淺水多波束高幀率測深技術研究?

魯東　陳寶偉　李海森?　周天

（1哈爾濱工程大學水聲技術重點實驗室哈爾濱150001）（2哈爾濱工程大學水聲工程學院哈爾濱150001）

淺水多波束高幀率測深技術研究?

魯東1，2陳寶偉1，2李海森1，2?周天1，2

（1哈爾濱工程大學水聲技術重點實驗室哈爾濱150001）（2哈爾濱工程大學水聲工程學院哈爾濱150001）

針對常規多波束測量中由于遠距離目標信號未到達接收基陣而不能再次發射探測信號，導致測深幀率下降的問題，本文提出了基于Kasami編碼的淺水多波束高幀率測深方法。首先討論了頻分復用高幀率測深方法、基于Kasami編碼的并行高幀率測深方法和串行高幀率測深方法的原理，然后通過仿真對比了三種方法的條帶間干擾和測深分辨力性能，對比結果表明基于Kasami編碼的串行高幀率測深方法的條帶間干擾較低，具有較高的測深分辨力。最后采用淺水寬覆蓋多波束測深系統進行了水池實驗驗證，結果表明該方法在保證測量分辨力的情況下，可有效的提高測量幀率。

淺水多波束，Kasami編碼，高幀率測深

1　引言

在常規淺水多波束測量中，常以單頻脈沖為探測信號。為避免相鄰兩次發射信號的相互干擾，則需等到最遠關注區域的回波信號到達基陣后才能發射下一次探測信號。近距離測量時，最遠回波到達時間較短，兩次測量間隔相對較小，測量幀率較高，在保證海底地形精細測量的前提下，測量船航速可以較高，測量效率較高。而在遠距離測量時，最遠回波到達時間較長，測量間隔相對較大，測量幀率較低，為獲得精細的海底地形，只能以較低航速為代價，導致測量效率降低。多波束測深儀ATLAS FANSWEEP 30 COASTAL［1］采用頻分復用多條帶技術解決了這一矛盾，同時向不同方向發射多個不同頻率的脈沖信號，單次探測即可得到多幀地形。相對常規方法，測量幀率提高了數倍，然而在多波束測深系統中，頻帶寬度決定距離分辨力，頻分復用方法可實現多個窄帶信號同步測量換取幀率的提高，但卻因頻帶變窄導致信號脈寬增加，從而降低了測深的距離分辨力。實際應用中對分辨力要求不斷提高，促使了多波束測深技術不斷發展［2］。在雷達和通信中，為區分頻帶和時間上交疊的信號，常采用碼分復用方式［3］，同時隨著近些年擴頻編碼信號在水聲領域的廣為應用［4］，尤其是有著良好自相關特性和互相關特性的Kasami編碼信號的應用［5］，使得將Kasami編碼信號應用到本文解決高幀率高分辨力測深成為可能。本文主要研究基于Kasami編碼的淺水多波束高幀率測深技術。

2　多幀測深原理

2.1多條帶相控發射技術

常規淺水多波束測深中常以直線陣為模型，設M個響應相同的無指向性陣元組成發射線列陣，發射信號波長為λ，等距排布，陣元間距為d，聲速為c。第m號陣元信號相對參考陣元進行相應的時延τm，可使發射信號在θ方向上形成波束，其中每通道時延τm=mdsin（θ）/c［6］。而在如圖1的多條帶測深模型中，假設產生測深條帶個數為L，將相互正交的信號分別束控到不同條帶對應角度θl，然后同時或分時發送，可實現多波束的多條帶相控發射，則每個陣元的相對延時τm，l=mdsin（θl）/c，其中m=1，

圖1　多條帶測深示意圖Fig.1 A schematic of multiple bands sounding

2.2頻分復用多條帶測深技術

為產生多個束控到不同條帶的正交信號，將每個條帶對應不同頻率，同時發射測量，其發射和接收原理如圖2和圖3。發射原理如圖2，首先產生L個分別以f1，f2，···，fL為中心頻率的脈沖信號，并確保在頻帶上相互不交疊，然后分別根據各自的條帶角度，經過延時束控發射模塊產生M通道的時延信號，最后將L組信號按通道號對應疊加，送至發射陣元進行電聲轉換，即可在空間上形成L個測量條帶。接收處理原理如圖3，首先通過聲電轉換，將L路接收信號同時經過f1帶通濾波、f2帶通濾波、···、和fL帶通濾波，然后將各濾波器輸出的各路信號分別經過IQ解調、波束形成和檢波，即可得到對應條帶的測量結果。

圖2　頻分復用多條帶發射Fig.2 FDM of multiple bands sounding emission

圖3　頻分復用多條帶接收Fig.3 FDM of multiple bands sounding receiving

2.3碼分復用多條帶并行發射技術

頻分復用多條帶測量降低了每個條帶的信號帶寬，而帶寬決定距離分辨能力，尤其在常規多波束測深系統帶寬資源不夠豐富時，條帶越多，距離分辨力越差。而碼分復用方法在復用信道時不降低信號帶寬，從而保證距離分辨力不變。為了抑制條帶間信號的干擾，需要選用具有良好相關特性的信號簇，即各條帶信號之間互相關和自相關旁瓣值要足夠的小。而擴頻編碼在這方面有著較為優越的性能，前人研究表明Kasami編碼［7］具有優越的相關特性，其最大自相關、互相關旁瓣值均接近于Welch［8］理論下限，最大相關值為而常見的GOLD編碼信號最大相關值為為編碼周期數），足見其優勢。因此將Kasami編碼信號引入到多條帶高幀率測深中，向不同方向同時束控發射不同的Kasami編碼信號，可降低各條帶間信號的相互干擾，并在保持距離分辨率不變的情況下，同時形成多個測深條帶，以達到提高測量效率的目的，圖4為其發射原理框圖。

圖4　碼分復用多條帶發射框圖Fig.4 CDM of multiple bands sounding receiving

為產生L個條帶信號，首先通過Kasami序列生成器產生L組Kasami編碼c1（t），c2（t），···，cl（t）并采用PSK調制，然后將調制后的信號經過延時束控發射模塊產生不同通道的發射信號，最后將對應通道的信號經過累加器疊加后送到對應的陣元進行電聲轉換并形成多個測量條帶。

2.4碼分復用多條帶串行發射技術

在碼分復用多條帶并行發射中，瞬時功率常受到限制，各條帶所分到的功率會隨著條帶數的增加而減少，降低功率意味著信噪比的降低。同時多條帶測量時條帶間目標距離差別較小，各條帶相同垂直航跡向角度的信號回波幾乎同時達到，對于時長較長的編碼信號而言，該問題尤其嚴重，而直接導致同一角度的弱信號條帶可能被強信號的距離向旁瓣干擾而淹沒。針對這一問題，本文考慮將各條帶信號串行發送，先發送條帶1信號，等待保護間隔，再發射條帶2信號，直到條帶L的信號發送完畢。由于卷積計算的特性，為盡可能減少條帶間信號在同一方向上的干擾，相鄰條帶回波信號間隔應盡可能大于一段編碼的長度。在平海底模型中，外側條帶滯后于內側條帶，發射信號時可考慮先發射內側條帶，再經過一段編碼信號的長度發射外側條帶信號，可較好的避免條帶間干擾。當然間隔時間越長，條帶間干擾越小，但卻會導致測量盲區變大，故應盡可能預測海底地形并選擇合適的保護間隔。

2.5碼分復用多條帶接收技術

通過多條帶束控發射，各個編碼信號在航跡上的不同角度形成測深條帶，對于海底這樣的多目標對象來說，其回波信號包含了多個方位不同編碼的混合信號，接收時需充分利用各個編碼信號之間的正交性，對不同角度的信號加以分離，具體原理如圖5。首先用本地載波對多個陣元輸入信號分別進行IQ解調，得到解析信號。然后由本地產生對應條帶的Kasami編碼信號與解析信號經過卷積運算，即可分離各條帶的信息，最后將不同陣元信號的卷積結果經過波束形成和檢波，可得到目標在準確方位上的深度信息。

圖5　碼分復用多條帶接收框圖Fig.5 CDM of multiple bands sounding emission

3　仿真實現與結果分析

3.1頻分復用多條帶發射

在多波束測深仿真研究中，為方便起見，常以平海底為研究模型。設發射陣元數M為56，陣元間距d為5.95 mm，發射信號中心頻率為180 kHz，本文以30 m深平海底為目標。按照上述條件在FIELD II［9］中設置發射基陣和目標的參數。設系統帶寬為12 kHz，分為四個頻點175.5 kHz，178.5 kHz，181.5 kHz和184.5 kHz，分別束控到-9°、-3°、3°和9°方向，由于帶寬的限制，這里設置每個脈沖寬度為0.5 ms，將多路信號按圖2原理束控發射，并將海底目標反射信號經過對應的帶通濾波，可得到不同條帶的海底目標強度圖如圖6所示。抽取-9°條帶下的正下方數據，和僅有相控時對比（如圖7），由于每個信號為脈沖信號，其能量有一部分會泄漏到其它頻帶上，可看出頻分復用方法在-3°處有一個額外的干擾，此處的干擾即為條帶間干擾。當-3°方向存在的目標比-9°方向的目標反射強度大若干倍時，可能產生錯誤檢測，導致錯誤地形。

圖6　頻分復用多條帶目標回波強度圖Fig.6 Diagram of FDM multi-band target echo intensity

圖7　條帶干擾對比Fig.7 Interference contrast between bands

為進一步仿真頻分復用方法的性能，設置深度、航跡向角度和垂直航跡向角度分別為［30 m，-9°，0°］、［31.5 m，-3°，0°］、［33 m，3°，0°］和［34.5 m，9°，0°］的四個回波強度相同的目標，通過如圖3的原理處理可以分別得到如圖8，由圖8可以看出，波束形成結果基本可以反映每個目標的位置，但由圖8也可看出，由于單個信號的脈寬較長，距離向分辨力較差，同時由于條帶干擾的存在，可以看到其他航跡向的目標在本航跡向上存在干擾。分別抽取出水平角度為0°的波束圖如圖9所示。由圖9可清楚看到，距離向主瓣較寬，分辨力較差（僅為1 m左右），且由于頻譜泄漏，條帶間存在相互干擾，尤其是頻率上相近的條帶。

3.2并行碼分復用多條帶仿真

頻分復用方法盡管可以提高測量效率，但距離向分辨力較差，本文引入Kasami編碼來解決這一矛盾。由于小Kasami序列長度的取值僅可為15、63、255、1023和4095等，而對于窄帶多波束測深系統而言，當編碼長度達到255時，測量盲區太大，而同時考慮較好的相關特性，綜合考慮后，本文設置編碼長度為63，每個碼元寬度為0.08333 ms，中心頻率為180 kHz，同時將四個Kasami編碼分別束控到-9°、-3°、3°和9°方向，將多路信號按圖4原理圖束控發射，并對各個目標回波進行碼卷積，仿真并抽取-9°情況下的正下方數據對比如圖10，由于編碼信號之間的互相關特性并不理想，其他條帶的信號會干擾到本條帶，可看出頻分復用方法在-3°、3°和9°方向都有一個額外的干擾，此處的干擾即為條帶間干擾。那么當其他方向存在的目標比-9°方向的目標反射強度大數倍時，可能產生錯誤檢測，導致錯誤地形。

進一步仿真碼分復用方法的性能，和頻分復用設置同樣仿真條件，分別抽取出水平角度為0°的波束圖，如圖11所示。和圖9對比可以清晰看出，碼分復用方法在距離向分辨力上有明顯的優勢，分辨力較高（約為0.1 m），明顯高于頻分復用法。但由于編碼較短，互相關特性較差，導致條帶間干擾比較大，當其他條帶信號回波強度較大時，本條帶信號將會被淹沒，無法正確檢測地形。

圖8　頻分復用多條帶波束圖Fig.8 Beam pattern of FDM multi-band

圖9　正下方目標深度圖Fig.9 Target depth map of vertically downward

圖10　條帶干擾對比Fig.10 Interference contrast between bands

圖11　正下方目標深度圖Fig.11 Target depth map of vertically downward

3.3串行碼分復用多條帶仿真

針對碼分復用方法的條帶間干擾較大的問題，本文將編碼信號串行發送，并在編碼與編碼之間插入間隔，讓不同條帶相同方向的回波串行回到接收基陣。由于各條帶回波相互不疊加，可以利用局部背景歸一化法將反射強度較小的條帶信號提取出來。將4組碼分別按20 dB、10 dB、0 dB、30 dB衰減串行接收，中間插入間隔為單組編碼的長度，然后以最大衰減的碼為目標加以卷積求目標，可以得到如圖12（a），由圖12（a）可看出在常規的幅度檢測法中，基本無法判定目標的準確位置。本文先提取一個編碼長度范圍內的背景電平，然后以此作為每個點的歸一化參考，經過處理可得到如圖12（b），由圖12（b）可看出，采用常規方法即可提取出目標的方位來。

圖12　背景歸一化對比圖Fig.12Comparisonchartofbackground normalization

為充分驗證串行碼分復用多條帶測深方法，以30 m平海底為目標，在垂直航跡向從-30 m到30 m、航跡向角度從-15°到15°范圍內由FIELD II仿真可得到波束圖如圖13。由圖13可以看出-3°、3°、-9°和9°條帶均有明顯的代表地形信息的細的亮條帶，抽取中間波束進行分辨力驗證，證實其分辨力和并行碼分復用方法一致。當然，串行發射的測量時間變長，測深盲區變大，相對并行發射來說，測量效率有所降低（50 m水深，6倍覆蓋時會降低7.7%），但相對并行發射的單條帶瞬時功率低，條帶間干擾幾率大的缺點，其導致的效率降低是微不足道的。

4　水池試驗驗證

為充分驗證本文方法的有效性，在哈爾濱工程大學信道水池（長45 m，寬6 m，深5 m），以如圖14（a）的淺水寬覆蓋多波束測深系統的右側基陣為實驗設備，并置于水池行車上。將基陣置于水下3 m，陣面斜對池壁（把池壁當作海底），接收陣平行于水面，相對水池的位置示意圖如圖14（b），其中基陣離池壁距離OA約為4.2 m，基陣中心位于正前方目標距離OB約為8.4 m、水池拐角處目標距離OC約為17.5 m，基陣相對池壁偏轉角∠AOC約為60°。

圖13　串行碼分復用多條帶波束圖Fig.13 Beam pattern of serial CDM multi-band

圖14　試驗設備和環境Fig.14 Test equipment and environment

水池試驗通過發射基陣串行發射4個條帶信號，其中每個碼元長度為50μs，條帶間信號間隔為3.2 ms。接收信號經過如圖5的IQ解調、編碼卷積和波束形成等步驟得到波束圖，并取出第二個條帶的信號如圖15（a），并采取常規的檢波方法，檢波結果如圖15（b）中星號標記，為和環境對應，將檢波結果轉換到直角坐標系如圖16。對圖15，圖16中所示結果分析如下：

（1）圖15（a）中，在采樣點960點附近，存在一條亮線。原因是邊發邊收時接收到發射陣的直達波，經編碼卷積后，就出現了一條亮線。

（2）圖15（b）中，由檢波結果（白色星號）可看出，從采樣點號1800點，波束號為0處向右下方逐漸延伸出一條亮線，它即是第二個條帶處理后的地形信息。但在采樣點號2850點，波束號為145附近也有幾個錯誤檢波點，這是由于當前條帶目標回波信號太弱導致的（當然如果考慮地形信息，可以有效的規避這幾個點）。

（3）圖15（b）中，波束號在640以后，檢波結果明顯變差，這是由于越到后面，水池壁的掠射角度越來越小，反向散射強度急劇下降，因而無法檢測到有效的信號。

（4）圖15（a）中，在采樣點號4388點，波束號為786的白色矩形方框處有一個亮點，該亮點是水池的拐角處，對應圖14中的C點，混響強度較大，明顯高于其附近的回波信號，由檢波結果可以看出受隧道效應［10］的影響，相鄰波束都檢測到了相同的采樣點號，導致出現假地形，由于篇幅所限，這個問題在本文中不展開討論。

（5）圖16中所示的OB、OC處的檢測結果，其距離和圖14（b）中示意圖大致對應，為驗證分辨力，抽取B點所在的中間波束，分析其距離向-3 dB寬度為61.07μs（0.0916 m）和理論仿真一致，而在同樣試驗環境下的常規單頻脈沖測深方法（脈寬為50μs）中同一位置處的距離向-3 dB寬度為59.48μs，兩種方法的分辨率相差較小，而由圖15可看出本文方法具備同時測量四個條帶的能力，和仿真結果保持一致，有效的提高了測深效率，由此可證明本方法的有效性。

圖15　水池試驗結果Fig.15 Tank test results

圖16　檢波結果Fig.16 Detection results

5　結論

本文研究了淺水多波束高幀率測深技術，并得到以下結論：

（1）頻分復用高幀率測深技術是將不同頻率的信號束控到不同的航跡方向上，同時測量多個條帶對應的深度，這樣雖然降低了單個條帶的有效帶寬，降低了測深分辨率，但是可提高測量效率。

（2）并行碼分復用方法是將不同編碼的信號束控到不同的航跡方向上，同時測量不同碼址對應條帶的深度，該方法不僅提高了測量效率，同時也保證了測深分辨率，但由于編碼信號的距離向旁瓣較高，容易淹沒同一角度的不同條帶的弱信號。

（3）串行發射各條帶編碼信號方法，相對頻分復用方法提高了距離分辨力，而相對并行碼分復用方法則降低了條帶間的干擾，盡管有些許效率的降低，但卻有效地提高了各條帶的測深質量。

（4）由于采用了編碼信號，增加了系統發射和接收的復雜度，因而整個系統的實現成本有所提高，但對于高效率高分辨力測深需求而言，本文方法給出了在系統性能與成本之間進行優化、折衷的一種選擇方案。

［1］K?NNECKE S.The new atlas fansweep 30 coastal：A tool for efficient and reliable hydrographic survey［C］. 25th International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering，OMAE2006-92242：257-261.

［2］李海森，周天，徐超.多波束測深聲納技術研究新進展［J］.聲學技術，2013，32（2）：73-80. LI Haisen，ZHOU Tian，XU Chao.New developments on the technology of multi-beam bathymetric sonar［J］.Technical Acoustics，2013，32（2）：73-80.

［3］HAO H，STOICA P，JIAN L.Designing unimodular sequencesetswithgoodcorrelations-includingan application to MIMO radar［J］.Signal Processing，IEEE Transactions on，2009，57（11）：4391-4405.

［4］周鋒.水聲擴頻通信關鍵技術研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學，2012.

［5］于洋，周鋒，喬鋼.小Kasami序列的正交碼元移位鍵控擴頻水聲通信［J］.哈爾濱工程大學學報，2014，35（1）：81-86. YU Yang，ZHOU Feng，QIAO Gang.Quadrature code shift keying spread spectrum underwater acoustic communications employing small Kasami sequence［J］.Journal of Harbin Engineering University，2014，35（1）：81-86.

［6］田坦.聲納技術（第二版）［M］.哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2010：202.

［7］LAHTONEN J.On the odd and the aperiodic correlation properties of the Kasami sequences［J］.Information Theory，IEEE Transactions on，1995，41（5）：1506-1508.

［8］WELCH L.Lower bounds on the maximum cross correlation of signals（Corresp.）［J］.IEEE Transactions on Information Theory，1974，20（3）：397-399.

［9］JENSEN J A.Field：a program for simulating ultrasound systems［J］.Medical and Biological Engineering and Computing，1996，34（S1）：351-353.

［10］魏玉闊，陳寶偉，李海森.利用MVDR算法削弱多波束測深聲納的隧道效應［J］.海洋測繪，2011，31（1）：28-31. WEI Yukuo，CHEN Baowei，LI Haisen.Tunnel effect elimination in multibeam bathymetry sonar based on MVDR algorithm［J］.Hydrographic Surveying and Charting，2011，31（1）：28-31.

Technology of the multi-beam high frame rate bathymetry in shallow water

LU Dong1，2CHEN Baowei1，2LI Haisen1，2ZHOU Tian1，2
（1 Acoustic Science and Technology Laboratory，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China）（2 College of Underwater Acoustic Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China）

Because probe signals can't be re-launched before remote target signals reach receiving array in the conventional multi-beam measurement，which results in the problems of decrease of bathymetry frame rate，the method of multi-beam high frame rate in shallow water is proposed on the basis of Kasami encoding.Firstly，it analyzes the FDM high frame rate bathymetry method，and the method of parallel high frame rate bathymetry based on Kasami encoding as well as the theory of serial high rate bathymetry.Subsequently，according to simulation，inter-band disturbance and performance of bathymetry resolution are compared among these three methods.Final analysis shows that serial high rate bathymetry method on the basis of Kasami encoding possesses lower inter-band disturbance capability and higher bathymetry resolution.Finally，simulation and tank experimental verification are finished based on the MBES（Multi-beam echo sounder）.The result shows the method can effectively increase measurement frame rate while guaranteeing measurement resolution.

Shallow water multi-beam，Kasami code，High frame rate bathymetry

TB51+6

A

1000-310X（2015）04-0303-08

10.11684/j.issn.1000-310X.2015.04.004

2014-09-19收稿；2015-01-28定稿

?國家863計劃資助項目（2007AA09Z124，2008AA092701），國家科技部國際合作計劃資助項目（2008DFR70320），國家自然科學基金項目（41006057，41076056，60872107），中國高等學校博士點基金項目（20102304120028，20112304130003，20122304120012），水聲技術重點實驗室基金項目（9140C200105120C20001）

魯東（1986-），男，重慶豐都人，博士研究生，研究方向：通信與信息系統。

E-mail：hsenli@126.com