（通信與信息系統(tǒng)專業(yè)論文）多波束海底測(cè)深隧道效應(yīng)及其自適應(yīng)消除方法研究.pdf

l + f c l a s s i f i e di n d e x ： 葉 u d c ： l 忡 ad is s e r t a ti o nf o rt h ed e g r e eo f m e n g s t u d y o nt u n n e le f f e c ti nm u l t i b e a m se a f l o o rb a t h y m e t r ya n d i t sa d a p t i v e e l i m i n a t i n gm e t h o d s c a n d i d a t e ：w e n gn i n g n i n g s u p e r v is o r ：p r o f e s s o rl ih a is e n a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l i t y ：c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m d a t eo fs u b m i s s i o n ：f e b r u a r y ，2 0 0 9 d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ：m a r c h ，2 0 0 9 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y j j 哈爾濱工程大學(xué) 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：本論文的所有工作，是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，由 作者本人獨(dú)立完成的。有關(guān)觀點(diǎn)、方法、數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)的引用已在 文中指出，并與參考文獻(xiàn)相對(duì)應(yīng)。除文中已注明引用的內(nèi)容外， 本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)公開發(fā)表的作品成果。對(duì) 本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式 標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。 作者( 簽字) ：翁乎學(xué) 日期：切o 年月p 日 哈爾濱工程大學(xué) 學(xué)位論文授權(quán)使用聲明 本人完全了解學(xué)校保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的有關(guān)規(guī)定，即研究生在校 攻讀學(xué)位期間論文工作的知識(shí)產(chǎn)權(quán)屬于哈爾濱工程大學(xué)。哈爾濱 工程大學(xué)有權(quán)保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件。 本人允許哈爾濱工程大學(xué)將論文的部分或全部?jī)?nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù) 庫(kù)進(jìn)行檢索，可采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本 學(xué)位論文，可以公布論文的全部?jī)?nèi)容。同時(shí)本人保證畢業(yè)后結(jié)合 學(xué)位論文研究課題再撰寫的論文一律注明作者第一署名單位為哈 爾濱工程大學(xué)。涉密學(xué)位論文待解密后適用本聲明。 本論文( 口在授予學(xué)位后即可囪在授予學(xué)位1 2 個(gè)月后口 解密后) 由哈爾濱工程大學(xué)送交有關(guān)部門進(jìn)行保存、匯編等。 作者( 簽字) ：翁吾香 日期：岬年；月p 日 導(dǎo)師( 簽字) 押哆年3 月 ，d - 哈爾濱工程大學(xué)碩十學(xué)位論文 掂面 于葡要 多波束測(cè)深儀是廣泛應(yīng)用于船舶上的高精度測(cè)深設(shè)備，以其出色的工作 效率和測(cè)深精度在海底地形的研究工作中發(fā)揮了巨大的作用，然而人們發(fā)現(xiàn) 系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)中的一些測(cè)深假象，這些假象影響測(cè)深精度，隧道效應(yīng)就是其 中一種典型的測(cè)深假象。如果對(duì)這些假象不加以處理，多波束測(cè)深系統(tǒng)將對(duì) 海底地形給出錯(cuò)誤的解釋，例如隧道效應(yīng)的出現(xiàn)，會(huì)使系統(tǒng)將相對(duì)平坦的海 底繪成兩端上翹凹面向上的水平半圓柱面海底地形。 本文是針對(duì)隧道效應(yīng)的消除工作而開展的研究，文中指出隧道效應(yīng)的產(chǎn) 生機(jī)理及影響。隧道效應(yīng)通常發(fā)生在平坦海底地形下，起源于旁瓣干擾由強(qiáng) 鏡向回波的能量被其余波束的旁瓣接收而引起。對(duì)此，本文首先仿真幾種用 于消除隧道效應(yīng)的自適應(yīng)算法性能，給出基本參數(shù)對(duì)算法收斂性能的影響， 然后根據(jù)自適應(yīng)干擾抵消原理，利用多種自適應(yīng)算法對(duì)國(guó)產(chǎn)首臺(tái)便攜式多波 束測(cè)深儀湖試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中的隧道效應(yīng)進(jìn)行消除處理。研究結(jié)果表明，誤差反 饋格型算法和后驗(yàn)g i v e n s 格型梯型算法能夠有效消除邊緣波束中的干擾， 并且可以快速跟蹤真實(shí)的海底回波信號(hào)；對(duì)于兩種算法存在的削弱中央波束 信號(hào)能量的問題，文中進(jìn)一步提出采用誤差反饋r l s l a g u e r r e 格型算法進(jìn)行 處理，通過對(duì)l a g u e r r e 極點(diǎn)位置的選取，該算法不僅能夠有效消除邊緣波束 中的干擾，而且可以有效保留中央波束信號(hào)的能量，湖試數(shù)據(jù)處理結(jié)果證明 該方法的有效性和實(shí)用性，從而提高了多波束測(cè)深設(shè)備的測(cè)深精度。 關(guān)鍵詞：多波束測(cè)深儀；隧道效應(yīng)；旁瓣干擾抵消；誤差反饋；r l s l a g u e r r e 格型算法 哈爾濱工程大學(xué)碩+ 學(xué)位論文 a b s t r a c t m u l t i - b e a me c h os o u n d e ri sah i g hp r e c i s i o nb a t h y m e t r i ce q u i p m e n tw h i c h i sw i d e l yu s e di nt h es h i pa n di th a sp l a y e dag r e a tr o l ei nt h et o p o g r a p h yr e s e a r c h w o r k 、i mh i g he f f i c i e n c ya n dp r e c i s i o nb a t h y m e t r y , h o w e v e r , t h ea r t i f a c t sh a s b e e nf o u n di nt h eo u t p u td a t aa n ds o m eo ft h ea r t i f a c t sa f f e c tt h eb a t h y m e t r i c a c c u r a c ya n dt h et u n n e le f f e c ti so n eo ft h et y p i c a la r t i f a c t t h eb a t h y m e t r i c s y s t e mw i l lg i v et h ew r o n ge x p l a n a t i o no ns e a f l o o rt e r r a i ni fy o ud on o td e a lw i t h t h eb a t h y m e t r i ca r t i f a c t s ，a n dt h es y s t e mw i l lm i s t a k er e l a t i v e l yf l a ts e a f l o o rf o r c o n c a v e - u ph o r i z o n t a lh a l fc y l i n d e rt e r r a i nb e c a u s eo f t u n n e le f f e c t t h ea i mo ft h i sa r t i c l ei st oe l i m i n a t et h et u n n e le f f e c t ，t h ea r t i c l ep o i n t so u t t h eg e n e r a t i o nm e c h a n i s ma n di n f l u e n c e t h et t m n e le f f e c tu s u a l l yo c c u r si naf l a t s e a f l o o rt e r r a i na n dr e s u l t sf r o ms i d el o b ei n t e r f e r e n c e ，b e c a u s et h es t r o n g s p e c u l a rb e a me n t e r i n gt h em a i nl o b eo fa n yo n eb e a ml e a k st h r o u g ht h es i d e l o b e so fa l lo t h e rb e a m s i nt h i sr e g a r d ，t h i sp a p e rf i r s ts i m u l a t e st h ep e r f o r m a n c e o fs e v e r a la d a p t i v ea l g o r i t h m sw h i c hu s et oe l i m i n a t et h et u n n e le f f e c t , g i v e st h e b a s i cp a r a m e t e r so nt h ec o n v e r g e n c ep e r f o r m a n c e t h e nt h el a k ee x p e r i m e n t a l d a t a 、析t ht u n n e le f f e c ti nt h ef i r s td o m e s t i cp o r t a b l em u l t i b e a me c h os o u n d e ri s c a r r i e do u tt oe l i m i n a t et h ei n t e r f e r e n c eu s i n gav a r i e t yo fa d a p t i v ea l g o r i t h m ，i n a c c o r d a n c e 、而t l lt h ep r i n c i p l eo fa d a p t i v ei n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n t h er e s u l t s s h o wt h a tt h ee r r o rf e e d b a c kl a t t i c ea l g o r i t h ma n dap o s t e r i o r ig i v e n s l a t t i c e - l a d d e ra l g o r i t h mc a l le f f e c t i v e l ye l i m i n a t et h e i n t e r f e r e n c e i nt h ee d g e b e a m ，a n dc a nf a s tt r a c kt h er e a ls e a f l o o re c h os i g n a l f o rt h ei s s u e st h a tt h et w o a l g o r i t h m sw e a k e n i n gs i g n a le n e r g yo ft h ec e n t r a lb e a m ，t h ea r t i c l ef u r t h e rb r i n g f o r w a r dt h ee r r o rf e e d b a c kr l s l a g u e r r el a t t i c ea l g o r i t h m t h ea l g o r i t h mc a nn o t o n l ye f f e c t i v e l ye l i m i n a t et h ei n t e r f e r e n c ei nt h ee d g eb e a m ，b u ta l s ob ea b l et o r e t a i nt h es i g n a le n e r g yi nt h ec e n t r a lb e a m 、析t l ls e l e c t i n gl a g u e r r ep o l e t h e p r o c e s s i n gr e s u l t so fl a k ee x p e r i m e n t a ld a t ap r o v et h ev a l i d i t ya n dp r a c t i c a b i l i t y o ft h i sm e t h o dw h i c hc a l le n h a n c et h eb a t h y m e t r i cp r e c i s i o no fm u l t i - b e a m 哈爾濱丁程大學(xué)碩士學(xué)位論文 b a t h y m e t r ye q m p m e m k e yw o r d s ：m u l t i b e a me c h os o u n d e r ；t u n n e le f f e c t ；s i d el o b ei n t e r f e r e n c e e l i m i n a t i n g ；e r r o rf e e d b a c k ；r l s l a g u e r r el a t t i c ea l g o r i t h m 哈爾濱丁程大學(xué)碩十學(xué)1 = 7 ：論文 目錄 第1 章緒論1 1 1 課題背景1 1 2 國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展與現(xiàn)狀2 1 2 1 多波束測(cè)深系統(tǒng)及測(cè)深假象綜述”2 1 2 2 相關(guān)的自適應(yīng)算法概述”4 1 3 論文主要研究?jī)?nèi)容6 第2 章多波束測(cè)深聲吶探測(cè)中的隧道效應(yīng)”8 2 1 多波束測(cè)深聲吶的測(cè)深原理8 2 2 隧道效應(yīng)的特性1 1 2 2 1 鏡面區(qū)域與非鏡面區(qū)域的回波特點(diǎn)1 l 2 2 2 隧道效應(yīng)產(chǎn)生的原因1 2 2 2 3 旁瓣干擾的影響”13 2 3 隧道效應(yīng)的消除方法15 2 3 1 設(shè)置海底跟蹤門1 5 2 3 2 設(shè)置動(dòng)態(tài)門限1 6 2 3 3 采用自適應(yīng)干擾抵消方法1 7 2 4 本章小結(jié)2 0 第3 章用于消除隧道效應(yīng)的自適應(yīng)算法2 1 3 1 自適應(yīng)濾波器原理2 l 3 2 最小均方算法2 4 3 2 1l m s 算法的導(dǎo)出2 4 3 2 2 自適應(yīng)均衡實(shí)驗(yàn)2 7 3 2 3 步長(zhǎng)對(duì)l m s 算法的影響2 9 3 2 4 條件數(shù)對(duì)l m s 算法的影響3 0 3 3 遞歸最小二乘算法3 0 3 3 1r l s 算法的導(dǎo)出3 1 3 3 2 遺忘因子的影響3 5 哈爾濱丁程大學(xué)碩士學(xué)位論文 3 3 3 初始值的影響3 6 3 3 4 加窗法的影響3 7 3 3 5 條件數(shù)的影響3 8 3 3 6 兩種算法性能的比較3 9 3 4 誤差反饋格型遞歸最小二乘算法4 0 3 5 后驗(yàn)形式無平方根g i v e n sl s 格型梯型算法4 3 3 5 1 后驗(yàn)g i v e n sl s 格型梯型算法的推導(dǎo)4 4 3 5 2 系統(tǒng)辨識(shí)模型4 9 3 5 3 后驗(yàn)g i v e n s 格型算法的性能分析5 0 3 6 本章小結(jié)5 3 第4 章隧道效應(yīng)的消除處理5 4 4 1 便攜式多波束測(cè)深儀湖試實(shí)驗(yàn)情況說明5 4 4 2 采用e f l r l s 算法進(jìn)行湖試數(shù)據(jù)處理5 5 4 2 1 單級(jí)處理5 6 4 2 2 級(jí)聯(lián)處理6 1 4 3 采用后驗(yàn)形式無平方根g i v e n sl s 格型梯型算法處理6 2 4 3 1 后驗(yàn)g i v e n s 格型算法的處理結(jié)果6 2 4 3 2 后驗(yàn)g i v e n s 格型算法的s y s t o l i c 實(shí)現(xiàn)6 7 4 4 誤差反饋r l s l a g u e r r e 格型算法6 9 4 4 1l a g u e r r e 格型濾波器6 9 4 4 2 誤差反饋r l s - l a g u e r r e 格型算法的性能分析7 2 4 4 3 對(duì)隧道效應(yīng)的處理7 3 4 5 本章小結(jié)7 9 結(jié) 侖8 0 參考文獻(xiàn)8 1 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文和取得的科研成果8 9 致j 射9 0 0 l _ 哈爾濱工程大學(xué)碩十學(xué)位論文 第1 章緒論 1 1 課題背景 多波束測(cè)深聲吶作為當(dāng)前最重要的海底探測(cè)設(shè)備以其出色的工作效率和 測(cè)深精度已經(jīng)逐漸成為現(xiàn)代海洋監(jiān)測(cè)與海底資源調(diào)查的最重要科學(xué)工具之 一。然而，人們?cè)诮忉尪嗖ㄊ鴾y(cè)深聲吶實(shí)際測(cè)量結(jié)果時(shí)，通過對(duì)大批試驗(yàn)數(shù) 據(jù)的反復(fù)觀察，特別是利用海底等深線圖對(duì)海底地形進(jìn)行分析時(shí)，經(jīng)常會(huì)發(fā) 現(xiàn)系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)中存在一些測(cè)深假象1 ( b a t h y m e t r i ca r t i f a c t s ) ，這些測(cè)深假 象會(huì)對(duì)海底地形給出錯(cuò)誤的解釋，并導(dǎo)致海底假地形的產(chǎn)生。如果不能及時(shí) 發(fā)現(xiàn)和識(shí)別這些測(cè)深假象或是對(duì)其處理不當(dāng)將導(dǎo)致整個(gè)探測(cè)數(shù)據(jù)失效，其不 利影響主要包括：( 1 ) 混淆真實(shí)海底地形情況；影響對(duì)海底地形的觀察與利 用，甚至導(dǎo)致對(duì)海底資源的勘探與開發(fā)失?。? 2 ) 海上測(cè)量成本十分昂貴， 失效測(cè)量必將導(dǎo)致巨大的人力、物力和資金的浪費(fèi)，而重新測(cè)量又將導(dǎo)致測(cè) 繪成本進(jìn)一步增加；( 3 ) 影響對(duì)多波束測(cè)深聲吶設(shè)備性能的客觀評(píng)價(jià)，不解 決這個(gè)問題勢(shì)必影響多波束測(cè)深設(shè)備的推廣與應(yīng)用。 在復(fù)雜海底情況下，這些測(cè)深假象已通過比較交叉測(cè)深條帶和分析數(shù)字 化原始聲學(xué)數(shù)據(jù)得到了證實(shí)。在國(guó)內(nèi)外多波束測(cè)深聲吶研制過程中都發(fā)現(xiàn)了 這個(gè)客觀現(xiàn)象的存在，這些測(cè)深假象與通常所說的由于設(shè)備的意外或偶然因 素造成的個(gè)別或少量測(cè)量異常值是不同的。例如最典型的“隧道效應(yīng)”( t u n n e l e f f e c t ) 和“q 效應(yīng) ( o m e g ae f f e c t ) 就屬于測(cè)深假象范疇。由于海底地形的 復(fù)雜性和不可見性，在沒有事先確切獲知海底地形信息的情況下，分析和發(fā) 現(xiàn)這些測(cè)深假象的產(chǎn)生原因并最終將這些假象消除并不容易，這是因?yàn)楫a(chǎn)生 這些假象的起因通常并不是由單一因素造成的。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，這種錯(cuò)誤的起因 主要不是因?yàn)槭褂玫牡壬罹€算法存在錯(cuò)誤，而是和海底回波的檢測(cè)和信號(hào)處 理方法有關(guān)，如和旁瓣干擾和數(shù)據(jù)中斷等內(nèi)因有關(guān)，也和多種外因密切相關(guān)， 例如和海底地形特征的復(fù)雜程度( 如地質(zhì)或斜坡的突然變化等) 有很大關(guān)系， 或是來自于其它聲源的干擾( 比如地震源、艦船噪聲干擾、電干擾和海洋內(nèi) 部的各種干擾等) 。由于這些因素互相聯(lián)系，且可能存在于多波束測(cè)深聲吶對(duì) 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 海底探測(cè)的多個(gè)環(huán)節(jié)，因此一直是困擾從事多波束測(cè)深設(shè)備以及類似聲吶設(shè) 備理論研究與工程實(shí)踐者的難點(diǎn)問題。 經(jīng)過分析，引起測(cè)深假象的原因主要有內(nèi)因和外因兩個(gè)方面。其中內(nèi)因 主要包括對(duì)海底信號(hào)檢測(cè)或海底地形跟蹤方法不當(dāng)、幅度檢測(cè)法和相位檢測(cè) 法隨海底地形變化的調(diào)整準(zhǔn)則不當(dāng)、后期成圖時(shí)對(duì)野值和數(shù)據(jù)中斷的處理不 當(dāng)?shù)龋煌庖蛑饕曀偬荻瓤? 影響、海底地形的復(fù)雜性對(duì)信號(hào)處理方法的 影響以及外部干擾源等因素。對(duì)待多波束測(cè)深聲吶中存在的這些問題，必須 加以認(rèn)真分析和處理，才能實(shí)現(xiàn)有效的寬覆蓋探測(cè)。由于測(cè)深假象的產(chǎn)生機(jī) 理，同樣可能存在于類似的其它海底聲學(xué)探測(cè)設(shè)備上，研究這些測(cè)深假象的 識(shí)別與消除方法也可以方便的移植到其它測(cè)量設(shè)備上，或者被其他海底探測(cè) 設(shè)備設(shè)計(jì)者所借鑒，從而提高探測(cè)設(shè)備的質(zhì)量，增強(qiáng)測(cè)量結(jié)果的可信度，因 此具有重要的理論和實(shí)際意義。 本文基于課題組正在承擔(dān)的國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“超寬覆蓋多波束測(cè) 深假象產(chǎn)生機(jī)理與消除方法研究 ，針對(duì)該自然科學(xué)基金中提出的三種測(cè)深假 象“隧道效應(yīng)”、“q 效應(yīng)”和“判據(jù)模糊效應(yīng)”之一隧道效應(yīng)進(jìn)行深入 研究，對(duì)隧道效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行理論分析，并提出采用自適應(yīng)抵消算法來 消除這種隧道效應(yīng)，仿真和實(shí)際湖試數(shù)據(jù)處理證明了方法的有效性，對(duì)今后 課題組研制多波束測(cè)深儀具有重要的理論指導(dǎo)和實(shí)際工程意義。 1 2 國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展與現(xiàn)狀 多波束測(cè)深系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)技術(shù)、導(dǎo)航定位技術(shù)、傳感器技術(shù)及信號(hào)處理 技術(shù)等多種技術(shù)的高度組合。根據(jù)多波束測(cè)深系統(tǒng)中測(cè)深假象產(chǎn)生原因和特 點(diǎn)以及自適應(yīng)抵消算法的性能，采用自適應(yīng)抵消算法來消除隧道效應(yīng)具有一 定的可行性。下面就對(duì)多波束測(cè)深系統(tǒng)中的測(cè)深假象及自適應(yīng)算法的研究現(xiàn) 狀進(jìn)行簡(jiǎn)要的論述。 1 2 1 多波束測(cè)深系統(tǒng)及測(cè)深假象綜述 在國(guó)外隨著多波束測(cè)深設(shè)備和技術(shù)的發(fā)展，關(guān)于測(cè)量質(zhì)量的問題逐漸被 提出來，并引起從事多波束測(cè)深儀探測(cè)理論和設(shè)備研制人員以及廣大用戶的 關(guān)注。到上世紀(jì)8 0 年代中期，c h r i s t i a n d e m o u s t i e r 對(duì)s e ab e a m 多波束測(cè)深 2 哈爾濱丁程大學(xué)碩十學(xué)位論文 聲吶測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提出多波束測(cè)深系統(tǒng)中的測(cè)深假象，指出如何識(shí)別 諸如隧道效應(yīng)、q 效應(yīng)、外部聲源干擾及數(shù)據(jù)中斷等引起的測(cè)深假象，并探 討了可能的解決方案。上世紀(jì)8 0 年代末9 0 年代初，d i m i t r ia l e x a n d r o u 針 對(duì)測(cè)深中的隧道效應(yīng)提出初步的解決方案，利用自適應(yīng)噪聲抵消( a d a p t i v e n o i s ec a n c e l i n g ) 原理消除海底散射回波中的旁瓣干擾，采用最小二乘格型 濾波器實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)噪聲抵消器。在隨后的工作中進(jìn)一步對(duì)復(fù)數(shù)值水聲數(shù)據(jù)采 集系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行了干擾抵消處理，引入相似比參數(shù)來觀察旁瓣干擾的 消除情況，指出濾波器處理性能的好壞與自適應(yīng)算法的初始狀態(tài)和參數(shù)選取 有一定關(guān)系h 1 。但由于旁瓣干擾的多種情況導(dǎo)致要根據(jù)不同情況選擇不同的 參考波束，自適應(yīng)噪聲抵消器對(duì)中央波束信號(hào)的影響，這些問題并沒有得到 解決，使其難以應(yīng)用于多波束測(cè)深聲吶的實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)中。9 0 年代初，j a m e s a r n o l d 提出采用海底二維空間統(tǒng)計(jì)模型的海底表面編織法，在每一時(shí)刻對(duì)每 個(gè)波束根據(jù)多門限給出可能的侯選深度值，由信號(hào)、噪聲以及海底表面的統(tǒng) 計(jì)模型組成海底評(píng)價(jià)函數(shù)，根據(jù)一定的準(zhǔn)則搜索函數(shù)的最優(yōu)值，依此作為海 底深度的真實(shí)值閣。這種基于海底表面重建的方法能在一定程度上解決探測(cè) 中的測(cè)深假象，但是由于要建立信號(hào)、噪聲以及海底表面的先驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型， 其使用受到一定的限制。 2 0 0 0 年以后，國(guó)際上多波束測(cè)深設(shè)備開始進(jìn)入超寬覆蓋探測(cè)階段，國(guó)外 典型產(chǎn)品的覆蓋寬度一般達(dá)到6 8 倍甚至超過1 0 倍。為了最大限度的增大覆 蓋寬度，并保證中央波束與邊緣波束測(cè)量結(jié)果的一致性，目前普遍將幅度檢 測(cè)法與相位檢測(cè)法相結(jié)合。一般在海底鏡面區(qū)域，由于聲波接近垂直入射海 底，回波信號(hào)很強(qiáng)且集中在波束主軸上，每個(gè)波束內(nèi)的回波到達(dá)時(shí)間根據(jù)信 號(hào)波束形成崢1 后的幅度進(jìn)行檢測(cè)，也就是常說的幅度檢測(cè)法1 ，如能量中心法、 w m t ( w e i g h t e dm e a nt i m e ) 等；而在非鏡面區(qū)域，由于聲波傾斜入射、接 收陣的有效尺寸減小且由于傾斜海底返回來的是散射信號(hào)，海底接收信號(hào)的 幅度平坦且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，基于幅度的檢測(cè)方法不能給出高精度的到達(dá)時(shí)間 ( t o a ，t i m eo f a r r i v a l ) 估計(jì)，因此現(xiàn)代多波束測(cè)深系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)寬覆蓋探 測(cè)必須使用相位檢測(cè)法隅1 ，如分裂子陣相關(guān)器、b d i ( b e a r i n gd i r e c t i o n i n d i c a t o r ) 等。由于事先并不知道海底地形的實(shí)際情況，在兩種算法的使用 哈爾濱t 程大學(xué)碩十學(xué)位論文 中往往需要人為設(shè)置某些準(zhǔn)則或者判據(jù)，以便恰當(dāng)?shù)慕缍▋烧叩挠行^(qū)間， 或者在事后處理時(shí)再按照某種判決準(zhǔn)則人工選擇其中最佳的。但是這些判據(jù) 設(shè)置對(duì)海底地形有依賴性，而被測(cè)地形又是無法事先獲知的，由此導(dǎo)致海底 檢測(cè)方法選擇不當(dāng)產(chǎn)生的測(cè)深假象被稱為“判據(jù)模糊效應(yīng)”，它是近年來實(shí)現(xiàn) 超寬覆蓋海底探測(cè)必須解決的熱點(diǎn)問題之一。 國(guó)內(nèi)從上世紀(jì)8 0 年代中期開始獨(dú)立自主研制多波束測(cè)深儀唧，到1 9 9 9 年研制成功國(guó)內(nèi)首臺(tái)裝船多波束條帶測(cè)深儀。在對(duì)多波束測(cè)深設(shè)備的研究中， 對(duì)測(cè)深效果的影響因素的研究構(gòu)成了重要的一部分，測(cè)深過程中的影響因素 及其對(duì)測(cè)深的作用效果，是高精度海洋測(cè)深必須研究的關(guān)鍵問題。目前對(duì)多 波束測(cè)深技術(shù)測(cè)量效果的研究主要包括以下幾個(gè)方面： ( 1 ) 測(cè)深效果影響因素的研究。近年來這方面的研究有波束角效應(yīng)的影 響【1 0 1 、波束角效應(yīng)和波浪效應(yīng)的耦合機(jī)制及其改正、邊緣波束誤差的綜合 校正m 1 、換能器艏線偏移的校正、系統(tǒng)延時(shí)效劇1 4 1 、深水淺報(bào)效應(yīng)1 、船姿 效應(yīng)6 。，隧道效應(yīng)u 刀等，為高精度水深測(cè)量提供了改正模型和改正方法。 ( 2 ) 異常測(cè)深數(shù)據(jù)的探測(cè)研究。海洋動(dòng)態(tài)環(huán)境易導(dǎo)致異常水深數(shù)據(jù)，探 測(cè)并消除異常數(shù)據(jù)是保證海洋測(cè)深數(shù)據(jù)質(zhì)量的基礎(chǔ)工作。這方面的研究有抗 差回歸分析法來抵制測(cè)深粗差的污梨塒、抗差k a l m a n 濾波9 1 、序統(tǒng)計(jì)濾波， 自適應(yīng)濾波瞄u 等，這些方法對(duì)提高測(cè)深數(shù)據(jù)質(zhì)量有一定的效果和適應(yīng)性。 ( 3 ) 多波束測(cè)深系統(tǒng)的研究。多波束測(cè)深系統(tǒng)效率高的優(yōu)越性使其成為 海洋測(cè)深的主要技術(shù)，這方面的研究主要包括多波束測(cè)深系統(tǒng)中的安裝校準(zhǔn) 誤差影響規(guī)律研究田1 、多波束相位差序列模型的建立口3 1 、瞬間到達(dá)角和旅行 時(shí)的精確確定1 、多波束測(cè)深的聲速改正口5 嘲、多波束信號(hào)的多子陣幅度相位 聯(lián)合檢測(cè)口等。 1 2 2 相關(guān)的自適應(yīng)算法概述 自適應(yīng)信號(hào)處理由優(yōu)化理論發(fā)展而來，由于具有更強(qiáng)的適應(yīng)性和更優(yōu)的 濾波性能，從而廣泛應(yīng)用于通信、系統(tǒng)辨識(shí)、回波消除、自適應(yīng)譜線增強(qiáng)、 自適應(yīng)信道均衡、語音線性預(yù)測(cè)和自適應(yīng)陣列等諸多領(lǐng)域。自適應(yīng)濾波算法 的研究是自適應(yīng)信號(hào)處理中最為活躍的研究課題之一，包括線性自適應(yīng)算法 和非線性自適應(yīng)算法。非線性自適應(yīng)算法包括v o l t e r r a 算法和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 4 平方和達(dá)到最小，與l m s 算法相比具有快速的跟蹤能力，即使是在輸入信號(hào) 相關(guān)矩陣特征值擴(kuò)展比較大的情況下，但是r l s 算法的計(jì)算復(fù)雜度高，所需 的存儲(chǔ)量很大，不利于實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)；如果被估計(jì)的自相關(guān)矩陣的逆矩陣失去正 定性，還將引起算法的發(fā)散。許多文獻(xiàn)提出改進(jìn)的r l s 算法，例如：格型遞 歸最小二乘( l r l s ) 算法p 9 1 、快速跟蹤抗噪聲r(shí) l s 算法嗍、快速橫向?yàn)V波器 ( f t f ) 算法一u 等，這些算法具有很低的復(fù)雜度，但遺憾的是，這些算法對(duì)于 量化效應(yīng)非常敏感，如果不采取措施，算法就會(huì)不穩(wěn)定心1 。l r l s 算法就是將 最小二乘準(zhǔn)則用于求解最佳前向、后向預(yù)測(cè)器系數(shù)，進(jìn)行時(shí)間和階數(shù)更新以 及聯(lián)合過程估計(jì)。l r l s 算法的算術(shù)運(yùn)算量很低，是r l s 問題的快速實(shí)現(xiàn)算 法，其數(shù)字精度比常規(guī)i l l s 算法的精度高，對(duì)舍入誤差的不敏感性甚至優(yōu)于 l m s 算法。 基于q r 分解及逆q r 分解的r l s 算法，進(jìn)一步提高了r l s 算法的穩(wěn)健 性和跟蹤能力。矩陣的q r 分解是信號(hào)處理中常用的一種矩陣分解，q r 分解 的q 表示一個(gè)酉矩陣，r 表示一個(gè)上三角矩陣。基于q r 分解的r l s ( q r r l s ) 算法對(duì)輸入信號(hào)矩陣直接進(jìn)行更新，因此在有限精度運(yùn)算條件下，具有良好 哈爾濱丁程大學(xué)碩+ 學(xué)位論文 的數(shù)值穩(wěn)定性，而且可以采用s y s t o l i c 處理結(jié)構(gòu)高效實(shí)現(xiàn)一“，因而在空域信號(hào) 處理中獲得廣泛應(yīng)用?；趒 r 分解的格型r l s 算法可以利用多種方法，如 采用格型方式產(chǎn)生快速q r r l s 算法1 ，基于q r 分解避免利用l r l s 算法 的多信道問題中存在的協(xié)方差矩陣求逆問題h ”，基于q r 分解的自適應(yīng) k a l m a n 濾波算法1 等。各種q r 分解的快速自適應(yīng)濾波算法直接計(jì)算估計(jì)誤 差，并不需要更新權(quán)系數(shù)向量，而基于逆q r 分解的r l s 算法可以直接更新 權(quán)系數(shù)h 4 引，并且避免復(fù)雜的后向代入運(yùn)算。多篇文獻(xiàn)討論了q r r l s 算法 的實(shí)現(xiàn)問題，文獻(xiàn) 4 9 確定了g i v e n s 旋轉(zhuǎn)的余弦和正弦穩(wěn)態(tài)值的表達(dá)式，以 及存儲(chǔ)于處理單元的信息的動(dòng)態(tài)范圍的界，文獻(xiàn) 5 0 l 針對(duì)q r r l s 算法的傳 統(tǒng)形式和脈動(dòng)陣實(shí)現(xiàn)，給出所有內(nèi)部變量動(dòng)態(tài)范圍的完全定量分析。 總之算法的應(yīng)用是推動(dòng)自適應(yīng)算法研究的動(dòng)力，未來尋求收斂速度快， 算法復(fù)雜度低，數(shù)值穩(wěn)定性好和易于實(shí)現(xiàn)的自適應(yīng)濾波算法是研究人員不斷 努力追求的目標(biāo)。 綜上所述，從國(guó)內(nèi)外論文的研究方向看，多數(shù)論文側(cè)重于解決海洋生產(chǎn) 實(shí)踐的具體需要，而對(duì)問題本質(zhì)的理論研究偏少。盡管如此，國(guó)內(nèi)的研究進(jìn) 展也是十分明顯的，其發(fā)展趨勢(shì)是圍繞測(cè)深精度、異常水深數(shù)據(jù)處理、干擾 消除應(yīng)用的算法研究和超寬覆蓋寬度指標(biāo)保障等前沿性研究工作：但是，對(duì) 多波束測(cè)深的信號(hào)可靠性檢測(cè)、各種因素對(duì)測(cè)深假象的影響機(jī)制及測(cè)深假象 的消除方法等理論問題研究相對(duì)較少。尚未有系統(tǒng)地、全面地研究多波束探 測(cè)系統(tǒng)中測(cè)深假象的機(jī)理分析和消除方法，這也是制約國(guó)產(chǎn)多波束測(cè)深設(shè)備 技術(shù)指標(biāo)提高和推廣應(yīng)用的因素之一。 1 3 論文主要研究?jī)?nèi)容 本論文主要研究多波束測(cè)深聲吶中的一種測(cè)深假象隧道效應(yīng)，從理 論上分析隧道效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理，利用自適應(yīng)算法對(duì)引起隧道效應(yīng)的旁瓣干擾 進(jìn)行消除處理，數(shù)據(jù)來自課題組獨(dú)立研制出的國(guó)內(nèi)首臺(tái)便攜式多波束測(cè)深儀 的松花湖湖試實(shí)驗(yàn)，并研究幾種用于消除隧道效應(yīng)的自適應(yīng)算法的消除性能 及效果。 論文主要研究?jī)?nèi)容如下： 第一章主要介紹本文研究的課題背景及國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展與現(xiàn)狀，指出研 6 中央波束的信號(hào)能量，具有更理想的性能。 論文最后對(duì)研究的內(nèi)容進(jìn)行了總結(jié)。 7 備，它極大地改 的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，人 出錯(cuò)誤的解釋， 要的影響。 、測(cè)繪速度以及 束到海底的斜距 ( 2 1 ) ，邊緣波束的聲 線到海底的掠射角越小，海底散射強(qiáng)度越小，所能達(dá)到的斜距將越小。多波 束測(cè)深聲吶的分辨力指的是兩個(gè)相鄰深度數(shù)據(jù)點(diǎn)的最小水平距離間隔，它決 定了對(duì)波束的間隔和波束寬度的要求。測(cè)繪速度的定量描述是單位時(shí)間內(nèi)的 測(cè)繪面積，顯然測(cè)繪速度取決于條帶寬度和最大允許航測(cè)速度兩者。最小和 最大工作深度是指可以進(jìn)行深度測(cè)量的換能器下方海底的深度范圍，若最大 工作深度很大，則決定系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)須采用較低的頻率、較大的基陣尺寸；若 要求最小工作深度值很小，則意味著聲吶的盲區(qū)很小，從而必須在淺水時(shí)采 用極短的發(fā)射脈沖p n 。 多波束測(cè)深聲吶的測(cè)深原理是利用對(duì)每個(gè)交叉波束內(nèi)的反向散射回波信 號(hào)進(jìn)行t o a 和到達(dá)角度( d o a ，d i r e c t i o no f a r r i v a l ) 的估計(jì)，如圖2 1 所示 的是多波束測(cè)深聲吶發(fā)射的一個(gè)傾斜向下的波束，圖中秒為波束入射角，口為 掠射角， 為3 d b 波束寬度，日為海底深度。若測(cè)得信號(hào)從換能器發(fā)射到海 底回波返回?fù)Q能器的往返時(shí)間t ，在已知波束入射角0 和水中聲速c 的情況 下，即可由下式算出被照射海底區(qū)域( 稱為足跡或腳印) 對(duì)應(yīng)的深度： 日= j 1c f c 。s ( 口) ( 2 - 2 ) 8 哈爾濱下程大學(xué)碩士學(xué)位論文 海面 海底 h 波束指向 。 圖2 1 傾斜波束入射海底 多波束測(cè)深聲吶在一次信號(hào)發(fā)射中測(cè)繪一個(gè)連續(xù)或間隔很小的海底區(qū) 通常是橫向的一些點(diǎn)條，該區(qū)域稱為條帶( s w a t h ) ，橫向的寬度稱為條 劇5 2 1 。若在船前進(jìn)方向( 與船龍骨平行) 上布設(shè)一直線陣用于發(fā)射信號(hào)， 下方將形成一個(gè)窄波束( 見圖2 2 ) ，照射一個(gè)橫向的窄條帶。如仍用這 陣接收，接收的也是這個(gè)條帶的海底回波。此時(shí)無法確定回波發(fā)生在該 刖 圖2 2 發(fā)射線陣激勵(lì)海底的情況 條帶的什么位置，因此也無法測(cè)出具體海底點(diǎn)的深度。如果利用一個(gè)與發(fā)射 陣垂直布設(shè)的接收陣接收回波，則被發(fā)射陣照射的海底條帶將被接收陣觀察 的條帶截取( 見圖2 3 ) 。截取的小面積對(duì)應(yīng)于發(fā)射束寬和接收束寬，此時(shí)盡 管整個(gè)被照射區(qū)均產(chǎn)生回波，但只有發(fā)射陣照射和接收陣觀察到的一小部分 海底的回波可以被接收到，從而可測(cè)出這一交叉覆蓋面積的深度，這種收發(fā) 9 哈爾濱工程大學(xué)碩十學(xué)位論文 的交叉安排稱為m i l l s 交叉1 。 接收 被激勵(lì)的海底條帶收發(fā)波束交叉部分 圖2 3 發(fā)射接收線陣交叉的情況 若接收波束被控制到其它方向，則可觀察多個(gè)角度的回波。換言之，即 多個(gè)被控的接收波束觀察被照射區(qū)域離散位置的回波，從而測(cè)出各個(gè)小 的回波到達(dá)時(shí)間，進(jìn)而得到各點(diǎn)的深度和對(duì)應(yīng)的水平位置。構(gòu)成多波束 接收的情況如圖2 4 所示，簡(jiǎn)言之，利用m i l l s 交叉技術(shù)的多波束測(cè)深儀，它 的兩個(gè)基陣成垂直放置，使用一個(gè)寬發(fā)射波束，而使用多個(gè)窄接收波束。為 了提高測(cè)繪速度，也可以采用相控發(fā)射技術(shù)，沿船前進(jìn)方向形成多個(gè)發(fā)射波 束。實(shí)際使用時(shí)，使用兩個(gè)獨(dú)立的接收基陣分別安裝在船的左、右兩側(cè)，各 自覆蓋左、右兩側(cè)海底的探測(cè)，而發(fā)射陣使用一個(gè)，沿龍骨安裝。 接收波 發(fā)射波束 圖2 4 多波束測(cè)深儀原理示意圖 1 0 的條帶 哈爾濱t 程大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 2 隧道效應(yīng)的特性 多波束測(cè)深聲吶中的隧道效應(yīng)來源于旁瓣干擾，接收的鏡面區(qū)域波束波 形尖銳幅度很強(qiáng)，其能量被其余波束的旁瓣所接收，當(dāng)被測(cè)量的海底相對(duì)平 坦且具有很強(qiáng)反射性時(shí)，旁瓣干擾現(xiàn)象更加明顯，這種同時(shí)加在其余波束上 的旁瓣干擾，使系統(tǒng)繪出兩邊上翹凹面向上的水平半圓柱面海底地形，出現(xiàn) 所謂的“隧道效應(yīng) 。隧道效應(yīng)起源于旁瓣干擾，而旁瓣干擾的出現(xiàn)與鏡面區(qū) 域和非鏡面區(qū)域的回波特點(diǎn)有著密切的關(guān)系。 2 2 1 鏡面區(qū)域與非鏡面區(qū)域的回波特點(diǎn) 在鏡面反射區(qū)域和非鏡面反射區(qū)域，接收波束內(nèi)的回波特點(diǎn)有所不同。 在鏡面反射區(qū)域，波束指向近似與海底垂直，聲波近似垂直照射正下方的海 底區(qū)域，接收波束在海底的腳印很小，在波束范圍內(nèi)照射聲波幾乎同時(shí)到達(dá) 海底，因此產(chǎn)生了波形尖銳、持續(xù)時(shí)間十分短暫的回波信號(hào)，并且因?yàn)殓R面 區(qū)域的聲波走過最短的聲程，傳播損失最小它的幅度也最強(qiáng)酬。而非鏡面區(qū) 域指的是聲波以小掠射角照射的海底區(qū)域，海底散射強(qiáng)度較小，接收基陣在 傾斜方位的有效孔徑減小，導(dǎo)致了接收波束腳印增大( 見圖2 5 ) ，接收到的 回波信號(hào)會(huì)有較長(zhǎng)的持續(xù)時(shí)間。因?yàn)榉晴R面區(qū)域的回波傳播聲程較長(zhǎng)，傳播 損失大，在一個(gè)波束內(nèi)來自不同角度的回波在時(shí)間上是擴(kuò)散的，導(dǎo)致回波信 號(hào)的幅度較小且有較大的展寬，如圖2 6 所示。 鏡面區(qū)域接收波束腳印非鏡面區(qū)域接收波束腳印 圖2 5 鏡面區(qū)域與非鏡面區(qū)域的腳印 哈爾濱工程大學(xué)碩+ 學(xué)位論文 幅度 圖2 6 鏡面區(qū)域與非鏡面區(qū)域的回波特點(diǎn) 2 2 2 隧道效應(yīng)產(chǎn)生的原因 時(shí)間 通常一個(gè)海底回波信號(hào)會(huì)出現(xiàn)在兩個(gè)波束之間。這個(gè)回波將使周圍的若 干個(gè)波束產(chǎn)生較高的幅值，越是接近的波束就得到越強(qiáng)的幅值，同時(shí)在其它 方向的波束也有一定的響應(yīng)。這是因?yàn)楦鱾€(gè)波束的主瓣均有一定的寬度，而 且有旁瓣存在。在每個(gè)時(shí)間片所有波束的輸出數(shù)據(jù)( 各時(shí)間片的間隔是采樣 周期，一個(gè)發(fā)射脈沖收發(fā)期間所得到的所有有效時(shí)間片的總和稱為一個(gè)數(shù)據(jù) 塊) 里系統(tǒng)記錄了上述出現(xiàn)的情況，同時(shí)這些時(shí)間片也記錄了噪聲引起的幅 值。此外，它們可能記錄了一個(gè)、多個(gè)或根本就沒有來自海底的回波信號(hào)， 由于海底回波信號(hào)的指向與若干波束的旁瓣指向一致，所以這些波束的旁瓣 就接收了較高的幅值。 假定海底比較平坦，發(fā)射換能器發(fā)射一個(gè)短脈沖，并以球面擴(kuò)展規(guī)律向 下傳播。在脈沖發(fā)射之后f 1 時(shí)刻，聲波已到達(dá)海底，但只與正下方海底有一 點(diǎn)接觸。在2 時(shí)刻的時(shí)間片中含有這一回波，但它的到達(dá)方向口。并不一定正 好是某個(gè)控制波束的指向，為說明方便，這里假定只形成1 2 個(gè)波束，到達(dá)方 向見一般落在兩個(gè)控制波束指向之間( 見圖2 7 ) 。由于波束有一定的寬度， 同一海底回波總是可以同時(shí)被若干個(gè)波束接收到，靠近回波信號(hào)角度的控制 波束有較大的幅度值，其它遠(yuǎn)離這一方向的波束輸出幅度較小，主要貢獻(xiàn)是 體積混響p 列和背景噪聲。在2 時(shí)刻造成幾個(gè)波束有角度輸出的原因是各個(gè)波 束主瓣均有一定的寬度，而且有旁瓣存在。因此，在一個(gè)時(shí)間片中要將真實(shí) 回波信號(hào)與噪聲和旁瓣接收的信號(hào)分開，需要根據(jù)噪聲和旁瓣級(jí)的大小計(jì)算 1 2 哈爾濱丁程大學(xué)碩士學(xué)位論文 動(dòng)態(tài)門限，對(duì)同一時(shí)l 、日j 片選取不同的幅度門限。 幅度 吼 圖2 72 厶時(shí)刻的波束輸出 2 2 3 旁瓣干擾的影響 多波束測(cè)深聲吶中的隧道效應(yīng)來源于旁瓣干擾，當(dāng)海底相對(duì)平坦且具有 很強(qiáng)反射性時(shí)，鏡向波束由于垂直入射海底并且在水中傳播時(shí)間短，因而海 底回波信號(hào)很強(qiáng)，其能量被其余波束的旁瓣所接收，這種干擾同時(shí)加在所有 其余波束上。如圖2 8 所示，圖中采用切比雪夫加權(quán)，旁瓣被壓低3 0 d b ，入 射角為0 。的鏡向波束，其功率是外側(cè)波束功率的1 0 倍，鏡向波束進(jìn)入外側(cè) 波束的主瓣，同時(shí)很強(qiáng)的鏡向波束能量被外側(cè)波束的旁瓣所接收，鏡向波束 相對(duì)于外側(cè)波束來說是一個(gè)強(qiáng)干擾，這個(gè)強(qiáng)干擾被外側(cè)波束的旁瓣接收到。 圖中加三角線是鏡向波束，加星線是外側(cè)波束，加圓圈線是實(shí)際形成的波束 輸出，鏡向波束的能量泄露入外側(cè)波束中，使得同一時(shí)刻所有的預(yù)成波束均 顯示收到信號(hào)。 旁瓣響應(yīng)使海底散射回波的能量中心向旁瓣方向發(fā)生了偏移，當(dāng)旁瓣響 應(yīng)高于檢測(cè)門限值時(shí)系統(tǒng)就跟蹤旁瓣響應(yīng)而忽略了真實(shí)的海底回波，測(cè)量結(jié) 果就會(huì)出現(xiàn)兩邊上翹凹面向上的水平半圓柱面海底地形，類似弧形的隧道這 就是隧道效應(yīng)。對(duì)于邊緣波束，旁瓣干擾與海底回波在時(shí)間上是分離的，可 以考慮加時(shí)間窗的方法加以消除，因?yàn)榕园觏憫?yīng)通常落在跟蹤f - j 夕b 面；而中 央波束由于與鏡向波束離的較近會(huì)受到強(qiáng)烈的干擾影響，旁瓣干擾和真實(shí)海 底回波在時(shí)間上有重疊，加時(shí)間窗的方法就難以消除旁瓣干擾。一組典型的 旁瓣干擾如圖2 9 所示，圖中鏡向方向有1 個(gè)波束，左、右舷各有1 0 個(gè)波束， 圖2 8 旁瓣干擾起因 束中的干擾 近。 圖2 9 一組典型的旁瓣干擾 總體來說，旁瓣干擾主要由以下因素p q 引起： ( 1 ) 強(qiáng)鏡向回波的出現(xiàn)。旁瓣干擾出現(xiàn)的先決條件是十分重要的，這個(gè) 先決條件是在任何一個(gè)預(yù)成波束中出現(xiàn)強(qiáng)鏡向海底回波，出現(xiàn)這種情況的海 底并不一定是平坦的。在旁瓣干擾與海底回波完全分離的情況下，旁瓣干擾 通常落在跟蹤f - j # b 面。當(dāng)海底回波接近鏡向方向時(shí)，旁瓣干擾和實(shí)際海底回 波就會(huì)落在一起或重疊； 1 4 4 3 2 1 d 蛇 叫 。 戧罌犖，日i 哈爾溟丁程大學(xué)碩士學(xué)位論文 i l l ( 2 ) 操作人員僅輸入手動(dòng)門限值，而沒有進(jìn)行噪聲門限和旁瓣門限的計(jì) 算。如果這個(gè)手動(dòng)門限值設(shè)置得過低且當(dāng)噪聲和旁瓣的值過大時(shí)，對(duì)主瓣造 成影響的噪聲和旁瓣就不會(huì)被消除，從而導(dǎo)致系統(tǒng)對(duì)海底信息的錯(cuò)誤跟蹤： ( 3 ) 當(dāng)系統(tǒng)計(jì)算了噪聲門限和旁瓣門限，旁瓣干擾同樣可能發(fā)生。這是 因?yàn)榻邮諜C(jī)的限幅僅可以消除部分旁瓣響應(yīng)，剩余部分的旁瓣響應(yīng)使相對(duì)低 信噪比的真實(shí)海底散射回波的能量中心向旁瓣方向發(fā)生了偏移。結(jié)果是系統(tǒng) 跟蹤了旁瓣響應(yīng)而不是真實(shí)的海底回波，因而產(chǎn)生了兩邊上翹凹面向上的水 平半圓柱面海底地形特征； ( 4 ) 時(shí)間門的設(shè)置不當(dāng)，這包括門的中心和寬度設(shè)置不當(dāng)。若門的中心 偏離主瓣中心過大且門的寬度不夠，那么系統(tǒng)就會(huì)僅接收到旁瓣干擾而忽略 了真實(shí)的海底回波信號(hào)。 2 3 隧道效應(yīng)的消除方法 旁瓣干擾除了導(dǎo)致多波束測(cè)深聲吶中隧道效應(yīng)的出現(xiàn)，使海底地形發(fā)生 畸變外，另一個(gè)影響是它屏蔽了內(nèi)側(cè)波束的反向散射回波，結(jié)果它嚴(yán)重限制 了從水聲信號(hào)中提取除測(cè)深之外的其它信息，比如依賴反向散射強(qiáng)度的掠射 角可能就是海底粗糙特征的重要指示。旁瓣干擾使內(nèi)側(cè)波束變的用處不大， 只有消除旁瓣干擾，內(nèi)側(cè)波束所包含的潛在重要信息才能得以利用，因此抑 制或消除旁瓣干擾對(duì)提取附加信息，繪制真實(shí)海底地形有重要意義，下面探 討一些考慮的消除方法。 2 3 1 設(shè)置海底跟蹤門 消除旁瓣干擾的方法之一就是設(shè)置海底跟蹤門p 7 1 ，對(duì)于邊緣波束來說， 由于旁瓣干擾與真實(shí)海底回波在時(shí)間上是分離的，因此可以考慮設(shè)置海底跟 蹤門來消除干擾。由于多波束測(cè)深聲吶每次獲得幾十個(gè)甚至上百個(gè)波束，每 個(gè)波束對(duì)應(yīng)的海底地形又千差萬別，這也使得設(shè)置海底跟蹤門顯得十分必要。 海底跟蹤門包括起始門和終止門，跟蹤門以外的數(shù)據(jù)都被剔除，只保留門內(nèi) 的數(shù)據(jù)( 見圖2 1 0 ) 。它確定了可靠的深度測(cè)定，同時(shí)設(shè)置