多波束测深声呐自主数据质量监测及门限控制

为满足水面无人艇等海洋无人平台的需求,确保多波束测深声呐系统在无人监控和参数调节下具备可靠自主工作能力,本文提出一种数据质量在线监测及门限参数控制方法。通过建立基于质量和异常因子的监测模型,结合粒子滤波技术,提高海底地形跟踪门限控制抗差性。仿真和湖上试验显示该方法能判定数据有效性、适应地形变化,并提供合理深度门限,适用于多波束测深声呐系统的在线数据质量监测和无人自主控制。

基于测深侧扫声呐的DOA估计算法研究

针对测深侧扫声呐进行波达方向(Direction of Arrival,DOA)估计时会受到阵元幅度、相位误差及低信噪比影响的问题,提出一种改进的波束域加权子空间拟合算法。首先,采用总体最小二乘-旋转不变子空间算法进行回波方向预估计;其次,将连续线阵划分为多个子阵,并将各个子阵在预估计方向做加权波束形成;再次,采用加权子空间拟合(Weighted Subspace Fitting,WSF)算法构造代价函数;最后,采用阻尼牛顿法求解得到高精度的DOA估计结果。仿真结果表明,文中所提算法在阵元出现幅度相位误差条件下的角度估计均方误差相对于WSF算法减少了约0.03°。海试数据分析结果表明,文中所提算法的测深点均方误差整体优于WSF算法,其相对测深精度提高了约9.8个百分点。以上分析结果表明,文中所提算法整体优于WSF算法,可以实现在阵元幅度相位误差及低信噪比情况下的高精度DOA估计。

小孔径多波束声呐测深算法改进

多波束测深声呐采用多重信号分类算法能够在较小阵列尺寸的情况下保证较高的角度分辨率。然而,由于水底回波的边缘波束信噪比较低,多重信号分类算法伪谱中较强的伪峰干扰会导致后续测深算法的深度估计结果出现错误。针对该问题,提出一种基于最大信噪比的修正峰值搜索算法。该算法假定相邻波束的水底地形具有缓变性,选取回波信噪比最大的时刻,利用多重信号分类算法进行波达方向估计以获取信号角度、时间参考值。然后,分别向左右两侧利用时间期望值对回波信号进行加权与峰值搜索,实现更精确的测深。最后,通过实测数据验证了该文提出算法的有效性,该算法在特定条件下能够将边缘波束的最大测深误差减小25.85%,平均测深误差减小8.02%。

一种基于质量因子的多波束测深声呐多子阵相位检测方法

由于子阵划分方式不同和海洋环境噪声影响,多波束测深声呐在边缘波束难以获取高质量相位差曲线,导致过零点检测产生较大误差。针对上述问题本文提出一种基于质量因子的多子阵相位检测方法。首先,通过理论推导分析了子阵阵元重叠会导致相位差估计量在低信噪比时出现偏差,为避免该偏差本文采用子阵之间无阵元重叠的多子阵划分方式。其次,根据最大化最小准则优化子阵间距,利用多个子阵实现相位差曲线解模糊。再次,推导二阶多项式拟合相位差曲线时质量因子的表达式,并以质量因子为评价准则对相位差曲线上的数据进行选取。最后,设计基于递推最小二乘的相位差序列提取算法以提高计算效率。仿真结果表明,本文所提子阵划分方式能够实现相位差曲线的无偏估计,利用多子阵提高了解模糊稳健性,在边缘波束获得了比方位偏差指示法和分裂波束法更小的测深误差。实验数据进一步验证了本文所提方法具有较好的工程实用性。

Burst模式在多波束声呐高帧率测深方法中的应用

在常规多波束测深声呐系统中,需要等待远距离目标信号到达接收基阵后才能再次发射探测信号,这将导致测深帧率下降。针对该问题,该文提出了一种基于Burst模式的多波束声呐高帧率测深方法。由于各角度的海底回波持续时间远小于远距离目标信号到达接收基阵的所需时间,根据这一特性,采用Burst模式,通过等间隔地发射多帧信号并接收,同时保证发射的间隔大于最大波束持续时间,实现多帧信号在时间角度域中的分离,提高测深系统帧率。由于相邻帧的隧道效应会与部分波束发生重叠,针对该问题采用改进的线性约束最小方差算法,实现了低副瓣宽零陷的波束形成,从而削弱隧道效应的影响。最后通过仿真数据验证了该文所提方法的有效性,表明该方法在特定条件下能够将测深帧率提高3.3倍。

基于空间平滑的多波束测深声呐相干分布源方位估计

在多波束测深声呐的工作环境中,若海底反向散射信号不满足点源假设,方位估计精度将严重下降,而基于分布源模型的方位估计算法可以适应这种环境。目前,大多数分布源算法要求分布源之间不相干,有人提出采用Toeplitz方法估计相干分布源,但该方法精度不高并且忽略了角度扩展参数。为解决多波束测深声呐相干分布源的方位估计问题,提出了基于空间平滑的广义MUSIC方法,公式推导证明了算法的有效性,通过计算机仿真给出算法方位估计的精度以及不同信噪比条件下的性能,最后采用多波束测深系统的实验数据对算法进行了验证。

多波束声呐海底底质半监督学习分类方法

多波束测深声呐的反向散射数据中包含海底表层的声学信息,可以用来进行海底表层底质分类。但实际中通过物理采样获得大范围的底质类型的标签信息所需成本过高,制约了传统监督分类算法的性能。针对实际应用中只拥有大量无标签数据和少量有标签数据的情况,文章提出了基于自动编码器预训练以及伪标签自训练的半监督学习底质分类算法。利用2018年和2019年两次同一海域实验采集的多波束测深声呐反向散射数据,对所提算法进行了验证。数据处理结果表明,相比仅利用有标签数据的监督分类算法,提出的半监督学习分类算法保证分类准确率的同时所需的有标签数据更少。自动编码器预训练的半监督学习分类方法在有标签样本数量极少时的准确率仍高于75%。

基于多波束测深声呐的水中气体目标检测方法

针对水中气体目标检测存在的水下环境复杂、探测目标多等问题,本文提出一种基于多波束测深声呐的水中气体综合检测方法。针对水中气体目标静态和动态特征,综合利用了一维波束输出、二维图像输出和三维声呐图像序列信息,在波束域上利用自适应阈值多次检测算法检测水体目标;在图像域中,采用数学形态学提取目标轮廓;针对三维声呐图像序列,利用尺度不变特征流估计气体目标的运动特征。水池和外场实验数据表明:自适应阈值提高了多次检测算法的鲁棒性;基于稠密匹配和图像金字塔理论的SIFT Flow算法能够从多波束测深声呐图像序列中估计气体目标运动特征,为水中气体目标的分布规模定量评估奠定基础。

LCMV波束形成削弱多波束测深声呐的隧道效应

分析了海底多波束测深声呐中存在的隧道效应的产生机理,指出旁瓣干扰是导致隧道效应的重要因素。在最小方差无失真响应(Minimum Variance Distortionless Response)波束形成的原理基础上,提出使用线性约束最小方差(Linear Constrained MinimumVariance)波束形成技术来抑制隧道效应,该方法可以通过引入主瓣约束保证在抑制隧道效应的同时,主瓣不会因为干扰而发生畸变。通过计算机仿真实验,证明了LCMV波束形成算法抑制隧道效应的有效性。

基于多波束测深声呐的海底气体泄漏实时报警系统

随着人们对海底油气资源的开发,在海底铺设的管道越来越多,海底管道泄漏风险日益增加,亟需高效、实时的检测方法。文章利用自主式水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle, AUV)平台,搭载多波束测深声呐与基于VxWorks的嵌入式处理单元,设计了一套水下气体泄漏自动检测系统,将多波束测深声呐采集的水体图像数据传送给嵌入式处理单元,采用模板匹配方法对图像数据进行处理,完成对海底管道气体泄漏点的实时检测。湖试和海试都验证了该系统方案的有效性与先进性。

利用RLS-Laguerre格型算法消除多波束测深声呐的隧道效应

为了避免多波束测深声呐输出数据中产生测深假象,分析了海底多波束测深声呐中存在的隧道效应及其产生机理,指出旁瓣干扰是引起隧道效应的重要因素,隧道效应的出现导致多波束测深声呐把相对平坦的海底绘制成凹面向上的水平半圆柱面海底地形.采用系统辨识模型仿真了基于先验误差的误差反馈递归最小二乘(RLS)Laguerre格型算法的极点位置对算法性能的影响,并利用该算法对湖试数据中存在的隧道效应进行分析处理.结果表明通过对Laguerre极点的选择,该算法能够有效消除多波束测深数据边缘波束中存在的旁瓣干扰并快速跟踪真实的海底回波,同时又能保留中央波束信号能量,减少对真实信号的影响.

测深侧扫声呐中干涉图的降噪

介绍了测深侧扫声呐(BSSS)干涉图中噪声的产生原因,对BSSS信号处理中干涉图噪声抑制给出了4种方法:均值滤波、中值滤波、回转均值滤波、回转中值滤波等.在抑制噪声能力、保持干涉图边缘能力以及计算量方面,用实际数据对各种方法进行了分析比较,得出结论如下:均值滤波抑制噪声能力强,中值滤波保持边缘能力强,但这两种滤波方法在复图像域中进行,计算量大;回转均值滤波、回转中值滤波直接对实测相位主值进行滤波,能够解决相位主值2π的模糊问题,计算量小.

测深型侧扫声呐细物识别及浅水测量精度分析

浅水区域水下地形全覆盖测量的效率提升是水下测量一大难题。EdgeTech 6205S测深型侧扫声呐系统(简称“6205S”)测深、双频侧扫的集成度高,可以产生实时、高分辨率双频侧扫声呐数据和高质量测深数据(超过200°的侧扫宽度)。对比了6205S系统与常规多波束、单波束系统的测深精度及细物识别能力。结果表明:6205S系统细物识别准确,与单波束、多波束系统水深结果一致;测深精度满足国际海道测量组织(IHO)特等测深精度要求及《工程测量规范》中水深测量要求;测量效率可达到常规多波束的2~3倍。

成像声呐在人工鱼礁建设中的应用

由于测深侧扫声呐系统(C3D)和双频声学识别声呐(DIDSON)在浑浊的水体中具有极高的图像分辨率,近年已被广泛应用于渔业生产中。本文针对人工鱼礁建设的规划设计阶段、施工验收阶段的水下声呐探测进行了相关研究,解决了投放区水下地形探测和人工鱼礁水下调查及稳定性探测的一系列问题,实践证明高分辨率水下声呐数据为人工鱼礁的设计、投放、监测等工作提供了十分有效的支持,提高了鱼礁的建设效率。

多波束声呐基阵一体化自校准方法

为了保证多波束测深系统的探测精度,在系统组装前需要对多阵元接收换能器基阵进行指向性测量和目标方位波束响应校准。针对常规方法中图像散焦问题存在的不足,本文提出了一种多波束声呐基阵一体化自校准方法,将换能器基阵和信号调理采集电路一体化测量,利用目标方位波束响应输出测量换能器基阵波束指向性。推导了阵元间距误差对测深结果产生的影响,采用聚焦波束形成技术,在小尺寸水池条件下开展校准实验研究。通过在水池中预先获得的方位波束角误差曲线,对多波束测深声呐外场实验数据进行了归位补偿,实现了多波束声呐基阵一体化自校准。实验结果表明:该方法能够保障多波束声呐的有效覆盖范围,具有较强的实用性和重要的工程应用价值与推广价值。

合成孔径旁扫测深技术研究

采用合成孔径技术可以利用小的基阵或基元获得窄波束。将合成孔径处理与测深系统结合 ,即合成孔径旁扫测深声呐 (SABASS ,SyntheticApertureBathymetricSide -scanSonar) ,这是一个很好的方案。本文讨论了SABASS的原理和方法 ,并对水池实验的数据进行处理 ,给出成像和测深结果。

一种噪声环境中的多波束相位差估计新方法

针对多波束测深声呐相位差检测法中噪声严重影响相位差估计的质量,使得深度测量的数据出现偏差的问题,采用理论分析和计算机仿真的方法,研究了噪声干扰对相位差估计的影响并有针对性地提出了减小测量误差.提高深度测量的可信度的信号处理方法.研究结果表明,噪声对相位差测量的影响在接收条带的不同部分是不同的,采用较大的子阵间距,利用相干信号的幅度信息和使用带宽可变的滤波器能有效降低噪声干扰,提高相位差估计的精度,实测数据处理证实了信号处理方法的有效性和可行性.

水下地形匹配导航现状及发展趋势

为了深入研究水下地形匹配导航技术,本文依据国内外最新研究成果,系统地总结了该技术的研究进展,认为已建立了融合实测和反演水深的全球海底地形模型,形成了适用于不同情况的地形匹配算法体系,建立了地形特征集与适配性关系,构建了满足间歇/连续地形匹配的策略及与惯性导航系统信息融合的抗差模型,发展了匹配导航系统,综合促进了水下地形匹配导航技术的进步。分析了当前研究存在的问题,并指出高精度高分辨率全球水深模型构建、在航测深数据处理、稳健匹配导航算法和系统研发是该技术未来的发展方向。

C3D测深侧扫声呐系统在人工鱼礁建设中的应用

长期以来将多波束测深数据和侧扫声呐图像进行融合叠加,一直是水下测绘领域的研究难题,而美国Benthos公司近年推出的C3D测深侧扫声呐系统,采用了多阵列换能器,CAATI专利算法,可同步获得高分辨率的侧扫图像和高质量的测深数据。本文着重研究:(1)在鱼礁区的设计阶段,C3D系统提供三维的水下地形、等深线等数据,进行三维可视化的鱼礁礁址的选择和布设方案设计;提供高分辨率的水下地貌图像,进行海底地质的分类,也可直观判断水下的各种地貌和障碍物等。(2)在鱼礁施工阶段,利用C3D水下图像对鱼礁的位置和状态进行评估,改进投放方法和工艺,确保设计方案的实施到位。(3)在鱼礁竣工后的监测阶段,利用不同时期的C3D高分辨率图像及水深数据进行比对,以判断鱼礁区的地形地貌变化,鱼礁的稳定性、掩埋损坏等情况。实验表明,C3D是一款性能优越的水下声呐探测系统,可为人工鱼礁方案设计提供详细的海底地形和底质信息,可对人工鱼礁建设的过程和结果进行科学的评估,将为各地人工鱼礁工程的顺利实施和效果保障发挥重要作用。

城市湖泊库容勘测方法对比研究

对使用RTK技术联合地质雷达或声呐测深仪对昆明湖库容测量进行了对比研究,针对城市湖泊勘测的具体特征分析了两种方法勘测的原理,总结了两种勘测方法的共同点和不同点,分析了两种方法各自的优点和缺点,并为其他湖泊库容勘测工作提出了建议。