测深侧扫声纳关键技术研究

发布时间：2017-05-06 20:04

  本文关键词：测深侧扫声纳关键技术研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着对海洋资源的开发和利用，水下声学探测成为当前很热门的课题，而海底地形地貌探测更是开发海洋的第一步，其重要性不言而喻。目前探测海底地形地貌主要有两种重要仪器：侧扫声纳和多波束测深声纳(合成孔径声纳由侧扫声纳衍生而来，本质上也可看作是侧扫声纳的一种)，它们都有各自的优势。侧扫声纳横向分辨率高，主要用于探测海底地貌；多波束测深声纳能精确测量海底深度，形成直观的三维地形图，主要用于探测海底地形。为了把这两种探测声纳的优点结合起来形成一种既具侧扫功能，又具测深功能的声纳，英国学者Denbigh于1977年首次正式提出测深侧扫声纳系统原理和结构，它从侧扫声纳的基础上发展而来，因而完全具有侧扫声纳的所有优点；结构上主要是增加了若干条平行于发射阵元的接收阵元来接收海底回波信号，然后利用不同接收阵元间的相位信息来估计海底瞬时回波方位，从而计算出海底深度，因而它又可以像多波束声纳一样，具有条带测深的功能。和多波束测深声纳相比，测深侧扫声纳的测深探测点可以更多，且与侧扫探测点的位置基本保持一致，这就使得两者之间的数据融合变得更加容易。不过需要指出的是，它也有自身的缺点：测深精度受到其本身结构的限制，，实现高精度测深一直是一个难点。 围绕测深侧扫声纳的某些关键技术，论文展开了一系列的研究工作，主要内容如下： 1）研究了海底反向散射理论，总结了海底反向散射的一般规律，介绍了Jackson散射模型来定量描述海底反向散射强度，并结合海试实验数据验证了Jackson散射模型的正确性。 2）详细介绍了侧扫成图原理和测深成图原理，结合测深侧扫声纳接收阵元数少和进行方位估计时可用数据快拍数少这两个特点，着重研究了三种可行的测深算法——差分相位法、子阵空间拟合法和基于Prony原理算法，并讨论了这些算法的性能和适用范围。 3）围绕测深侧扫声纳的可行性问题，详细分析了测深侧扫声纳的一些性能指标参数；对测深误差和测深精度评估，从理论上进行了分析和研究，这在实际测深中也具有相当重要的意义。 4）针对测深侧扫声纳信号处理作了大量的仿真工作，从接收海底回波信号的仿真，到侧扫声图的仿真，再到用这三种测深算法对不同的二维海底地形进行测深的仿真，最后到对三维海底地形测深的仿真。通过这些仿真研究，论证了测深侧扫原理的正确性，也为后面实际数据的信号处理指明了方向。 5）对实际实验数据进行了详细的分析和处理，在侧扫成图问题上，针对测深侧扫声纳具有多条接收阵元这一特点，提出了将多阵元加权处理得到的侧扫声图与单阵元处理得到的侧扫声图进行融合，消除了某些二次反射重影，提高了侧扫声图质量。分析声速剖面修正前后的深度估计结果，说明声速剖面是影响测深误差的重要因素。用三种不同算法处理了单Ping的海底回波数据，得到海底深度估计结果，并对测深结果作了分析比较。通过基于Prony原理算法对实际数据进行处理，得到与侧扫声图相对应的测深声图，分析指出两种声图中反映出的地形地貌特征是相吻合的，并且相互补充。最后用Caris软件对处理后的数据进行成图和镶嵌融合处理，将这些测深侧扫图进行地理坐标位置修正，得到更加直观和精准的侧扫声图和测深声图。
【关键词】：测深侧扫声纳 Jackson散射模型 增益控制 Prony原理 条带拼接 镶嵌融合
【学位授予单位】：中国舰船研究院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：U666.7
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-19
• 1.1 研究背景和意义11-12
• 1.2 国内外的研究现状及趋势12-17
• 1.2.1 侧扫和测深技术的发展历史12-15
• 1.2.2 国内外测深侧扫声纳发展现状及趋势15-17
• 1.3 论文主要研究内容及结构安排17-19
• 第二章 海底反向散射理论和测深侧扫原理介绍19-44
• 2.1 海底反向散射19-24
• 2.1.1 海底反向声散射总体规律19-20
• 2.1.2 一种海底反向散射计算模型20-24
• 2.2 侧扫声图成像原理24-30
• 2.2.1 测深侧扫声纳基本结构24-25
• 2.2.2 侧扫成图原理25-30
• 2.2.2.1 侧扫回波形式25-26
• 2.2.2.2 侧扫回波增益控制26-28
• 2.2.2.3 侧扫条带拼接成图28-30
• 2.3 测深原理与算法30-43
• 2.3.1 测深原理介绍30-33
• 2.3.1.1 侧扫声图中测深的局限性30-31
• 2.3.1.2 条带测深基本原理31-33
• 2.3.2 三种测深算法研究33-41
• 2.3.2.1 差分相位算法33-34
• 2.3.2.3 子阵空间拟合算法34-36
• 2.3.2.4 基于 Prony 原理算法36-38
• 2.3.2.5 算法小结38-41
• 2.3.3 宽带信号处理方法41-43
• 2.4 本章小结43-44
• 第三章 测深侧扫声纳性能指标和测深误差分析44-58
• 3.1 测深侧扫声纳若干指标参数分析44-47
• 3.1.1 声纳高程、航速和侧扫分辨率44
• 3.1.2 发射信号分析44-45
• 3.1.3 声纳方程参数分析45-47
• 3.2 测深误差分析47-53
• 3.2.1 姿态测量引起的测深误差修正48-49
• 3.2.2 安装偏差引起的测深误差修正49-52
• 3.2.3 声速剖面引起的测深误差修正52-53
• 3.3 测深精度评估53-56
• 3.3.1 国际海道测量标准53-55
• 3.3.2 测量数据的测深精度评估55-56
• 3.4 本章小结56-58
• 第四章 测深侧扫声纳信号处理仿真研究58-72
• 4.1 侧扫回波信号仿真58-61
• 4.2 侧扫声图成像仿真61-62
• 4.3 二维地形测深仿真研究62-68
• 4.3.1 平坦海底测深仿真62-65
• 4.3.2 陡峭海底测深仿真65-66
• 4.3.3 存在海面反射的海底测深仿真66-68
• 4.4 海底小目标高度检测分析68-69
• 4.5 三维地形测深仿真研究69-70
• 4.6 本章小结70-72
• 第五章 实验数据分析处理72-95
• 5.1 传感器数据和阵元数据预处理73-76
• 5.1.1 传感器数据修正73-74
• 5.1.2 阵元接收数据预处理74-76
• 5.2 侧扫声图处理76-80
• 5.2.1 单阵侧扫声图76-78
• 5.2.2 侧扫声图融合78-80
• 5.3 测深声图处理80-84
• 5.3.1 单 Ping 测深结果80-82
• 5.3.1.1 声速剖面修正处理80-81
• 5.3.1.2 三种算法测深结果对比81-82
• 5.3.2 三维测深结果82-84
• 5.4 应用 CARIS 软件处理结果84-94
• 5.4.1 侧扫数据的 XTF 格式解析84-85
• 5.4.2 侧扫声图处理流程和结果85-89
• 5.4.2.1 侧扫声图处理总体流程85-87
• 5.4.2.2 侧扫拼图处理87-89
• 5.4.3 测深声图处理流程和结果89-94
• 5.4.3.1 单条测线测深数据处理90-92
• 5.4.3.2 测深图融合处理92-94
• 5.5 本章小结94-95
• 第六章 结束语95-97
• 参考文献97-100
• 攻读硕士学位期间参加的科研活动和发表论文100-101
• 致谢101

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 杨玉春;王忠康;焦君圣;;一种基于Prony原理的测深算法研究[J];声学与电子工程;2013年04期

2 许枫;魏建江;;第七讲 侧扫声纳[J];物理;2006年12期

3 徐新盛,张燕,李海森,杨士莪;海底混响仿真研究[J];声学学报;1998年02期

  本文关键词：测深侧扫声纳关键技术研究，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：349036