浅谈多波束测量中的旁瓣效应

叶小凡,陶 宇,周 冲

(浙江省河海测绘院,浙江 杭州 310008)

1 问题的提出

海洋占地球总面积的71%,拥有丰富的石油、天然气等很多种矿藏。船运的发展,海洋的运输功能日益明显,随着海洋在人类发展中起到越来越大的作用,围绕海洋的科学研究、资源开发、工程建设以及在军事活动等获得了飞速的发展,这都少不了对海底地貌的探测。声音在水中传播具有独特的优势,人们也一直试图把声音引用到海洋的测量中来。直到19世纪20年代出现了单波束回声测深仪,20世纪60年代出现了多波束测深声纳[1-2]。从此声纳技术经历了有宽波束、低精度、低集成到窄波束、高精度、高集成的发展过程,成为目前准确测量海底地形地貌的唯一方法[3]。

每种测量方法都会有误差,包括测量误差、系统误差等。多波束测量也有其根本性的不足。旁瓣效应即是其一,旁瓣效应广泛存在于各种与信号相关的测量中[4]。下面从多波束声学原理上阐述旁瓣效应的来源。

2 旁瓣效应的来源

2.1 多波束测深的基本原理

多波束测深仪采用发射、接收指向性正交的2组换能器阵,向海底发射声波信号并接收反射与散射回波信号,通过接收指向性与发射指向性叠加,获得一系列垂直于航向分布的窄波束。由于海底是声波传输过程中最强的反射界面,对每个波束脚印内的回波信号沿接收换能器阵排列方向进行时序采样,检测单个波束脚印内反射波的尖脉冲形态。通过判断这些波束到达海底的方向角度与往返海底的旅行时间,可以获取换能器中心与各个波束脚印之间的相对位置关系,从而推算出波束脚印的空间位置与水深,进而达到测量海底地形的目的[5]。

2.2 波束之间的干涉

一个单波束在水中发射后,波束是球形等幅度传播,所以各方向的声能相等,这种均匀传播称为等方向性传播(Isotropic Expansion),发射阵也称等方向性波形。显然这种声波没有方向性,不能区分来自不同方向同等距离的目标,因此测深时不能采用这种波束。发射基阵可以产生预定方向上的声波。如果2个相邻的的发射器发射相同的等方向性的声信号,声波图将互相重叠和干涉。2个波峰或者2个波谷之间的叠加会增强波的能量,波峰与波谷的叠加正好互相抵消,能量为0。一般相长干涉发生在距离每个发射器相等的点或者整个波长处。

2.3 旁瓣效应

对一个典型的声纳系统,其基阵的间距等于半波长,则相长干涉发生时的点位处于最有利的角度 (点位与基阵中心的连线与水平线的夹角),相长干涉发生在θ=0°和θ=180°处,相消干涉发生在θ=90°和θ=270°处。相长干涉和相消干涉见图1。

图1 相长干涉和相消干涉图

如果一个发射阵的能量分布在狭窄的角度中,就称该系统指向性高。真正的发射阵由多个发射器组成,有直线阵和圆形阵等。图2中能量最大的波束称为主瓣,也是相长干涉处,引起能量的泄露。旁瓣能引起回波,对主瓣的回波产生干涉,即为旁瓣效应。

图2 主瓣和旁瓣图

3 多波束测量中减小旁瓣效应的研究

到目前为止,对多波束减小旁瓣效应带来的误差的研究还很少。下面给出3个减小旁瓣效应的方法。

3.1 加权法

旁瓣效应是不可避免的,可以通过加权的方法降低旁瓣水平,但是加权后,旁瓣水平值降低,波束却展宽了[7]。

3.2 最小二乘格型算法 (LSL)

Alexandrou针对Sea Beam多波束测深声纳数据中存在的旁瓣效应,提出了利用最小二乘格型 (LSL)算法(滤波器)消弱旁瓣干扰,并仿真验证在窄波束条件下对旁瓣干扰的消弱能力。

3.3 最小方差无失真响应 (MVDR)算法

文献[7]中,研究了基于广义旁瓣抵消器(GSC)结构的自适应波束形成模式,提出利用最小方差无失真响应算法 (MVDR)。利用该算法对多波束测深系统测试数据中存在的隧道效应进行处理,验证了新算法对波束旁瓣抑制的有效性。

4 结 语

随着多波束越来越广泛的应用,减小其误差就显得很有必要。声学信号之间的互相干扰以及产生的旁瓣效应,目前的研究只处于初步阶段,具体到多波束构造的改进几乎没有应用。本文结合相关科研工作者的研究成果,给出了3个可能的方向。还需要相关的科研工作者进一步研究,并投入到多波束仪器的设计中去,以减小旁瓣效应对测量的影响,提高测量的准确性。

[1]李海森,周天,徐超.多波束测深声纳技术研究新进展[J].声学技术,2013,32(2):73-80.

[2]高君,肖付民,裴文斌,等.多波束测深仪扫幅宽度评估方法[J].测绘科学技术学报,2013,30(1):28-32.

[3]苏程,俞伟斌,倪广翼,等.深水多波束测深侧扫声纳显控系统研究[J].浙江大学学报:工学版,2013,47(6):934-943.

[4]王忠仁,高健,林君.可控震源匹配扫描方法研究 [J].地球物理学报,2010,53(11):2754-2759.

[5]李家彪,多波束勘测原理技术与方法[M].北京:海洋出版社,1999.

[6]赵建虎,刘经南.多波束测深及图像数据处理[M].武汉:武汉大学出版社,2008.

[7]魏玉阔,陈宝伟,李海森.利用MVDR算法消弱多波束侧身声纳的隧道效应[J].海洋测绘,2011,31(1):55-60.