劉治宇，劉曉東，董飛，劉小剛

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三維前視聲吶信號處理方法

劉治宇，劉曉東，董飛，劉小剛

(中國科學(xué)院聲學(xué)研究所海洋聲學(xué)技術(shù)實驗室，北京100190)

三維前視聲像聲吶是安裝在小型水下載體上的重要聲學(xué)探測設(shè)備。提出了基于波達(dá)方向估計技術(shù)的三維前視聲吶信號處理方法，接收陣水平方向采用波束形成技術(shù)，垂直方向采用波達(dá)方向估計技術(shù)。在波束內(nèi)采用分裂孔徑相位法提高水平方向分辨率，形成聲吶陣前方的三維聲像。仿真結(jié)果和水池實驗結(jié)果表明：在接收陣面面積相同的條件下，能夠獲得優(yōu)于常規(guī)技術(shù)的分辨率，可以實現(xiàn)點目標(biāo)和連續(xù)目標(biāo)的探測，適合于在水下載體上安裝使用。

波束形成；波達(dá)方向估計；相位法；三維前視聲吶

0 引言

隨著海洋開發(fā)和利用越來越被重視，應(yīng)用于近海底觀測的各種水下載體發(fā)展迅速，如自治無人水下機(jī)器人、遙控水下機(jī)器人和載人水下機(jī)器人等。三維前視聲像聲吶用于探測載體前方三維空間內(nèi)障礙物、目標(biāo)和海底，并進(jìn)行聲成像。由于水下載體速度的要求，以及空間和功耗的限制，安裝在小型水下載體上的三維前視聲像聲吶應(yīng)該具有體積小、重量輕、功耗低和分辨率高的特點。

傳統(tǒng)的三維前視聲吶主要采用接收平面陣的二維波束形成技術(shù)，其分辨率受波束角寬限制，要求陣面尺度大，系統(tǒng)復(fù)雜[1]。如果采用二維波達(dá)方向估計技術(shù)雖然提高了分辨率，但是在空間中同時到達(dá)的回波個數(shù)較多的復(fù)雜情況下，不能有效地分辨出多個目標(biāo)[2]。文獻(xiàn)[3]利用水平方向波束形成技術(shù)和垂直方向波達(dá)方向技術(shù)，垂直方向的波達(dá)方向(Direction of Arrival, DOA)估計技術(shù)可分辨多個目標(biāo)，適合于近水面和近海底的應(yīng)用，可以有效提高垂直方向的分辨率，但水平方向的分辨率較低。

為了克服以上幾種方法的缺點，本文采用了一種波束形成技術(shù)、相位法和波達(dá)方向估計技術(shù)相結(jié)合的信號處理方法。通過水平方向的波束形成將波束指向特定的方向，提高該方向的信噪比并減少同時到達(dá)聲吶陣的信源個數(shù)；在垂直方向采用波達(dá)方向估計技術(shù)，提高垂直方向的分辨率；并在水平方向的波束內(nèi)，采用分裂孔徑相位法提高對連續(xù)目標(biāo)的水平方向分辨能力。利用這樣的信號處理方法，可以在陣面尺寸較小的情況下，有效地探測聲吶陣前方目標(biāo)和地形，并提高水平和垂直兩個方向的分辨率，使用該方法的聲吶陣更適合安裝在小型水下載體上。

1 信號處理方法

本文提出的信號處理方案是針對安裝在小型水下載體上的三維前視聲像聲吶，其信號處理流程中關(guān)鍵技術(shù)是結(jié)合波束形成技術(shù)、相位法和波達(dá)方向估計技術(shù)，信號處理總體流程如圖1所示。在水平平面內(nèi)采用波束形成技術(shù)形成多個水平方向的波束，波束寬度約為7°；在波束內(nèi)，采用相位法求出水平方向的入射角，提高探測連續(xù)目標(biāo)的水平方向分辨率；同時在垂直平面內(nèi)采用波達(dá)方向估計技術(shù)求出垂直方向的入射角，最后利用這兩個方向的入射角度和回波到達(dá)時間等信息計算出散射點在三維空間中的位置，得到聲像。

由于在波束內(nèi)采用相位法，可以在較寬波束內(nèi)提高水平方向分辨率，因此可減少水平基元個數(shù)，減小陣面尺寸。

下面分別對其中所使用的各種信號處理技術(shù)進(jìn)行闡述。

1.1 水平方向波束形成

頻域波束形成采用快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform, FFT)同時形成多個指向不同角度的波束，頻域波束形成的計算方法為[4]

與延時加權(quán)求和的時域波束形成相比，采用FFT波束形成方法能夠加快計算速度，提高計算效率，但是FFT中波束序號是整數(shù)，所以FFT只能形成有限個特定角度的波束。由于水下載體的姿態(tài)通常比較好，不需要做實時的姿態(tài)穩(wěn)定，因此只要這些波束能夠覆蓋聲吶陣前方區(qū)域，固定的波束形成角度對聲成像不會產(chǎn)生影響。

波束形成技術(shù)的作用類似于空間濾波，可以保留波束指向角方向的增益并壓制偏離波束指向角的散射點，所以只需要考慮波束中心在海底投影附近的散射點的影響。波束主瓣寬度與波束指向角的大小有很大關(guān)系，波束指向正下方，即波束指向角為零時，波束主瓣最窄；而當(dāng)波束指向角變大時，波束主瓣在海底的投影變寬，而且投影在波束中心的兩側(cè)不對稱。如果直接采用波束形成后的結(jié)果進(jìn)行判別，則測深結(jié)果的分辨率較差。

1.2 分裂孔徑相位法

分裂孔徑相位法的基本原理[5-8]是：把接收陣分成兩個完全相同的子陣，子陣波束形成后，等效于將接收陣面轉(zhuǎn)向波束指向角，波束中心上的散射元正好位于兩個子陣的等效中心連線的垂直平分線上，也就是說波束中心點到達(dá)兩個子陣的相位差為零。

而偏離波束中心的水平入射角也可以利用它與兩子陣相位差之間的對應(yīng)關(guān)系計算得到。令兩個子波束的同相分量和正交分量分別為1，2，1，2，可以利用共軛相乘的方法來提取相位差，計算公式為

(3)

其中：是兩個子陣間隔的基元間隔；是波數(shù)；是波束指向角；是實際角度與波束指向角的偏差。在遠(yuǎn)場條件下，相位差為零時的方向?qū)?yīng)于波束指向角，此時有。所以由相位法計算出水平方向的實際角度為

利用上述相位法估計回波入射角的優(yōu)點是能夠有效地利用波束內(nèi)幾乎所有相位差信息來估計所有散射點的回波入射角度，對于連續(xù)目標(biāo)能夠得到比較精確的角度估計結(jié)果。但是它的缺點是只能分辨波束內(nèi)同時到達(dá)的一個目標(biāo)，無法分辨同時到達(dá)的多個目標(biāo)。此外，對于聲吶陣正前方的目標(biāo)，相位差變化的區(qū)間太小，相位差曲線任何一點細(xì)微的抖動都會給最終的估計結(jié)果帶來較大的誤差，所以相位法不適用于正前方的目標(biāo)。

1.3 信源數(shù)估計

波達(dá)方向估計算法多采用基于特征子空間的算法，它利用信號子空間與噪聲子空間的正交性估計來波方向，需要預(yù)先知道信源個數(shù)。而當(dāng)信號源數(shù)估計不正確時，也就是對信號子空間和噪聲子空間估計不準(zhǔn)，即兩者不完全正交，會造成對估計信號源時的虛警或者漏警，也就會造成在估計信號方向時的偏差，所以波達(dá)方向估計技術(shù)中的首要問題是信源數(shù)估計問題。

文獻(xiàn)[9]提出了一種基于特征空間的信源數(shù)估計方法，它將陣列信號的協(xié)方差估計值分別投影到信號的特征子空間和噪聲子空間。由于信號子空間與噪聲子空間相互正交，易于由表征投影大小的判據(jù)值區(qū)分信號和噪聲的貢獻(xiàn)，得到了性能優(yōu)良的信源數(shù)估計方法。該方法優(yōu)于傳統(tǒng)的蓋氏圓法，而且不需要人工輸入信號閾值，可以實現(xiàn)自動的閾值設(shè)定，具有一定的實用價值。

1.4 波達(dá)方向估計

在垂直平面內(nèi)對做完波束形成后的信號用波達(dá)方向估計技術(shù)求入射角，系統(tǒng)中采用旋轉(zhuǎn)不變子空間(Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques, ESPRIT)算法，利用數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣信號子空間的旋轉(zhuǎn)不變特性估計信號參數(shù)。與其他方法相比，ESPRIT算法不需要進(jìn)行譜峰搜索，計算量比較小，計算速度比較快。

ESPRIT算法的原理[2]是：認(rèn)為相鄰子陣間存在一個固定間距，這個固定間距能反映出各相鄰子陣間的旋轉(zhuǎn)不變特性。ESPRIT算法就是利用這個子陣間的旋轉(zhuǎn)不變性實現(xiàn)陣列的DOA的估計。

式中：是發(fā)射信號，是空間陣列的流型矩陣，旋轉(zhuǎn)不變關(guān)系，則子陣1的陣列流型，子陣2的陣列流型，是兩個子陣陣列流型的合并形式，噪聲一般是零均值高斯白噪聲，與信號不相關(guān)。

對接收信號的協(xié)方差矩陣進(jìn)行特征分解可得：

(7)

本文采用實值空間總體最小二乘的ESPRIT算法[2](Unitary TLS-ESPRIT)，對常規(guī)ESPRIT算法的改進(jìn)主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

(2) 進(jìn)行雙向平滑，減小估計誤差，顯著增強(qiáng)了對相關(guān)性較強(qiáng)的回波信號的處理?？梢赃M(jìn)行對估計結(jié)果的有效性判決。

2 仿真結(jié)果

為了驗證將波束形成技術(shù)、相位法和波達(dá)方向估計技術(shù)三者相結(jié)合的信號處理算法的性能，在Windows平臺上用Matlab 7.0進(jìn)行仿真計算。仿真實驗中，平面接收聲吶陣選用16×6個陣元，相鄰陣元間隔為半波長，有效陣面大小為80 mm×30 mm。發(fā)射信號帶寬為10 kHz、中心頻率為150 kHz的chirp信號；實驗?zāi)繕?biāo)設(shè)定為聲吶陣前方三維空間中的一根桿，桿中心點P到參考點的距離為75 m；水平方向入射角為45°，垂直方向入射角為30°，信噪比為20 dB。產(chǎn)生仿真數(shù)據(jù)的方法見參考文獻(xiàn)[10]。

采用本文提出的信號處理方法仿真計算出的角度如圖2所示。與實際散射點的入射角度相比，水平方向入射角的均方根誤差為1.1037°，垂直方向入射角的均方根誤差為0.9141°。

對于有效陣面大小相同的平面聲吶陣，分別采用結(jié)合波束形成技術(shù)、相位法和波達(dá)方向估計技術(shù)的新方法與采用常規(guī)二維波束形成方法在入射角度估計上的誤差比較見表1?？梢钥闯觯Y(jié)合波束形成技術(shù)、相位法和波達(dá)方向估計技術(shù)的新方法能夠獲得較高的水平分辨率和垂直分辨率，優(yōu)于常規(guī)二維波束形成技術(shù)。

表1 兩種方法計算出角度的誤差

3 水池試驗結(jié)果

聲吶陣元布設(shè)圖見圖3，發(fā)射陣的中心基元用于發(fā)射，周圍8個基元為啞元，為中心發(fā)射基元提供必要的邊界條件，保證中心基元能夠?qū)崿F(xiàn)寬覆蓋發(fā)射，水平、垂直方向波束開角可達(dá)到85°×85°。單基元發(fā)射能夠?qū)崿F(xiàn)寬覆蓋，但發(fā)射靈敏度低，影響系統(tǒng)的作用距離。

接收陣為18×8基元的平面陣，中間16×6個基元接收，邊緣基元為啞元，每個陣元單獨(dú)引線。它可在水平平面內(nèi)形成約7°的窄波束。聲吶陣尺寸較小，有效陣面尺寸為80 mm×30 mm，非常適合安裝在水下載體頭部。

為了驗證方法的有效性，課題組在某消聲水池開展了目標(biāo)探測試驗和池壁探測試驗。該水池長約13 m，寬為7.5 m，深為5 m，其各側(cè)面及上下表面均覆蓋有消聲瓦。試驗時將聲吶艙固定于航車的吊架上，通過該吊架可以根據(jù)需要在水池內(nèi)任意部位吊放聲吶系統(tǒng)。本實驗將聲吶艙吊放于水池中間且距離水池后壁約1.5 m處，入水深度為2.5 m。利用CPCI信號處理機(jī)采集并存儲原始AD數(shù)據(jù)，采用上述信號處理方法對原始AD數(shù)據(jù)處理得到聲吶陣前方圖像。

目標(biāo)探測試驗選用兩個典型目標(biāo)。目標(biāo)1為空心圓柱，直徑為18 cm，高度為30 cm，吊放于聲吶陣右前方。目標(biāo)2為空心球，直徑為33 cm，吊放于聲吶陣正前方。兩目標(biāo)均懸于水中，距池底2.5 m，中心高度相同，水平距離為0.4 m，試驗具體布設(shè)情況見圖4。從圖5的圖像結(jié)果可以看出，該信號處理方法可以分辨出兩個目標(biāo)，圖像中目標(biāo)的位置與實際相吻合，水平方向采用的相位法技術(shù)可以恢復(fù)目標(biāo)的多個散射點，具有高的水平分辨率。

池壁探測試驗的結(jié)果如圖6、7所示。由于水池前壁布有吸聲尖劈，部分散射點的回波較弱，圖像點呈不均勻分布，見圖6。但是從上方看，所有圖像點基本在同一個平面，見圖7。池壁探測試驗表明，該方法可以恢復(fù)出連續(xù)目標(biāo)的圖像，具有高的水平分辨率和垂直分辨率，聲吶測距誤差為18.78 cm。利用池壁探測試驗采集的原始AD數(shù)據(jù)，采用二維波束形成技術(shù)得到的測距誤差為37.48 cm。如利用文獻(xiàn)[3]提出的方法，則測距誤差為31.63 cm。從以上比較可以看出，該方法在聲吶陣有效陣面比較小的條件下，能夠獲得優(yōu)于常規(guī)技術(shù)的水平分辨率和垂直分辨率。

4 結(jié)論

應(yīng)用在小型水下載體的三維前視聲像聲吶有體積小和分辨率高這兩個方面的技術(shù)要求，本文提出了一種將波束形成技術(shù)、分裂孔徑相位法和波達(dá)方向估計技術(shù)相結(jié)合的方法。水池試驗結(jié)果表明，該方法在聲吶陣有效陣面比較小的條件下，能夠獲得優(yōu)于常規(guī)技術(shù)的水平分辨率和垂直分辨率，測距誤差小于20 cm，適合在小型水下載體上應(yīng)用。

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Signal processing method for 3D forward-looking sonar

LIU Zhi-yu, LIU Xiao-dong, DONG Fei, LIU Xiao-gang

(Laboratory of Acoustic Technology,Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences,Beijng100190, China)

A signal processing method for 3D forward-looking Sonar based on Direction of Arrival Estimation is presented. Beamforming is used in horizontal direction of the receive array, and DOA estimation is employed in vertical direction. Phase estimation is also implemented to improve the resolution in horizontal direction for detecting continuous target. Finally the 3D image in the front of sonar array is formed. The results of tests show that the method can get higher resolution than the sonar using beamforming with the same area of receiver array. The sonar using the method is more suitable for underwater vehicles.

beamforming;direction of arrival estimation;phase estimation; 3D forward-looking sonar

TB565

A

1000-3630(2015)-04-0317-05

10.16300/j.cnki.1000-3630.2015.04.005

2014-07-16;

2014-10-12

國家863計劃項目(2006AA09Z119)

劉治宇(1978－), 男, 遼寧沈陽人, 博士, 副研究員, 研究方向為水聲信號處理、陣列信號處理。

劉治宇, E-mail: liuzhiyu@mail.ioa.ac.cn