多波束相干测深技术研究及其算法DSP实现

论文摘要

多波束测深声纳是海底地形探测的主流工具,在水下工程和海洋探测中发挥着重要的作用。目前大多数多波束测深声纳系统使用幅度检测法或相位差检测法,在一个波束内获得一点的海底深度值。深度测量的数据量取决于波束形成的数目,这从根本上限制了分辨率的提高;在幅度或者相位差检测法中,条带边缘处的波束脚印明显变大,这导致了海底深度测量的不均匀,中间的深度测量密集而两侧的深度测量稀疏;同时波束脚印内海底地形变化的细节信息也是无法被探测到的。针对这些问题本文将相干测深思想引入到多波束测深声纳中,在每一个波束脚印内进行相干处理,从而在不增加波束形成数目的前提下获得大量的海底深度测量值,大大提高了多波束测深声纳的海底分辨力。首先采用类比的方法从理论上引入了多波束相干测深的基本原理;然后分析了多波束相干测深算法的误差和影响相干测深性能的三种噪声源。在此基础上研究了多波束相干测深信号处理方法,并提出了相干信号的可变带宽滤波处理、基于多元信息融合的相位差解模糊处理、基于多视处理的回波DOA估计和多基线探测等信号处理方法。大量的仿真和实测数据处理验证了算法的有效性和可行性,实测数据来源于300kHz多波束测深声纳的湖上试验。最后讨论了关于该算法在DSP上实现的问题。研究表明和传统的多波束测深算法相比,多波束相干测深算法能提高声纳系统的海底分辨能力,获得大量的深度测量值,对海底微地形的检测能力大幅提高。同时使用文中提出的多种信号处理方法能有效降低噪声对于测量结果的影响,改善相干信号的信噪比,大幅提高了声纳深度测量的精度。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 论文的背景与意义
• 1.2 国内外技术动态及研究现状
• 1.3 论文主要研究内容
• 第2章 多波束相干测深的基本原理
• 2.1 多波束测深声纳的工作原理
• 2.1.1 海洋深度测量设备的发展
• 2.1.2 多波束测深声纳
• 2.2 经典的多波束测深算法及其存在的问题
• 2.2.1 经典的多波束测深算法
• 2.2.2 经典的算法中存在的问题
• 2.3 多波束相干测深算法
• 2.4 本章小结
• 第3章 多波束相干测深算法的误差分析
• 3.1 多波束测深声纳角度估计的克拉美罗界
• 3.2 多波束相干测深算法的误差分析
• 3.3 影响多波束测深算法的噪声源分析
• 3.3.1 加性噪声源
• 3.3.2 基线解相关
• 3.3.3 移动声脚印
• 3.4 多波束相干测深系统的性能预测
• 3.4.1 多波束相干测深系统的测量误差
• 3.4.2 镜像区域回波的检测问题
• 3.5 本章小结
• 第4章 多波束相干测深信号处理方法
• 4.1 相位差序列的获取
• 4.1.1 DFT 波束形成原理
• 4.1.2 相干相位差序列
• 4.2 相干信号的滤波处理
• 4.3 相位差解模糊方法
• 4.3.1 相位模糊问题
• 4.3.2 经典的相位差解模糊方法
• 4.3.3 基于多元信息融合的相位差解模糊算法
• 4.4 基于多视处理的回波DOA 估计
• 4.5 多基线探测
• 4.6 本章小结
• 第5章 仿真及试验数据处理
• 5.1 算法的信号处理流程
• 5.2 多波束测深回波信号仿真
• 5.3 数据处理
• 5.3.1 仿真数据处理
• 5.3.2 实测数据处理
• 5.4 本章小结
• 第6章 多波束相干测深算法的DSP 实现
• 6.1 DSP 平台的选择
• 6.2 TMS320C6713 的软件设计
• 6.2.1 实现难点及优化方案
• 6.2.2 算法在DSP 上的实现
• 6.3 海底地形的实时显示
• 6.4 Flash 烧写及BootLoader 程序设计
• 6.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢