()()()(11 =+=+=-g s A g s A x (3) 其中，1A 是D M ?维矩阵A 的前1+-N M 行，而D D ?维对角阵包含了目标的DOA 信息?=-D d j d j d j e e e sin 2sin 2sin 20000000021 (4)对每个子阵分别作FT 波束形成，对于子阵n ，设预成于方向b 上的FT 波束形成行向量为nb T ，预成波束数为B ，即B b N n ,e ,e e N M b b b 1)dsin n N (M 2j ndsin 2j 1)dsin (n 2j nb ,T 21
13、;2111=+-=-+- (5)则每个子阵b 方向的波束输出为：B b N n t t t t t t H n nb n c b n nb n nb n nb nb ,2,1;,2,1)()()()()()(111 =+=+=-g T s A T g T s A T x T (6) 其中，T n N M n n t g t g t )(,),()(+-= g ；D D ?维对角阵C 反映目标DOA 与波束方向b 间的偏离?=-)sin (sin 2)sin (sin 2)sin (sin 20000000021D b b b d j d j d j C e e e (7) 以每个子阵b 号波束
14、方向b 的波束输出nb H 构成新的信号向量)(t b H ，则)()()(t t t b b g BsH +=(8) 其中，)()()(21b D b b a a a ,B =，依然具有Vandermonde 结构；)()(t t n nb b g T g =；?+?=-)sin (sin )1(2)sin (sin 2)sin (sin )1(2)sin (sin 221D b D b 1b 1b 11)()()()(d N j d j d N j d j D e e e e t s t s t s ,t s (9) 可以得到对应于某b 号波束方向b 的新的信号向量)(t b H 的协方差
15、矩阵Hb RE B ssB H H R .)()()()(2H H H +=t t E t t E b b Hb (10)其中，E 为噪声相关矩阵，如下式?+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-=11321221321112211 N M N M N M N M N M N M N M N M N M N M N M N M E (11) 对于MSB-MUSIC ，由于引入了多个相互重叠的子阵，因此引入了色噪声，噪声协方差矩阵E 不再是单位阵。在色噪声环境下, 信号协方差矩阵的特征值会偏离白噪声环境下的特征值分布而加大估计误差6。为了更准确的得到信号子空间，需要消除噪声对信号协方差矩阵的影响，从式(11)可以看到：当子阵结构确定时，矩阵E 确定，且具有Toe
