多波束与侧扫声纳海底目标探测对比分析

宋 曦

（天津港湾水运工程有限公司，天津 300453）

多波束与侧扫声纳之间具有良好的互补性，可以优势互补，相互弥补各自不足；此外，它们还能通过信息共享提高资源利用率。所以对于多波束与侧扫声纳在海底目标探测应用中如何实现互补及高效处理的研究有着十分重要的意义。首先，对多源数据系统模型及其关键技术进行分析，包括基于特征点匹配算法的姿态解算方法、回波多普勒频移估计方法及成像质量评价准则等内容。然后，针对目前多波束与侧扫声纳间比对分析了解到两者均采用同一坐标系下测量获得不同时刻多个传感器输出数据，从而造成计算量巨大这一缺点，提出将两种数据源相结合的思想。

1 海底声纳工作原理

海底声纳工作原理是利用两个或两个以上的换能器发射声波形成一个声场，由接收装置接收该声场产生的声脉冲来判断声源位置及方向。多波束声纳则利用多个阵元同时发射相同频率、幅值、相位各异的超声波，根据各通道接收灵敏度差异确定方位角度。侧扫声纳则是利用各个阵元分别接收同一个频段内各阵元所发出的超声脉冲，进而确定出被测对象空间分布情况，完成水下环境感知。

1.1 声源

首先声源对于海洋结构物作用时主要依靠其所受外力大小决定是否会发生运动，如果不受外力作用就会导致物体损坏甚至毁坏。当外界条件发生变化后，如海流流速变化、海水温度改变、气压升高或下降以及其他环境因素影响都可能使得声源受到扰动而使其受力增大或者减小。其次，由于海洋环境复杂多样，各种干扰信号往往以一定方式叠加于一起，这给识别和定位带来了较大困难。而声纳自身存在着噪声干扰、窄带干扰和宽带干扰，这些干扰信号不仅严重地降低了信噪比而且也削弱了检测能力。最后，在实际使用过程中，通常需要对多种环境参数做出准确评估，以便及时作出正确决策。

1.2 脉冲响应分析

为了能够更有效地提取目标信息，提高信号处理效率，必须要从时域和频域两方面去研究目标特性，即利用脉冲多普勒雷达测量出水下运动物体速度或加速度等参量。随着现代科学技术的不断发展以及工程实践要求的日益迫切，基于被动测距原理的多波束系统逐渐被开发出来并开始运用到军事上。但是海底的脉冲响应具有非平稳特征，因此传统方法难以得到满意效果。由于其接收通道数目众多，因而可获得比单路发射更大范围内的声场分布情况。在此过程中，需要对这些数据做进一步的数据处理，再经过一系列处理即可得出完整波形，所以多波束成像算法已经成为当今水声领域发展最成熟且应用最为广泛的一种信息处理手段之一。侧扫声纳对于海底脉冲响应有着很强的适应能力，并且能提供丰富的海杂波背景信息和较高的分辨率，从而为后续探测任务提供方便。

1.3 海底声纳接收机

海底声纳接收机作为多波束系统中重要组成部分，负责完成对外部海洋声信道环境下微弱声音信号的采集与传输。该设备主要包括：低通滤波器、放大电路、检波器和放大器等几部分组成，其中低通模拟前端是整个系统的关键器件，直接影响整个系统性能。而多波束系统对低中频数字信号处理器提出了非常高的要求，因为只有这样才能保证系统稳定工作，同时又满足高速实时采样需求。但是对于声纳的接收效果是有一定限制的，这是因为在海水介质中存在着大量噪声和干扰，使得信噪比会急剧下降，甚至无法分辨有用信号，严重时甚至导致不能正常工作。另外，海底地形复杂多变，各种复杂因素都将对系统造成不同程度的不利影响，例如海流变化引起的波速扰动等等，都可能使接收点位置发生偏移或者定位不准。所以对于海底接纳仍需多波束与侧扫声纳配合使用以保证良好的检测精度及稳定性。

1.4 海底目标干扰

在多波束与侧扫声纳应用时海底目标的干扰往往伴随着其他干扰源出现。当多个声源产生相互抵消作用时就形成一个强相关区域。而该区域内存在大量噪声信号，且这些信号具有较高的信噪比和相关性。因此利用单一传感器难以有效抑制这种相干杂波，甚至不能对其进行正确分离，这使得系统无法正常工作。此时若要准确估计出各个方位上各传感器所受到的信干噪比，必须采用联合滤波方法。然而由于实际情况中多径效应、阵元间距误差以及阵列孔径大小等多种原因，传统的联合滤波算法很难得到理想结果。所以需要一种能够快速收敛于最优值的自适应迭代滤波算法来提高跟踪性能。

2 多波束声纳探测

多波束声纳探测多波束声纳通常用于海上或水下目标的测量，它能提供高分辨率的距离信息、深度信息以及角度信息，并且还可以获取海表面以下几千米至几百米范围内的海洋环境参数。随着科学技术的不断发展，特别是电子信息技术、计算机技术、信号处理理论以及水声通信技术的迅速进步，也给多波束声纳探测系统带来新的挑战，如数据采集速度快，数据量大；同时，为了满足实时性要求，又需解决如何处理海量数据资料，从而降低数据处理复杂度问题，因而迫切需要研究高效的并行/分布式并行计算模型。

2.1 多波束声纳系统组成

多波束声纳平台：包括发射端和接收端两部分。其中发射端的主要设备有相控阵雷达天线、接收前端阵列、发射机和接收机等，这些设备均采用数字信号处理器作为核心器件实现其功能。每个阵元包含一个或多个射频收发组件。各换能器之间以电缆相连，形成一条完整的通道，称之为多路复用器。它们都安装在船身内部或者船体尾部附近位置。发射端通过控制单元将控制指令发送给相应的硬件电路，然后由硬件电路根据指令完成回波的生成、发送和接收数据存储过程，最后再经处理器把处理结果输出到显示模块中。接收端则负责将接收信号转换为数字信号，经过放大、模数转换器转换成二进制形式后传输给计算机进行分析与处理。

2.2 多波束声纳成像

多波束声纳成像机理多波束声纳的工作原理就是利用多个换能器对不同方向海水介质传播的声波产生干涉作用而实现声源定位。这种干涉效应会使海底发生散射现象，因此可通过改变入射波频率获得较高分辨率的声场信息；同时，也可以增强回波能量，提高信噪比；另外，多通道数据采集技术使得数据处理变得更加简单快速，从而缩短时间周期。因而，多波束声纳能够有效地提供海洋环境相关信息。目前已发展了多种用于探测深海环境中各种运动物体或活动目标的方法和系统，由于多波束声纳具有良好的方位分辨能力，其应用前景十分广泛。

3 多波束与侧扫声纳的对比分析

首先，多波束与侧扫声纳之间存在明显差异，即前者是被动跟踪式的探测仪器，后者是主动搜索式的探测仪器。因此，它们对同一海域所采集到的不同时间序列数据进行处理时就会出现一些差别；同时也表现出许多相同的规律。其次，二者均采用宽带信号处理方式。这是因为：在信号接收通道上，两者都有一个收发天线，并由同一套发射电路产生相应的回波波形和频率，从而达到同步工作状态。所以可将这些信息综合起来应用，因而可以相互兼容使用。再次，二者结构基本相同。即各模块之间是通过串行口连接而成。这种通信模式不仅节省了大量电缆资源，而且还提高了系统性能及可靠性。最后，其传输距离非常接近且各自独立运行于特定频段内，互不影响，有利于数据传输的实时性和稳定性。

3.1 多波束声纳海底目标探测系统

多波束声纳海底目标探测系统的研制过程包括以下几个方面：（1）研究了基于声传播理论的浅海水声信道建模问题；并对不同情况下的多径效应进行仿真分析，为后续的信号设计提供参考依据。在此基础上，完成了相应的软件实现与实验验证工作。（2）提出一种新的适用于海洋环境噪声模型—高斯混合分布（GMM），该模型较好地描述了海水介质特性随深度变化的非平稳性，以及海浪等复杂因素引起的时变非线性特征，并且克服了传统高斯白噪音模型因假设条件苛刻而导致无法直接用于实际海洋环境中的缺点。（3）针对上述两种算法分别建立起对应的数学模型，然后利用Matlab/Simulink平台搭建联合仿真器，以计算机仿真代替物理模型试验来获取相关参数，进而得到较为。真实可靠的结果，最终使得整个水下目标探测设备得以研发成功。（4）根据以上研究成果，结合实验室现有条件，开发出集声学测量、信息处理和数据通信于一体的“海上试验测试平台”，该装置主要由硬件部分和软件系统两大部分组成，其中软硬件相结合的设计方案保证了各个子系统能够正常运转，满足系统各项技术指标要求。

3.2 侧扫声纳海底目标探测系统

侧扫声纳海底目标探测系统采用双天线发射侧扫阵列，使回波信号更加丰富且信噪比更高。针对海面背景噪声影响较大这一问题，在接收端利用小波变换进行滤波处理；并通过仿真实验分析不同滤波器对信号处理效果的影响。同时为了减小副瓣干扰，采用相位编码技术。另外还介绍了侧扫阵各单元之间的协调方法以及主被动复合成像原理，针对侧扫声纳采集到的数据信息具有冗余性这一特点，将自适应降噪技术应用到侧扫阵数据处理当中。首先对侧扫阵元接收到的数据信息做预处理，去除杂波成分后再使用LMSNusselt准则进行最优估计。其次将经处理过的数据压缩存储到数据库中，以便后期进一步处理时调用。

3.3 多波束与侧扫声纳海底目标探测对比

多波束测深法和常规侧扫声纳法对海底目标检测能力，并比较二者优缺点，结果表明：基于改进的MUSIC算法的多波束测水深法能有效地提高海底目标定位精度。但是其运算量大，计算时间长，需要大量存储空间才能完成定位任务，而且当环境复杂或者存在噪声等因素影响时会导致误差较大。因此，如何快速准确地获取海底目标信息仍然是当前亟待解决的难题之一。另外由于受海洋环境以及海况变化等因素影响，水声信道具有时变特性。多源干扰信号时容易发生错误判断。此外，“旁瓣干扰”问题也是制约该方法在实际应用中发展的瓶颈之一。会造成严重的虚假点现象，降低定位性能。而本文提出的多波束测深法则克服了上述缺点，不仅可以实现精确的海底目标位置确定，也可避免虚假点现象，最后通过仿真验证多束线声源模型下的主从式单自由度声传感器可以达到较高分辨度。

侧扫声呐海底目标探测与多波束技术比起来有很大优势：首先是能够进行远距离观测；其次可以获取更丰富的数据信息和更加准确的检测结果。它无需任何额外硬件设备即可实现水下三维运动物体的实时测量、跟踪以及定位。此外，由于采用双发射/接收方式，所以对噪声具有很强的抑制作用。另外，利用多个主被动阵联合工作来完成目标探测时，还能有效地减小阵元间干扰，提高信噪比，从而降低虚警率。并且，其定位精度高，可达厘米级。通过将这两个方面相结合，就形成了一套完整的海洋声探测系统。该系统对复杂海洋环境下航行器（潜艇）等海上平台具有很好的适用性。因此，该系统在军事及民用领域都有着广阔的应用前景。

目前国内外已经有多种水下定位技术被提出和发展起来，其中基于声学理论的测向算法是一种较为成熟且实用的方法。但这种方法也存在一定的局限性。而实际在多波束与侧扫声纳海底目标探测时，往往因为受到各种环境因素或人为因素的干扰，使得所获得的方位估计精度不高，甚至出现错误的结论，给后续处理带来困难。针对多波束与侧扫波换能器相对位置变化引起的测量误差较大的缺点，提出了改进方案：用一个固定频率信号激励声源产生方位角误差信号，再根据此误差信号计算出参考方向上各个波束之间的相位差值，进而得到各波束的空间夹角向量。然后，把这个矢量作为权矩阵输入到最小二乘支持向量机分类器中，以解决传统最小二乘法容易陷入局部极小值问题。

3.4 海底目标探测目的

海底目标探测目的在于识别不同类型的海杂波及其相应的特性，为了使海底回波特征更好地表现出来，通常需要使用合适的滤波方法进行去噪。然而现有的许多滤波器并没有考虑到海杂波及相关成分的影响，因而会造成较低的检测性能。提出了基于自适应加权最小二乘支持向量机和小波变换两种降噪算法，分别用于抑制高斯白噪音、脉冲多途效应及混响环境中的随机干扰源，取得良好的效果。多波束与侧扫声纳海底目标探测系统主要由三部分组成，即发射端、接收端以及信号处理终端。海底目标探测目的包括对水中目标进行跟踪定位，确定其距离信息；提取水体中弱散射点信息，如声速剖面等。

4 结束语

多波束与侧扫声纳海底目标探测对比分析表明，采用自适应加权最小二乘软阈值法对声信号进行消噪后，能有效地滤除噪声，提高信噪比，降低虚警概率；小波包分解重构能够很好地分离出受强背景噪声污染的低频分量和高频成份，有利于进一步分析水声信号特征；同时通过仿真实验验证了上述算法在消除随机因素及水动力扰动下的有效性。并且将这些算法应用于实际工程当中，可以大大提高水下航行器的隐蔽性，具有重要的实用价值。