（通信與信息系統(tǒng)專業(yè)論文）多波束海底測深隧道效應及其自適應消除方法研究.pdf

l + f c l a s s i f i e di n d e x ： 葉 u d c ： l 忡 ad is s e r t a ti o nf o rt h ed e g r e eo f m e n g s t u d y o nt u n n e le f f e c ti nm u l t i b e a m se a f l o o rb a t h y m e t r ya n d i t sa d a p t i v e e l i m i n a t i n gm e t h o d s c a n d i d a t e ：w e n gn i n g n i n g s u p e r v is o r ：p r o f e s s o rl ih a is e n a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l i t y ：c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m d a t eo fs u b m i s s i o n ：f e b r u a r y ，2 0 0 9 d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ：m a r c h ，2 0 0 9 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y j j 哈爾濱工程大學 學位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：本論文的所有工作，是在導師的指導下，由 作者本人獨立完成的。有關(guān)觀點、方法、數(shù)據(jù)和文獻的引用已在 文中指出，并與參考文獻相對應。除文中已注明引用的內(nèi)容外， 本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)公開發(fā)表的作品成果。對 本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式 標明。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔。 作者( 簽字) ：翁乎學 日期：切o 年月p 日 哈爾濱工程大學 學位論文授權(quán)使用聲明 本人完全了解學校保護知識產(chǎn)權(quán)的有關(guān)規(guī)定，即研究生在校 攻讀學位期間論文工作的知識產(chǎn)權(quán)屬于哈爾濱工程大學。哈爾濱 工程大學有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復印件。 本人允許哈爾濱工程大學將論文的部分或全部內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù) 庫進行檢索，可采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本 學位論文，可以公布論文的全部內(nèi)容。同時本人保證畢業(yè)后結(jié)合 學位論文研究課題再撰寫的論文一律注明作者第一署名單位為哈 爾濱工程大學。涉密學位論文待解密后適用本聲明。 本論文( 口在授予學位后即可囪在授予學位1 2 個月后口 解密后) 由哈爾濱工程大學送交有關(guān)部門進行保存、匯編等。 作者( 簽字) ：翁吾香 日期：岬年；月p 日 導師( 簽字) 押哆年3 月 ，d - 哈爾濱工程大學碩十學位論文 掂面 于葡要 多波束測深儀是廣泛應用于船舶上的高精度測深設備，以其出色的工作 效率和測深精度在海底地形的研究工作中發(fā)揮了巨大的作用，然而人們發(fā)現(xiàn) 系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)中的一些測深假象，這些假象影響測深精度，隧道效應就是其 中一種典型的測深假象。如果對這些假象不加以處理，多波束測深系統(tǒng)將對 海底地形給出錯誤的解釋，例如隧道效應的出現(xiàn)，會使系統(tǒng)將相對平坦的海 底繪成兩端上翹凹面向上的水平半圓柱面海底地形。 本文是針對隧道效應的消除工作而開展的研究，文中指出隧道效應的產(chǎn) 生機理及影響。隧道效應通常發(fā)生在平坦海底地形下，起源于旁瓣干擾由強 鏡向回波的能量被其余波束的旁瓣接收而引起。對此，本文首先仿真幾種用 于消除隧道效應的自適應算法性能，給出基本參數(shù)對算法收斂性能的影響， 然后根據(jù)自適應干擾抵消原理，利用多種自適應算法對國產(chǎn)首臺便攜式多波 束測深儀湖試實驗數(shù)據(jù)中的隧道效應進行消除處理。研究結(jié)果表明，誤差反 饋格型算法和后驗g i v e n s 格型梯型算法能夠有效消除邊緣波束中的干擾， 并且可以快速跟蹤真實的海底回波信號；對于兩種算法存在的削弱中央波束 信號能量的問題，文中進一步提出采用誤差反饋r l s l a g u e r r e 格型算法進行 處理，通過對l a g u e r r e 極點位置的選取，該算法不僅能夠有效消除邊緣波束 中的干擾，而且可以有效保留中央波束信號的能量，湖試數(shù)據(jù)處理結(jié)果證明 該方法的有效性和實用性，從而提高了多波束測深設備的測深精度。 關(guān)鍵詞：多波束測深儀；隧道效應；旁瓣干擾抵消；誤差反饋；r l s l a g u e r r e 格型算法 哈爾濱工程大學碩+ 學位論文 a b s t r a c t m u l t i - b e a me c h os o u n d e ri sah i g hp r e c i s i o nb a t h y m e t r i ce q u i p m e n tw h i c h i sw i d e l yu s e di nt h es h i pa n di th a sp l a y e dag r e a tr o l ei nt h et o p o g r a p h yr e s e a r c h w o r k 、i mh i g he f f i c i e n c ya n dp r e c i s i o nb a t h y m e t r y , h o w e v e r , t h ea r t i f a c t sh a s b e e nf o u n di nt h eo u t p u td a t aa n ds o m eo ft h ea r t i f a c t sa f f e c tt h eb a t h y m e t r i c a c c u r a c ya n dt h et u n n e le f f e c ti so n eo ft h et y p i c a la r t i f a c t t h eb a t h y m e t r i c s y s t e mw i l lg i v et h ew r o n ge x p l a n a t i o no ns e a f l o o rt e r r a i ni fy o ud on o td e a lw i t h t h eb a t h y m e t r i ca r t i f a c t s ，a n dt h es y s t e mw i l lm i s t a k er e l a t i v e l yf l a ts e a f l o o rf o r c o n c a v e - u ph o r i z o n t a lh a l fc y l i n d e rt e r r a i nb e c a u s eo f t u n n e le f f e c t t h ea i mo ft h i sa r t i c l ei st oe l i m i n a t et h et u n n e le f f e c t ，t h ea r t i c l ep o i n t so u t t h eg e n e r a t i o nm e c h a n i s ma n di n f l u e n c e t h et t m n e le f f e c tu s u a l l yo c c u r si naf l a t s e a f l o o rt e r r a i na n dr e s u l t sf r o ms i d el o b ei n t e r f e r e n c e ，b e c a u s et h es t r o n g s p e c u l a rb e a me n t e r i n gt h em a i nl o b eo fa n yo n eb e a ml e a k st h r o u g ht h es i d e l o b e so fa l lo t h e rb e a m s i nt h i sr e g a r d ，t h i sp a p e rf i r s ts i m u l a t e st h ep e r f o r m a n c e o fs e v e r a la d a p t i v ea l g o r i t h m sw h i c hu s et oe l i m i n a t et h et u n n e le f f e c t , g i v e st h e b a s i cp a r a m e t e r so nt h ec o n v e r g e n c ep e r f o r m a n c e t h e nt h el a k ee x p e r i m e n t a l d a t a 、析t ht u n n e le f f e c ti nt h ef i r s td o m e s t i cp o r t a b l em u l t i b e a me c h os o u n d e ri s c a r r i e do u tt oe l i m i n a t et h ei n t e r f e r e n c eu s i n gav a r i e t yo fa d a p t i v ea l g o r i t h m ，i n a c c o r d a n c e 、而t l lt h ep r i n c i p l eo fa d a p t i v ei n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n t h er e s u l t s s h o wt h a tt h ee r r o rf e e d b a c kl a t t i c ea l g o r i t h ma n dap o s t e r i o r ig i v e n s l a t t i c e - l a d d e ra l g o r i t h mc a l le f f e c t i v e l ye l i m i n a t et h e i n t e r f e r e n c e i nt h ee d g e b e a m ，a n dc a nf a s tt r a c kt h er e a ls e a f l o o re c h os i g n a l f o rt h ei s s u e st h a tt h et w o a l g o r i t h m sw e a k e n i n gs i g n a le n e r g yo ft h ec e n t r a lb e a m ，t h ea r t i c l ef u r t h e rb r i n g f o r w a r dt h ee r r o rf e e d b a c kr l s l a g u e r r el a t t i c ea l g o r i t h m t h ea l g o r i t h mc a nn o t o n l ye f f e c t i v e l ye l i m i n a t et h ei n t e r f e r e n c ei nt h ee d g eb e a m ，b u ta l s ob ea b l et o r e t a i nt h es i g n a le n e r g yi nt h ec e n t r a lb e a m 、析t l ls e l e c t i n gl a g u e r r ep o l e t h e p r o c e s s i n gr e s u l t so fl a k ee x p e r i m e n t a ld a t ap r o v et h ev a l i d i t ya n dp r a c t i c a b i l i t y o ft h i sm e t h o dw h i c hc a l le n h a n c et h eb a t h y m e t r i cp r e c i s i o no fm u l t i - b e a m 哈爾濱丁程大學碩士學位論文 b a t h y m e t r ye q m p m e m k e yw o r d s ：m u l t i b e a me c h os o u n d e r ；t u n n e le f f e c t ；s i d el o b ei n t e r f e r e n c e e l i m i n a t i n g ；e r r o rf e e d b a c k ；r l s l a g u e r r el a t t i c ea l g o r i t h m 哈爾濱丁程大學碩十學1 = 7 ：論文 目錄 第1 章緒論1 1 1 課題背景1 1 2 國內(nèi)外研究進展與現(xiàn)狀2 1 2 1 多波束測深系統(tǒng)及測深假象綜述”2 1 2 2 相關(guān)的自適應算法概述”4 1 3 論文主要研究內(nèi)容6 第2 章多波束測深聲吶探測中的隧道效應”8 2 1 多波束測深聲吶的測深原理8 2 2 隧道效應的特性1 1 2 2 1 鏡面區(qū)域與非鏡面區(qū)域的回波特點1 l 2 2 2 隧道效應產(chǎn)生的原因1 2 2 2 3 旁瓣干擾的影響”13 2 3 隧道效應的消除方法15 2 3 1 設置海底跟蹤門1 5 2 3 2 設置動態(tài)門限1 6 2 3 3 采用自適應干擾抵消方法1 7 2 4 本章小結(jié)2 0 第3 章用于消除隧道效應的自適應算法2 1 3 1 自適應濾波器原理2 l 3 2 最小均方算法2 4 3 2 1l m s 算法的導出2 4 3 2 2 自適應均衡實驗2 7 3 2 3 步長對l m s 算法的影響2 9 3 2 4 條件數(shù)對l m s 算法的影響3 0 3 3 遞歸最小二乘算法3 0 3 3 1r l s 算法的導出3 1 3 3 2 遺忘因子的影響3 5 哈爾濱丁程大學碩士學位論文 3 3 3 初始值的影響3 6 3 3 4 加窗法的影響3 7 3 3 5 條件數(shù)的影響3 8 3 3 6 兩種算法性能的比較3 9 3 4 誤差反饋格型遞歸最小二乘算法4 0 3 5 后驗形式無平方根g i v e n sl s 格型梯型算法4 3 3 5 1 后驗g i v e n sl s 格型梯型算法的推導4 4 3 5 2 系統(tǒng)辨識模型4 9 3 5 3 后驗g i v e n s 格型算法的性能分析5 0 3 6 本章小結(jié)5 3 第4 章隧道效應的消除處理5 4 4 1 便攜式多波束測深儀湖試實驗情況說明5 4 4 2 采用e f l r l s 算法進行湖試數(shù)據(jù)處理5 5 4 2 1 單級處理5 6 4 2 2 級聯(lián)處理6 1 4 3 采用后驗形式無平方根g i v e n sl s 格型梯型算法處理6 2 4 3 1 后驗g i v e n s 格型算法的處理結(jié)果6 2 4 3 2 后驗g i v e n s 格型算法的s y s t o l i c 實現(xiàn)6 7 4 4 誤差反饋r l s l a g u e r r e 格型算法6 9 4 4 1l a g u e r r e 格型濾波器6 9 4 4 2 誤差反饋r l s - l a g u e r r e 格型算法的性能分析7 2 4 4 3 對隧道效應的處理7 3 4 5 本章小結(jié)7 9 結(jié) 侖8 0 參考文獻8 1 攻讀碩士學位期間發(fā)表的論文和取得的科研成果8 9 致j 射9 0 0 l _ 哈爾濱工程大學碩十學位論文 第1 章緒論 1 1 課題背景 多波束測深聲吶作為當前最重要的海底探測設備以其出色的工作效率和 測深精度已經(jīng)逐漸成為現(xiàn)代海洋監(jiān)測與海底資源調(diào)查的最重要科學工具之 一。然而，人們在解釋多波束測深聲吶實際測量結(jié)果時，通過對大批試驗數(shù) 據(jù)的反復觀察，特別是利用海底等深線圖對海底地形進行分析時，經(jīng)常會發(fā) 現(xiàn)系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)中存在一些測深假象1 ( b a t h y m e t r i ca r t i f a c t s ) ，這些測深假 象會對海底地形給出錯誤的解釋，并導致海底假地形的產(chǎn)生。如果不能及時 發(fā)現(xiàn)和識別這些測深假象或是對其處理不當將導致整個探測數(shù)據(jù)失效，其不 利影響主要包括：( 1 ) 混淆真實海底地形情況；影響對海底地形的觀察與利 用，甚至導致對海底資源的勘探與開發(fā)失?。? 2 ) 海上測量成本十分昂貴， 失效測量必將導致巨大的人力、物力和資金的浪費，而重新測量又將導致測 繪成本進一步增加；( 3 ) 影響對多波束測深聲吶設備性能的客觀評價，不解 決這個問題勢必影響多波束測深設備的推廣與應用。 在復雜海底情況下，這些測深假象已通過比較交叉測深條帶和分析數(shù)字 化原始聲學數(shù)據(jù)得到了證實。在國內(nèi)外多波束測深聲吶研制過程中都發(fā)現(xiàn)了 這個客觀現(xiàn)象的存在，這些測深假象與通常所說的由于設備的意外或偶然因 素造成的個別或少量測量異常值是不同的。例如最典型的“隧道效應”( t u n n e l e f f e c t ) 和“q 效應 ( o m e g ae f f e c t ) 就屬于測深假象范疇。由于海底地形的 復雜性和不可見性，在沒有事先確切獲知海底地形信息的情況下，分析和發(fā) 現(xiàn)這些測深假象的產(chǎn)生原因并最終將這些假象消除并不容易，這是因為產(chǎn)生 這些假象的起因通常并不是由單一因素造成的。根據(jù)經(jīng)驗，這種錯誤的起因 主要不是因為使用的等深線算法存在錯誤，而是和海底回波的檢測和信號處 理方法有關(guān)，如和旁瓣干擾和數(shù)據(jù)中斷等內(nèi)因有關(guān)，也和多種外因密切相關(guān)， 例如和海底地形特征的復雜程度( 如地質(zhì)或斜坡的突然變化等) 有很大關(guān)系， 或是來自于其它聲源的干擾( 比如地震源、艦船噪聲干擾、電干擾和海洋內(nèi) 部的各種干擾等) 。由于這些因素互相聯(lián)系，且可能存在于多波束測深聲吶對 哈爾濱工程大學碩士學位論文 海底探測的多個環(huán)節(jié)，因此一直是困擾從事多波束測深設備以及類似聲吶設 備理論研究與工程實踐者的難點問題。 經(jīng)過分析，引起測深假象的原因主要有內(nèi)因和外因兩個方面。其中內(nèi)因 主要包括對海底信號檢測或海底地形跟蹤方法不當、幅度檢測法和相位檢測 法隨海底地形變化的調(diào)整準則不當、后期成圖時對野值和數(shù)據(jù)中斷的處理不 當?shù)龋煌庖蛑饕曀偬荻瓤? 影響、海底地形的復雜性對信號處理方法的 影響以及外部干擾源等因素。對待多波束測深聲吶中存在的這些問題，必須 加以認真分析和處理，才能實現(xiàn)有效的寬覆蓋探測。由于測深假象的產(chǎn)生機 理，同樣可能存在于類似的其它海底聲學探測設備上，研究這些測深假象的 識別與消除方法也可以方便的移植到其它測量設備上，或者被其他海底探測 設備設計者所借鑒，從而提高探測設備的質(zhì)量，增強測量結(jié)果的可信度，因 此具有重要的理論和實際意義。 本文基于課題組正在承擔的國家自然科學基金項目“超寬覆蓋多波束測 深假象產(chǎn)生機理與消除方法研究 ，針對該自然科學基金中提出的三種測深假 象“隧道效應”、“q 效應”和“判據(jù)模糊效應”之一隧道效應進行深入 研究，對隧道效應的產(chǎn)生機理進行理論分析，并提出采用自適應抵消算法來 消除這種隧道效應，仿真和實際湖試數(shù)據(jù)處理證明了方法的有效性，對今后 課題組研制多波束測深儀具有重要的理論指導和實際工程意義。 1 2 國內(nèi)外研究進展與現(xiàn)狀 多波束測深系統(tǒng)是計算機技術(shù)、導航定位技術(shù)、傳感器技術(shù)及信號處理 技術(shù)等多種技術(shù)的高度組合。根據(jù)多波束測深系統(tǒng)中測深假象產(chǎn)生原因和特 點以及自適應抵消算法的性能，采用自適應抵消算法來消除隧道效應具有一 定的可行性。下面就對多波束測深系統(tǒng)中的測深假象及自適應算法的研究現(xiàn) 狀進行簡要的論述。 1 2 1 多波束測深系統(tǒng)及測深假象綜述 在國外隨著多波束測深設備和技術(shù)的發(fā)展，關(guān)于測量質(zhì)量的問題逐漸被 提出來，并引起從事多波束測深儀探測理論和設備研制人員以及廣大用戶的 關(guān)注。到上世紀8 0 年代中期，c h r i s t i a n d e m o u s t i e r 對s e ab e a m 多波束測深 2 哈爾濱丁程大學碩十學位論文 聲吶測量數(shù)據(jù)進行分析，提出多波束測深系統(tǒng)中的測深假象，指出如何識別 諸如隧道效應、q 效應、外部聲源干擾及數(shù)據(jù)中斷等引起的測深假象，并探 討了可能的解決方案。上世紀8 0 年代末9 0 年代初，d i m i t r ia l e x a n d r o u 針 對測深中的隧道效應提出初步的解決方案，利用自適應噪聲抵消( a d a p t i v e n o i s ec a n c e l i n g ) 原理消除海底散射回波中的旁瓣干擾，采用最小二乘格型 濾波器實現(xiàn)自適應噪聲抵消器。在隨后的工作中進一步對復數(shù)值水聲數(shù)據(jù)采 集系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進行了干擾抵消處理，引入相似比參數(shù)來觀察旁瓣干擾的 消除情況，指出濾波器處理性能的好壞與自適應算法的初始狀態(tài)和參數(shù)選取 有一定關(guān)系h 1 。但由于旁瓣干擾的多種情況導致要根據(jù)不同情況選擇不同的 參考波束，自適應噪聲抵消器對中央波束信號的影響，這些問題并沒有得到 解決，使其難以應用于多波束測深聲吶的實時實現(xiàn)中。9 0 年代初，j a m e s a r n o l d 提出采用海底二維空間統(tǒng)計模型的海底表面編織法，在每一時刻對每 個波束根據(jù)多門限給出可能的侯選深度值，由信號、噪聲以及海底表面的統(tǒng) 計模型組成海底評價函數(shù)，根據(jù)一定的準則搜索函數(shù)的最優(yōu)值，依此作為海 底深度的真實值閣。這種基于海底表面重建的方法能在一定程度上解決探測 中的測深假象，但是由于要建立信號、噪聲以及海底表面的先驗統(tǒng)計模型， 其使用受到一定的限制。 2 0 0 0 年以后，國際上多波束測深設備開始進入超寬覆蓋探測階段，國外 典型產(chǎn)品的覆蓋寬度一般達到6 8 倍甚至超過1 0 倍。為了最大限度的增大覆 蓋寬度，并保證中央波束與邊緣波束測量結(jié)果的一致性，目前普遍將幅度檢 測法與相位檢測法相結(jié)合。一般在海底鏡面區(qū)域，由于聲波接近垂直入射海 底，回波信號很強且集中在波束主軸上，每個波束內(nèi)的回波到達時間根據(jù)信 號波束形成崢1 后的幅度進行檢測，也就是常說的幅度檢測法1 ，如能量中心法、 w m t ( w e i g h t e dm e a nt i m e ) 等；而在非鏡面區(qū)域，由于聲波傾斜入射、接 收陣的有效尺寸減小且由于傾斜海底返回來的是散射信號，海底接收信號的 幅度平坦且持續(xù)時間長，基于幅度的檢測方法不能給出高精度的到達時間 ( t o a ，t i m eo f a r r i v a l ) 估計，因此現(xiàn)代多波束測深系統(tǒng)為了實現(xiàn)寬覆蓋探 測必須使用相位檢測法隅1 ，如分裂子陣相關(guān)器、b d i ( b e a r i n gd i r e c t i o n i n d i c a t o r ) 等。由于事先并不知道海底地形的實際情況，在兩種算法的使用 哈爾濱t 程大學碩十學位論文 中往往需要人為設置某些準則或者判據(jù)，以便恰當?shù)慕缍▋烧叩挠行^(qū)間， 或者在事后處理時再按照某種判決準則人工選擇其中最佳的。但是這些判據(jù) 設置對海底地形有依賴性，而被測地形又是無法事先獲知的，由此導致海底 檢測方法選擇不當產(chǎn)生的測深假象被稱為“判據(jù)模糊效應”，它是近年來實現(xiàn) 超寬覆蓋海底探測必須解決的熱點問題之一。 國內(nèi)從上世紀8 0 年代中期開始獨立自主研制多波束測深儀唧，到1 9 9 9 年研制成功國內(nèi)首臺裝船多波束條帶測深儀。在對多波束測深設備的研究中， 對測深效果的影響因素的研究構(gòu)成了重要的一部分，測深過程中的影響因素 及其對測深的作用效果，是高精度海洋測深必須研究的關(guān)鍵問題。目前對多 波束測深技術(shù)測量效果的研究主要包括以下幾個方面： ( 1 ) 測深效果影響因素的研究。近年來這方面的研究有波束角效應的影 響【1 0 1 、波束角效應和波浪效應的耦合機制及其改正、邊緣波束誤差的綜合 校正m 1 、換能器艏線偏移的校正、系統(tǒng)延時效劇1 4 1 、深水淺報效應1 、船姿 效應6 。，隧道效應u 刀等，為高精度水深測量提供了改正模型和改正方法。 ( 2 ) 異常測深數(shù)據(jù)的探測研究。海洋動態(tài)環(huán)境易導致異常水深數(shù)據(jù)，探 測并消除異常數(shù)據(jù)是保證海洋測深數(shù)據(jù)質(zhì)量的基礎工作。這方面的研究有抗 差回歸分析法來抵制測深粗差的污梨塒、抗差k a l m a n 濾波9 1 、序統(tǒng)計濾波， 自適應濾波瞄u 等，這些方法對提高測深數(shù)據(jù)質(zhì)量有一定的效果和適應性。 ( 3 ) 多波束測深系統(tǒng)的研究。多波束測深系統(tǒng)效率高的優(yōu)越性使其成為 海洋測深的主要技術(shù)，這方面的研究主要包括多波束測深系統(tǒng)中的安裝校準 誤差影響規(guī)律研究田1 、多波束相位差序列模型的建立口3 1 、瞬間到達角和旅行 時的精確確定1 、多波束測深的聲速改正口5 嘲、多波束信號的多子陣幅度相位 聯(lián)合檢測口等。 1 2 2 相關(guān)的自適應算法概述 自適應信號處理由優(yōu)化理論發(fā)展而來，由于具有更強的適應性和更優(yōu)的 濾波性能，從而廣泛應用于通信、系統(tǒng)辨識、回波消除、自適應譜線增強、 自適應信道均衡、語音線性預測和自適應陣列等諸多領(lǐng)域。自適應濾波算法 的研究是自適應信號處理中最為活躍的研究課題之一，包括線性自適應算法 和非線性自適應算法。非線性自適應算法包括v o l t e r r a 算法和基于神經(jīng)網(wǎng)絡 4 平方和達到最小，與l m s 算法相比具有快速的跟蹤能力，即使是在輸入信號 相關(guān)矩陣特征值擴展比較大的情況下，但是r l s 算法的計算復雜度高，所需 的存儲量很大，不利于實時實現(xiàn)；如果被估計的自相關(guān)矩陣的逆矩陣失去正 定性，還將引起算法的發(fā)散。許多文獻提出改進的r l s 算法，例如：格型遞 歸最小二乘( l r l s ) 算法p 9 1 、快速跟蹤抗噪聲r l s 算法嗍、快速橫向濾波器 ( f t f ) 算法一u 等，這些算法具有很低的復雜度，但遺憾的是，這些算法對于 量化效應非常敏感，如果不采取措施，算法就會不穩(wěn)定心1 。l r l s 算法就是將 最小二乘準則用于求解最佳前向、后向預測器系數(shù)，進行時間和階數(shù)更新以 及聯(lián)合過程估計。l r l s 算法的算術(shù)運算量很低，是r l s 問題的快速實現(xiàn)算 法，其數(shù)字精度比常規(guī)i l l s 算法的精度高，對舍入誤差的不敏感性甚至優(yōu)于 l m s 算法。 基于q r 分解及逆q r 分解的r l s 算法，進一步提高了r l s 算法的穩(wěn)健 性和跟蹤能力。矩陣的q r 分解是信號處理中常用的一種矩陣分解，q r 分解 的q 表示一個酉矩陣，r 表示一個上三角矩陣。基于q r 分解的r l s ( q r r l s ) 算法對輸入信號矩陣直接進行更新，因此在有限精度運算條件下，具有良好 哈爾濱丁程大學碩+ 學位論文 的數(shù)值穩(wěn)定性，而且可以采用s y s t o l i c 處理結(jié)構(gòu)高效實現(xiàn)一“，因而在空域信號 處理中獲得廣泛應用?；趒 r 分解的格型r l s 算法可以利用多種方法，如 采用格型方式產(chǎn)生快速q r r l s 算法1 ，基于q r 分解避免利用l r l s 算法 的多信道問題中存在的協(xié)方差矩陣求逆問題h ”，基于q r 分解的自適應 k a l m a n 濾波算法1 等。各種q r 分解的快速自適應濾波算法直接計算估計誤 差，并不需要更新權(quán)系數(shù)向量，而基于逆q r 分解的r l s 算法可以直接更新 權(quán)系數(shù)h 4 引，并且避免復雜的后向代入運算。多篇文獻討論了q r r l s 算法 的實現(xiàn)問題，文獻 4 9 確定了g i v e n s 旋轉(zhuǎn)的余弦和正弦穩(wěn)態(tài)值的表達式，以 及存儲于處理單元的信息的動態(tài)范圍的界，文獻 5 0 l 針對q r r l s 算法的傳 統(tǒng)形式和脈動陣實現(xiàn)，給出所有內(nèi)部變量動態(tài)范圍的完全定量分析。 總之算法的應用是推動自適應算法研究的動力，未來尋求收斂速度快， 算法復雜度低，數(shù)值穩(wěn)定性好和易于實現(xiàn)的自適應濾波算法是研究人員不斷 努力追求的目標。 綜上所述，從國內(nèi)外論文的研究方向看，多數(shù)論文側(cè)重于解決海洋生產(chǎn) 實踐的具體需要，而對問題本質(zhì)的理論研究偏少。盡管如此，國內(nèi)的研究進 展也是十分明顯的，其發(fā)展趨勢是圍繞測深精度、異常水深數(shù)據(jù)處理、干擾 消除應用的算法研究和超寬覆蓋寬度指標保障等前沿性研究工作：但是，對 多波束測深的信號可靠性檢測、各種因素對測深假象的影響機制及測深假象 的消除方法等理論問題研究相對較少。尚未有系統(tǒng)地、全面地研究多波束探 測系統(tǒng)中測深假象的機理分析和消除方法，這也是制約國產(chǎn)多波束測深設備 技術(shù)指標提高和推廣應用的因素之一。 1 3 論文主要研究內(nèi)容 本論文主要研究多波束測深聲吶中的一種測深假象隧道效應，從理 論上分析隧道效應的產(chǎn)生機理，利用自適應算法對引起隧道效應的旁瓣干擾 進行消除處理，數(shù)據(jù)來自課題組獨立研制出的國內(nèi)首臺便攜式多波束測深儀 的松花湖湖試實驗，并研究幾種用于消除隧道效應的自適應算法的消除性能 及效果。 論文主要研究內(nèi)容如下： 第一章主要介紹本文研究的課題背景及國內(nèi)外研究進展與現(xiàn)狀，指出研 6 中央波束的信號能量，具有更理想的性能。 論文最后對研究的內(nèi)容進行了總結(jié)。 7 備，它極大地改 的實驗數(shù)據(jù)，人 出錯誤的解釋， 要的影響。 、測繪速度以及 束到海底的斜距 ( 2 1 ) ，邊緣波束的聲 線到海底的掠射角越小，海底散射強度越小，所能達到的斜距將越小。多波 束測深聲吶的分辨力指的是兩個相鄰深度數(shù)據(jù)點的最小水平距離間隔，它決 定了對波束的間隔和波束寬度的要求。測繪速度的定量描述是單位時間內(nèi)的 測繪面積，顯然測繪速度取決于條帶寬度和最大允許航測速度兩者。最小和 最大工作深度是指可以進行深度測量的換能器下方海底的深度范圍，若最大 工作深度很大，則決定系統(tǒng)設計時須采用較低的頻率、較大的基陣尺寸；若 要求最小工作深度值很小，則意味著聲吶的盲區(qū)很小，從而必須在淺水時采 用極短的發(fā)射脈沖p n 。 多波束測深聲吶的測深原理是利用對每個交叉波束內(nèi)的反向散射回波信 號進行t o a 和到達角度( d o a ，d i r e c t i o no f a r r i v a l ) 的估計，如圖2 1 所示 的是多波束測深聲吶發(fā)射的一個傾斜向下的波束，圖中秒為波束入射角，口為 掠射角， 為3 d b 波束寬度，日為海底深度。若測得信號從換能器發(fā)射到海 底回波返回換能器的往返時間t ，在已知波束入射角0 和水中聲速c 的情況 下，即可由下式算出被照射海底區(qū)域( 稱為足跡或腳印) 對應的深度： 日= j 1c f c 。s ( 口) ( 2 - 2 ) 8 哈爾濱下程大學碩士學位論文 海面 海底 h 波束指向 。 圖2 1 傾斜波束入射海底 多波束測深聲吶在一次信號發(fā)射中測繪一個連續(xù)或間隔很小的海底區(qū) 通常是橫向的一些點條，該區(qū)域稱為條帶( s w a t h ) ，橫向的寬度稱為條 劇5 2 1 。若在船前進方向( 與船龍骨平行) 上布設一直線陣用于發(fā)射信號， 下方將形成一個窄波束( 見圖2 2 ) ，照射一個橫向的窄條帶。如仍用這 陣接收，接收的也是這個條帶的海底回波。此時無法確定回波發(fā)生在該 刖 圖2 2 發(fā)射線陣激勵海底的情況 條帶的什么位置，因此也無法測出具體海底點的深度。如果利用一個與發(fā)射 陣垂直布設的接收陣接收回波，則被發(fā)射陣照射的海底條帶將被接收陣觀察 的條帶截取( 見圖2 3 ) 。截取的小面積對應于發(fā)射束寬和接收束寬，此時盡 管整個被照射區(qū)均產(chǎn)生回波，但只有發(fā)射陣照射和接收陣觀察到的一小部分 海底的回波可以被接收到，從而可測出這一交叉覆蓋面積的深度，這種收發(fā) 9 哈爾濱工程大學碩十學位論文 的交叉安排稱為m i l l s 交叉1 。 接收 被激勵的海底條帶收發(fā)波束交叉部分 圖2 3 發(fā)射接收線陣交叉的情況 若接收波束被控制到其它方向，則可觀察多個角度的回波。換言之，即 多個被控的接收波束觀察被照射區(qū)域離散位置的回波，從而測出各個小 的回波到達時間，進而得到各點的深度和對應的水平位置。構(gòu)成多波束 接收的情況如圖2 4 所示，簡言之，利用m i l l s 交叉技術(shù)的多波束測深儀，它 的兩個基陣成垂直放置，使用一個寬發(fā)射波束，而使用多個窄接收波束。為 了提高測繪速度，也可以采用相控發(fā)射技術(shù)，沿船前進方向形成多個發(fā)射波 束。實際使用時，使用兩個獨立的接收基陣分別安裝在船的左、右兩側(cè)，各 自覆蓋左、右兩側(cè)海底的探測，而發(fā)射陣使用一個，沿龍骨安裝。 接收波 發(fā)射波束 圖2 4 多波束測深儀原理示意圖 1 0 的條帶 哈爾濱t 程大學碩士學位論文 2 2 隧道效應的特性 多波束測深聲吶中的隧道效應來源于旁瓣干擾，接收的鏡面區(qū)域波束波 形尖銳幅度很強，其能量被其余波束的旁瓣所接收，當被測量的海底相對平 坦且具有很強反射性時，旁瓣干擾現(xiàn)象更加明顯，這種同時加在其余波束上 的旁瓣干擾，使系統(tǒng)繪出兩邊上翹凹面向上的水平半圓柱面海底地形，出現(xiàn) 所謂的“隧道效應 。隧道效應起源于旁瓣干擾，而旁瓣干擾的出現(xiàn)與鏡面區(qū) 域和非鏡面區(qū)域的回波特點有著密切的關(guān)系。 2 2 1 鏡面區(qū)域與非鏡面區(qū)域的回波特點 在鏡面反射區(qū)域和非鏡面反射區(qū)域，接收波束內(nèi)的回波特點有所不同。 在鏡面反射區(qū)域，波束指向近似與海底垂直，聲波近似垂直照射正下方的海 底區(qū)域，接收波束在海底的腳印很小，在波束范圍內(nèi)照射聲波幾乎同時到達 海底，因此產(chǎn)生了波形尖銳、持續(xù)時間十分短暫的回波信號，并且因為鏡面 區(qū)域的聲波走過最短的聲程，傳播損失最小它的幅度也最強酬。而非鏡面區(qū) 域指的是聲波以小掠射角照射的海底區(qū)域，海底散射強度較小，接收基陣在 傾斜方位的有效孔徑減小，導致了接收波束腳印增大( 見圖2 5 ) ，接收到的 回波信號會有較長的持續(xù)時間。因為非鏡面區(qū)域的回波傳播聲程較長，傳播 損失大，在一個波束內(nèi)來自不同角度的回波在時間上是擴散的，導致回波信 號的幅度較小且有較大的展寬，如圖2 6 所示。 鏡面區(qū)域接收波束腳印非鏡面區(qū)域接收波束腳印 圖2 5 鏡面區(qū)域與非鏡面區(qū)域的腳印 哈爾濱工程大學碩+ 學位論文 幅度 圖2 6 鏡面區(qū)域與非鏡面區(qū)域的回波特點 2 2 2 隧道效應產(chǎn)生的原因 時間 通常一個海底回波信號會出現(xiàn)在兩個波束之間。這個回波將使周圍的若 干個波束產(chǎn)生較高的幅值，越是接近的波束就得到越強的幅值，同時在其它 方向的波束也有一定的響應。這是因為各個波束的主瓣均有一定的寬度，而 且有旁瓣存在。在每個時間片所有波束的輸出數(shù)據(jù)( 各時間片的間隔是采樣 周期，一個發(fā)射脈沖收發(fā)期間所得到的所有有效時間片的總和稱為一個數(shù)據(jù) 塊) 里系統(tǒng)記錄了上述出現(xiàn)的情況，同時這些時間片也記錄了噪聲引起的幅 值。此外，它們可能記錄了一個、多個或根本就沒有來自海底的回波信號， 由于海底回波信號的指向與若干波束的旁瓣指向一致，所以這些波束的旁瓣 就接收了較高的幅值。 假定海底比較平坦，發(fā)射換能器發(fā)射一個短脈沖，并以球面擴展規(guī)律向 下傳播。在脈沖發(fā)射之后f 1 時刻，聲波已到達海底，但只與正下方海底有一 點接觸。在2 時刻的時間片中含有這一回波，但它的到達方向口。并不一定正 好是某個控制波束的指向，為說明方便，這里假定只形成1 2 個波束，到達方 向見一般落在兩個控制波束指向之間( 見圖2 7 ) 。由于波束有一定的寬度， 同一海底回波總是可以同時被若干個波束接收到，靠近回波信號角度的控制 波束有較大的幅度值，其它遠離這一方向的波束輸出幅度較小，主要貢獻是 體積混響p 列和背景噪聲。在2 時刻造成幾個波束有角度輸出的原因是各個波 束主瓣均有一定的寬度，而且有旁瓣存在。因此，在一個時間片中要將真實 回波信號與噪聲和旁瓣接收的信號分開，需要根據(jù)噪聲和旁瓣級的大小計算 1 2 哈爾濱丁程大學碩士學位論文 動態(tài)門限，對同一時l 、日j 片選取不同的幅度門限。 幅度 吼 圖2 72 厶時刻的波束輸出 2 2 3 旁瓣干擾的影響 多波束測深聲吶中的隧道效應來源于旁瓣干擾，當海底相對平坦且具有 很強反射性時，鏡向波束由于垂直入射海底并且在水中傳播時間短，因而海 底回波信號很強，其能量被其余波束的旁瓣所接收，這種干擾同時加在所有 其余波束上。如圖2 8 所示，圖中采用切比雪夫加權(quán)，旁瓣被壓低3 0 d b ，入 射角為0 。的鏡向波束，其功率是外側(cè)波束功率的1 0 倍，鏡向波束進入外側(cè) 波束的主瓣，同時很強的鏡向波束能量被外側(cè)波束的旁瓣所接收，鏡向波束 相對于外側(cè)波束來說是一個強干擾，這個強干擾被外側(cè)波束的旁瓣接收到。 圖中加三角線是鏡向波束，加星線是外側(cè)波束，加圓圈線是實際形成的波束 輸出，鏡向波束的能量泄露入外側(cè)波束中，使得同一時刻所有的預成波束均 顯示收到信號。 旁瓣響應使海底散射回波的能量中心向旁瓣方向發(fā)生了偏移，當旁瓣響 應高于檢測門限值時系統(tǒng)就跟蹤旁瓣響應而忽略了真實的海底回波，測量結(jié) 果就會出現(xiàn)兩邊上翹凹面向上的水平半圓柱面海底地形，類似弧形的隧道這 就是隧道效應。對于邊緣波束，旁瓣干擾與海底回波在時間上是分離的，可 以考慮加時間窗的方法加以消除，因為旁瓣響應通常落在跟蹤f - j 夕b 面；而中 央波束由于與鏡向波束離的較近會受到強烈的干擾影響，旁瓣干擾和真實海 底回波在時間上有重疊，加時間窗的方法就難以消除旁瓣干擾。一組典型的 旁瓣干擾如圖2 9 所示，圖中鏡向方向有1 個波束，左、右舷各有1 0 個波束， 圖2 8 旁瓣干擾起因 束中的干擾 近。 圖2 9 一組典型的旁瓣干擾 總體來說，旁瓣干擾主要由以下因素p q 引起： ( 1 ) 強鏡向回波的出現(xiàn)。旁瓣干擾出現(xiàn)的先決條件是十分重要的，這個 先決條件是在任何一個預成波束中出現(xiàn)強鏡向海底回波，出現(xiàn)這種情況的海 底并不一定是平坦的。在旁瓣干擾與海底回波完全分離的情況下，旁瓣干擾 通常落在跟蹤f - j # b 面。當海底回波接近鏡向方向時，旁瓣干擾和實際海底回 波就會落在一起或重疊； 1 4 4 3 2 1 d 蛇 叫 。 戧罌犖，日i 哈爾溟丁程大學碩士學位論文 i l l ( 2 ) 操作人員僅輸入手動門限值，而沒有進行噪聲門限和旁瓣門限的計 算。如果這個手動門限值設置得過低且當噪聲和旁瓣的值過大時，對主瓣造 成影響的噪聲和旁瓣就不會被消除，從而導致系統(tǒng)對海底信息的錯誤跟蹤： ( 3 ) 當系統(tǒng)計算了噪聲門限和旁瓣門限，旁瓣干擾同樣可能發(fā)生。這是 因為接收機的限幅僅可以消除部分旁瓣響應，剩余部分的旁瓣響應使相對低 信噪比的真實海底散射回波的能量中心向旁瓣方向發(fā)生了偏移。結(jié)果是系統(tǒng) 跟蹤了旁瓣響應而不是真實的海底回波，因而產(chǎn)生了兩邊上翹凹面向上的水 平半圓柱面海底地形特征； ( 4 ) 時間門的設置不當，這包括門的中心和寬度設置不當。若門的中心 偏離主瓣中心過大且門的寬度不夠，那么系統(tǒng)就會僅接收到旁瓣干擾而忽略 了真實的海底回波信號。 2 3 隧道效應的消除方法 旁瓣干擾除了導致多波束測深聲吶中隧道效應的出現(xiàn)，使海底地形發(fā)生 畸變外，另一個影響是它屏蔽了內(nèi)側(cè)波束的反向散射回波，結(jié)果它嚴重限制 了從水聲信號中提取除測深之外的其它信息，比如依賴反向散射強度的掠射 角可能就是海底粗糙特征的重要指示。旁瓣干擾使內(nèi)側(cè)波束變的用處不大， 只有消除旁瓣干擾，內(nèi)側(cè)波束所包含的潛在重要信息才能得以利用，因此抑 制或消除旁瓣干擾對提取附加信息，繪制真實海底地形有重要意義，下面探 討一些考慮的消除方法。 2 3 1 設置海底跟蹤門 消除旁瓣干擾的方法之一就是設置海底跟蹤門p 7 1 ，對于邊緣波束來說， 由于旁瓣干擾與真實海底回波在時間上是分離的，因此可以考慮設置海底跟 蹤門來消除干擾。由于多波束測深聲吶每次獲得幾十個甚至上百個波束，每 個波束對應的海底地形又千差萬別，這也使得設置海底跟蹤門顯得十分必要。 海底跟蹤門包括起始門和終止門，跟蹤門以外的數(shù)據(jù)都被剔除，只保留門內(nèi) 的數(shù)據(jù)( 見圖2 1 0 ) 。它確定了可靠的深度測定，同時設置