1、多波束測深系統(tǒng)的 MSB-CAATI 算法性能分析黎子盛 1，李海森 1,2，周天 1，袁延藝 1(1. 哈爾濱工程大學(xué)水聲工程學(xué)院，哈爾濱 150001；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)儀器科學(xué)與技術(shù)博士后流動站，哈爾濱 150001；)摘要：多波束測深系統(tǒng)是海底地形地貌探測的重要手段。MSB-CAATI 算法是多角側(cè)掃測深聲納的 CAATI 算法擴(kuò)展到多波束系統(tǒng)的高分辨方位、幅度估計方法。本文對應(yīng)用 MSB-CAATI 算法的多波束系統(tǒng)在高分辨海底地形地貌探測中的性能進(jìn)行定量分析。仿真了一幅淺海海底地形地貌探測場景，分析了上述高分辨多波束系統(tǒng)的探測準(zhǔn)確率和覆蓋率等指標(biāo)。關(guān)鍵字：高分辨；海底地形地貌；多波

2、束；性能分析Performance Analysis of Multi-beam Bathymetry System Using MSB-CAATIAlgorithmLI Zisheng1， LI Haisen1,2 ，ZHOU Tian1， YUAN Yanyi3(1.College of Underwater Acoustic Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China; 2.Post-Doctor Workstation of Instrument Science and Technology, Har

3、bin Institute of Technology, Harbin 150001, China; 3.China Marine Development and Research Center, Beijing 100073, China)Abstract: Multi-beam bathymetry systems play an important role in seafloor mapping. MSB-CAATI algorithm is a high resolution directions and amplitudes estimation method which is e

4、xtended from CAATI algorithm in Multi-angle Swath Bathymetry Sidescan Sonar to multi-beam systems. This paper quantitatively analyzes performance of multi-beam systems using MSB-CAATI in high resolution seafloor mapping. A seafloor mapping scenario in shallow water is simulated and specifications su

5、ch as accuracy and coverage of the high resolution multi-beam system above are analyzed.Keywords: high resolution; seafloor mapping; multi-beam; performance analysis1 引言測深側(cè)掃聲納（Swath Bathymetry Sidescan Sonar，簡稱 SBSS）、多角測深側(cè)掃聲納（Multi-angle Swath Bathymetry Sidescan Sonar，簡稱 MSBSS）和多波束測深聲納（Multi-Beam B

6、athymetry Sonar，簡稱 MBBS）是當(dāng)今能夠同時測量海底地形和地貌的探測系統(tǒng)。MSBSS 由于使用了計算到達(dá)角瞬態(tài)成像技術(shù)（ComputedAngle-of-Arrival Transient Imaging，簡稱 CAATI），能夠提供高分辨海底地形地貌圖像且克服了困擾 SBSS的同時到達(dá)波的問題1,2。但是，由于其自身機(jī)制以及 CAATI 算法的局限性，MSBSS 的應(yīng)用受到了很大限制3,4。多子陣波束域 CAATI（Multiple Sub-array Beamspace CAATI，簡稱 MSB-CAATI）算法將 CAATI技術(shù)擴(kuò)展到 MBBS 中，使其兼?zhèn)淞?FT（傅

7、氏變換）和 CAATI 各自的優(yōu)點(diǎn)，能在整個條帶寬度內(nèi)同時獲得高分辨力的海底地形和地貌信息，且不易受到低信噪比和復(fù)雜地形環(huán)境的影響3。本文對應(yīng)用 MSB-CAATI 算法的多波束系統(tǒng)進(jìn)行定量的性能分析，通過仿真一幅淺海海底地形地貌的場景，得到了該多波束系統(tǒng)在高分辨探測中的準(zhǔn)確率和覆蓋率，并與常規(guī)波束形成和 CAATI 算法的性能進(jìn)行了比較，驗證了 MBBS 應(yīng)用 MSB-CAATI 算法的有效性和優(yōu)越性。2 MSB-CAATI 算法3， 為載頻的波長。首先建立離散散射體模型，設(shè)有M 個散射體目標(biāo)的回波信號由 N 個陣元的等距線陣接收，陣元間隔為 d ，回波信號是窄帶遠(yuǎn)場平面波，時間上平穩(wěn)且 N

8、 M 。設(shè)接收信號為 s ，則第n 個基元的接收信號可寫作：Msn = ame j(n1)dum(1)m=1um = k sinm其中m 和am 分別為回波的方向和幅度，k 為波數(shù)，k = 2 / MSB-CAATI 算法將 N 元線陣分成 K 個相互重疊的子陣，每個子陣是 P = N K +1 元線陣，且滿足 P K 1 ，相鄰子陣間隔 1 個基元。對每個子陣作波束形成，則在波束方向i ，( i = 1,2, , P )，第k 個子陣的輸出為：k + P1 MP My(k,i) = ame j(n1)dum e j(nk )dui = e j(k 1)dum ame j(n1)d (um u

9、i )n= k m=1n=1 m=1P其中ui 為波束方向i 所要補(bǔ)償?shù)膯挝换g隔的相位。令cm,i = am e j(n1)d (um ui ) ，代入(2)式，則有：n=1My(k,i) = cm,ie j(k 1)dumm =1將各子陣的同號波束輸出按照 Prony 原理進(jìn)行擬合，得到零束控方程5：Kwk y(k,i) = 0k =1對加權(quán)值wk 作z 變換，并將(3)代入(4)，可得：MK 1M0 = cm,i wk zk = cm,iW (z)m=1k =om=1z = e jdum只要通過(5)式求出一組權(quán)值wk ，再構(gòu)造多項式W (z) ：W (z) = zM + w z(M

10、1)+ w z(M 2)+ + w12M求出其零點(diǎn) z = e jdum ，就容易得到目標(biāo)回波的方位信息um 和幅度信息am 。(2)(3)(4)(5)(6)3 海底地形地貌探測性能分析3.1 仿真場景為了定量分析應(yīng)用 MSB-CAATI 算法的多波束系統(tǒng)的高分辨海底地形地貌探測性能，本文利用了一幅淺海海底仿真場景6，如圖 1 所示。高和寬均為 2 米的方塊以 = 24 米的間距均勻分布在平海底上，相干的反向散射體均勻分布在方塊和海底上，假設(shè)所有散射體具有相同的幅度并與接收基陣共面。每個陣元的接收信號的信噪比（SNR）按照主動聲納方程，以斜距 R 為自變量進(jìn)行變化，使得仿真條件與實際工況更加接

11、近。SNR 以 dB 為單位進(jìn)行計算6,7，變化曲線如圖 2 所示。G(R) = SL 2TL(R) + TS (R) (NL DI )(7)多波束系統(tǒng)和海底仿真的參數(shù)由表 1 給出。表 1 海底仿真場景及處理系統(tǒng)參數(shù)深度方塊間隔海底最大橫向距離基陣安裝角散射體密度載頻脈寬陣元數(shù)快拍數(shù)H = 100m= 24mXmax = 240m = 15DSD = 175/m200kHZ0.1msN = 32L = 5(t)圖 1 仿真海底地形場景60）40dB信噪比（200050100150200250橫向距離（米）圖 2 信噪比變化曲線3.2 仿真結(jié)果本文分別采用常規(guī)波束形成3，CAATI1以及 MS

12、B-CAATI 算法對海底仿真地形數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理結(jié)果如圖 3 所示，分別得到深度和橫向距離的關(guān)系圖（即海底地形地貌圖的一個切面），均以灰度圖像表示，灰度值由估計的回波幅度決定。深度（米）-80-90-100050100150200250橫向距離（米）深度（米）(a) 波束形成-80-90-100 050100150200250橫向距離（米）深度（米）(b) CAATI-80-90-100050100150200250橫向距離（米）(c) MSB-CAATI圖 3 常規(guī)波束形成，CAATI 和 MSB-CAATI 算法的處理結(jié)果對多波束系統(tǒng)高分辨探測性能的定量分析是通過正確估計的散射體個數(shù)與

13、真實散射體個數(shù)的比例來確定的6。本文設(shè)定每個散射體的估計位置的可容忍誤差為0.5 米，即以每個真實散射體為中心形成 1 平方米的網(wǎng)格，稱為真實網(wǎng)格。當(dāng)估計的散射體落在真實網(wǎng)格內(nèi)，該散射體成為正確散射體。正確散射體的個數(shù)與估計得到的散射體總數(shù)的比例，稱為準(zhǔn)確率，用來描述海底地形探測的準(zhǔn)確性。而具有正確散射體的真實網(wǎng)格與網(wǎng)格總數(shù)的比例，稱為覆蓋率，用來描述海底地形探測的覆蓋寬度。表 2 總結(jié)出以上三種方法對海底仿真地形探測的準(zhǔn)確率和覆蓋率。從圖 3 和表 2 可以看出，常規(guī)波束形成無法給出高分辨的處理結(jié)果；CAATI 算法雖然具有很高的分辨力，但由于其自身的機(jī)制在大掠射角區(qū)域無法給出準(zhǔn)確估計4,6

14、，而在小掠射角區(qū)域由于信噪比的下降而失效，因此其探測的覆蓋率偏低，并不能實際地應(yīng)用于多波束系統(tǒng)；MSB-CAATI 算法的準(zhǔn)確率比 CAATI還高，而且覆蓋率遠(yuǎn)高于 CAATI 和常規(guī)波束形成，可以實現(xiàn)超過 4 倍覆蓋的高分辨探測，可見其結(jié)合了 FT 和 CAATI 各自的優(yōu)勢，在整個條帶寬度都能給出高分辨的海底地形地貌信息，能夠很好地應(yīng)用于多波束測深系統(tǒng)。表 2 應(yīng)用常規(guī)波束形成，CAATI 和 MAB-CAATI 算法的多波束系統(tǒng)對仿真地形探測的準(zhǔn)確率和覆蓋率處理方法圖號覆蓋率 (%)準(zhǔn)確率 (%)常規(guī)波束形成圖 3 (a)10.714.9CAATI圖 3 (b)56.997.1MSB-C

15、AATI圖 3 (c)82.897.64 總結(jié)本文對應(yīng)用 MSB-CAATI 算法的多波束測深系統(tǒng)進(jìn)行了定量的性能分析，并與常規(guī)波束形成器和 CAATI 算法的性能進(jìn)行了比較。通過一幅仿真的淺海海底地形場景，得到了多波束系統(tǒng)進(jìn)行高分辨海底地形地貌探測的處理結(jié)果，并通過正確估計的散射體個數(shù)與真實散射體個數(shù)的比例，計算出應(yīng)用 MSB-CAATI 算法的多波束系統(tǒng)探測仿真場景的準(zhǔn)確率和覆蓋率，證明了該多波束系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn) 4 倍覆蓋的海底地形地貌高分辨探測。通過與常規(guī)波束形成和 CAATI 算法的處理結(jié)果的比較，進(jìn)一步驗證了 MSB-CAATI 算法的有效性、優(yōu)越性以及應(yīng)用于多波束系統(tǒng)的可行性。參考文

16、獻(xiàn)：1 Kraeutner P. H, Small Aperture Acoustic Imaging Using Model Based Array Signal Processing. D Ph.D. thesis, Canada, Simon Fraser University, Burnaby, B.C., 1998.2 Denbigh P. N, Swath bathymetry: Principles of operation and an analysis of errors, J IEEE J. Ocean. Eng., 1989, vol. 14, pp. :289-298.3 李海森、黎子盛、周天等，MSB-CAATI 算法在多波束測深系統(tǒng)中的應(yīng)用，J，聲學(xué)技術(shù)，已錄用4 ZHOU Tian, LI Hai-sen, LI Zisheng, et al. Multi-beam Bathymetry System Using MSB-MUSIC Algorithm. J WESPAC IX 2006, Seoul, Korea, 2006.5 Ouibrahim H. Prony, Pisarenko, and the Matrix Pencil: A Unified Presentation. J IE