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一種使用發射子陣的mimo陣列測深方法
【專利摘要】本發明提供了一種使用發射子陣的MIMO陣列測深方法，發射陣的兩個子陣相互平行并對齊，兩個子陣的距離等于接收陣的陣元個數乘以陣元間距，子陣內部的發射信號相干，子陣之間的發射信號相互獨立，且兩個子陣的發射信號的自相關函數具有相同的主瓣和低旁瓣，兩個子陣同時發射脈沖信號并同時照亮單個條帶，接收陣采集回波，用兩個發射子陣的發射信號對回波進行匹配濾波處理；對匹配濾波的輸出進行多波束處理，形成多個接收波束腳印覆蓋測深條帶；估計回波到達時延，將時延轉換為接收波束腳印的坐標，即獲得該條帶的離散深度。本發明在不增加接收直線陣物理尺寸和提高發射信號頻率的前提下，將多波束測深系統的跨航向分辨率倍增。
【專利說明】—種使用發射子陣的MIMO陣列測深方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種陣列成像方法。
【背景技術】
[0002]安裝在水下小型平臺(如AUV和R0V)上的多波束測深系統通常采用Mills交叉陣，即采用相互垂直的發射直線陣和接收直線陣(de Moustier C.State ofthe art in swath bathymetry survey systems.1nternational HydrographicReview, Monaco, 1988:25-54.吳英姿.多波束測深系統地形跟蹤與數據處理技術研究.哈爾濱工程大學博士論文，2002.)。以Mill’s交叉陣中的十字陣為例，如圖1所示(其中三角“ Λ ”代表發射陣元，圓圈“O”代表接收陣元)，為了不破壞AUV的線型，在布陣時，十字陣的物理尺寸均不得超出AUV的橫向和縱向尺寸。如圖2所示，在測深過程中，發射直線陣發射單個脈沖并“照亮”AUV正下方的一個條帶。接收直線陣對該條帶的回波進行多波束處理，獲得該條帶的離散深度值。隨著AUV往前航行，可陸續獲得多個條帶的測深結果。將這些條帶的測深結果進行綜合拼接，最終可獲得一片水下區域的深度值，即水下三維地形。該型測深系統的方位分辨率可分為沿航向分辨率和跨航向分辨率，如圖3所示。沿航向分辨率由發射直線陣的孔徑決定，而跨航向分辨率由接收直線陣的孔徑決定。因此，若要提高方位分辨率，則需要提高發射直線陣和接收直線陣的有效孔徑。
[0003]由于發射端使用直線陣，發射波束指向AUV正下方且每一 ping( — ping指一個發射和接收周期)僅形成單個向下的發射波束。為了減小波束主瓣寬度以提高沿航向分辨率，發射直線陣可以利用大于半波長(如一個波長)的布陣方式。盡管此時會在發射波束圖的邊緣角度上產生柵瓣，但這些柵瓣都遠離法線方向且幾乎沒有回波，因此不會對主瓣內的信號產生干擾(de Moustier C.State of the art in swath bathymetry surveysystems.1nternational Hydrographic Review, Monaco, 1988:25-54.)。在接收端，接收直線陣需要進行多波束處理，因此采用傳統的半波長布陣。然而，隨著接收主瓣從中央波束往邊緣波束移動，接收孔徑會逐漸變小，波束腳印會隨之擴大，即邊緣波束的分辨率低于中央波束(見圖3)。若要提高接收直線陣的孔徑，傳統方法為增加陣列尺寸或提高發射信號頻率，而這又面臨著AUV內部空間限制和吸收損失增加的問題。因此，如何增加接收孔徑，成為提聞跨航向分辨率的關鍵因素之一。

【發明內容】

[0004]為了克服現有技術的不足，本發明提供一種測深方法，由兩個發射直線陣和一個接收直線陣組成MMO陣列，每個發射直線陣內部發射相干的信號，而發射直線陣之間發射相互獨立的信號，如此便同時獲得發射子陣的指向性、陣增益和MMO系統的波形分集增益，在不增加接收直線陣物理尺寸和提高發射信號頻率的前提下，將多波束測深系統的跨航向分辨率倍增。
[0005]本發明解決其技術問題所采用的技術方案包括以下步驟:[0006]I)采用兩個相同的均勻直線陣作為發射陣的子陣，兩個子陣相互平行并各個陣元對齊，兩個子陣之間的距離等于接收陣的陣元個數乘以陣元間距，每個子陣內部的發射信號相干，兩個子陣之間的發射信號相互獨立，且兩個子陣的發射信號的自相關函數具有相同的主瓣和低旁瓣，所述接收陣采用均勻直線陣；
[0007]2)兩個子陣同時發射脈沖信號并同時照亮單個條帶，除該條帶外，其他區域處于發射波束的旁瓣內；
[0008]3)接收陣采集回波，用兩個發射子陣的發射信號對回波進行匹配濾波處理；
[0009]4)對步驟3)所述匹配濾波的輸出進行多波束處理，形成多個接收波束腳印覆蓋測深條帶；估計回波到達時延，將時延轉換為接收波束腳印的坐標，即獲得該條帶的離散深度。
[0010]所述兩個子陣的發射信號的旁瓣峰值小于等于主瓣峰值的0.2倍，兩個子陣的發射信號的互相關函數的峰值小于等于自相關函數主瓣峰值的0.2倍。
[0011]隨著發射陣和接收陣所在平臺的移動，重復步驟I)?步驟4)，進行逐條帶處理，即獲得一片區域的深度值。
[0012]本發明的有益效果是:可以在不增加接收ULA的陣列尺寸和提高發射信號頻率的前提下，使接收端的方位分辨率倍增，即使得條帶式測深系統跨航向分辨率倍增。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是AUV攜帶十字陣的示意圖，其中三角“ Λ ”代表發射陣元，圓圈“O”代表接收陣元；
[0014]圖2是十字陣測深系統在工作中進行逐條帶測深的示意圖；
[0015]圖3是單個條帶上的波束腳印和分辨率示意圖；
[0016]圖4是本發明中設計的測深MMO陣列示意圖；
[0017]圖5是與圖4中MIMO陣列等效的具有更大接收孔徑的虛擬十字陣示意圖，其中方框“ □”代表虛擬發射陣元，加號“ + ”代表虛擬接收陣元；
[0018]圖6是本發明中主要步驟的流程圖；
[0019]圖7是處理單個條帶回波獲得單個條帶測深結果的流程圖；
[0020]圖8 (a)是MMO陣列和十字陣的接收波束圖；圖8 (b)是MMO陣列和十字陣接收波束圖在不同主瓣指向下的波束寬度示意圖；
[0021]圖9 (a)是AUV正下方的三維地形示意圖；圖9 (b)是AUV正下方所“照亮”的單條帶二維地形圖；圖9(c)是十字陣測深結果示意圖；圖9(d)是MIMO陣列測深結果示意圖；
[0022]圖10是十字陣和MIMO陣列在21ping中的測深均方誤差示意圖(MSE:Mean SquareError)。
【具體實施方式】
[0023]下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明，本發明包括但不僅限于下述實施例。
[0024]本發明的主要內容有:
[0025]1.設計可用于條帶式測深的MMO陣列。該陣列由兩個MO元發射均勻直線陣(ULA:Uniform Linear Array)和一條N元接收ULA組成。兩個發射ULA組成一對相互平行且對齊的發射子陣，兩者之間的距離等于接收ULA的陣元個數乘以接收陣元間距。每個發射ULA內部發射相干信號,兩個發射ULA子陣之間發射相互獨立的信號。在發射端,兩個發射ULA子陣同時發射脈沖信號并同時“照亮”AUV下方的單個條帶。在接收端，利用2個發射ULA上的信號拷貝對N元接收ULA上的回波進行匹配濾波，獲得有效孔徑為原接收ULA二倍的虛擬2N元ULA上的脈沖壓縮回波。對2N個匹配濾波輸出按照2N元ULA的處理方式進行多波束形成、估計波束輸出的回波時延、將時延轉換為坐標，即可獲得測深結果。
[0026]2.通過計算機數值仿真給出了具有相同物理尺寸的MMO陣列和傳統十字陣的接收波束圖，從波束圖主瓣寬度這一角度來說明MMO陣列在接收端具有更高的方位分辨率，即更高的跨航向分辨率。
[0027]3.通過計算機數值仿真給出了使用相同尺寸、相同頻帶窄帶信號的MMO陣列和傳統十字陣的測深結果，從測深結果證明了 MMO陣列具有更高的跨航向分辨率。
[0028]本發明采用的技術方案可分為以下4個步驟:
[0029]I)設計在不增加接收陣列尺寸和不提高發射信號頻率的前提下使接收端方位分辨率倍增的多波束測深陣列。本發明使用由2個發射ULA和一個接收ULA組成的MIMO陣列進行多波束測深。發射陣分為2個子陣，且兩個子陣均為陣元間距為dt的MO元ULA。接收陣為N元ULA，陣元間距為4。兩個發射ULA相互平行并對齊，兩者之間的距離等于接收ULA的陣元個數乘以陣元間距。每個發射ULA內部的發射信號相干，兩個發射ULA之間的發射信號相互獨立。這2個發射信號的自相關函數R1U)和民(0具有相同的主瓣和低旁瓣。具體實現時，可將旁瓣峰值設為小于等于主瓣峰值的0.2倍，同時互相關函數R1;2(t)的峰值設為小于等于自相關函數R1 (t)和民(0主瓣峰值的0.2倍。
[0030]2)按照步驟I)設計測深陣列并選取合適的發射信號后，進行信號發射與回波采集。在發射端，兩個發射ULA同時發射脈沖信號并同時“照亮”AUV下方的單個條帶。除了該條帶外，其他區域處于發射波束的旁瓣內，因此接收ULA上的回波主要由被“照亮”的條帶所貢獻。由于2個發射信號互相獨立，其在傳播過程中互不干擾，每個發射陣元上的回波可以簡化為這2種發射信號經過不同時延和不同衰減之后的時域疊加的結果。
[0031]3)采集好回波后，用2個發射子陣(即2個發射ULA)上的發射信號Sl(t)和^⑴對N元接收ULA上的回波進行匹配濾波處理，可獲得2N個輸出。當陣列參數和發射信號參數滿足步驟I)的要求時，這2N個匹配濾波輸出可看作虛擬十字陣上的脈沖壓縮回波，該虛擬十字陣的發射陣為陣元間距為dt的M0元ULA，接收陣為陣元間距為dr的2N元ULA。
[0032]4)對2N個匹配濾波的輸出依照2N元ULA的處理方式進行多波束處理，形成多個接收波束腳印覆蓋測深條帶。估計波束輸出上的回波到達時延，將時延轉換為波束腳印的坐標，即可獲得該條帶的離散深度。隨著AUV等平臺往前移動，進行逐條帶處理，即可獲得一片區域的深度值。
[0033]下面對本發明的每個步驟作詳細說明:
[0034]步驟I)主要涉及MMO測深陣列的設計，其相關理論和具體內容如下:
[0035]如圖4所示，MIMO陣列的發射陣列分為2個發射子陣(在圖4中分別以Tl和T2表示)，每個子陣為陣元個數為Mtl、陣元間距為dt的ULA。兩個發射ULA相互平行且相互對齊。接收陣為陣元個數為N、陣元間距為A的ULA。兩個發射ULA均與接收ULA垂直。[0036]當使用圖4中的坐標系統時，MMO陣列沿y軸的物理尺寸Ζ^Ν.Κ)等于單個Mtl元發射ULA的尺寸，即:
[0037]
【權利要求】
1.一種使用發射子陣的MIMO陣列測深方法，其特征在于包括下述步驟: 1)采用兩個相同的均勻直線陣作為發射陣的子陣，兩個子陣相互平行并各個陣元對齊，兩個子陣之間的距離等于接收陣的陣元個數乘以陣元間距，每個子陣內部的發射信號相干，兩個子陣之間的發射信號相互獨立，且兩個子陣的發射信號的自相關函數具有相同的主瓣和低旁瓣，所述接收陣采用均勻直線陣； 2)兩個子陣同時發射脈沖信號并同時照亮單個條帶，除該條帶外，其他區域處于發射波束的芳辦內； 3)接收陣采集回波，用兩個發射子陣的發射信號對回波進行匹配濾波處理； 4)對步驟3)所述匹配濾波的輸出進行多波束處理，形成多個接收波束腳印覆蓋測深條帶；估計回波到達時延，將時延轉換為接收波束腳印的坐標，即獲得該條帶的離散深度。
2.根據權利要求1所述的使用發射子陣的MIMO陣列測深方法，其特征在于:所述兩個子陣的發射信號的旁瓣峰值小于等于主瓣峰值的0.2倍，兩個子陣的發射信號的互相關函數的峰值小于等于自相關函數主瓣峰值的0.2倍。
3.根據權利要求1所述的使用發射子陣的MIMO陣列測深方法，其特征在于:隨著發射陣和接收陣所在平臺的移動，重復步驟I)?步驟4)，進行逐條帶處理，即獲得一片區域的深度值。
【文檔編號】G01S15/02GK103926586SQ201410175249
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年4月29日 優先權日:2014年4月29日
【發明者】孫超, 劉雄厚, 卓頡 申請人:西北工業大學