專利名稱：一種用聲納測(cè)量目標(biāo)的信號(hào)處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及聲納領(lǐng)域，更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及一種用聲納測(cè)量目標(biāo)的信號(hào)處理方法。
背景技術(shù)：
近些年來(lái)，現(xiàn)代陣信號(hào)處理技術(shù)中的高分辨率波束形成技術(shù)發(fā)展很快。高分辨率波束形成技術(shù)利用換能器陣的時(shí)空相關(guān)函數(shù)構(gòu)成矩陣，由此矩陣提取聲波的信息，包括聲波入射角和振幅等。換能器陣接收的信號(hào)中除了目標(biāo)信號(hào)外，還有噪聲信號(hào)。因此換能器陣時(shí)空相關(guān)函數(shù)矩陣在泛函空間里可以分解成信號(hào)子空間和噪聲子空間，兩個(gè)子空間相互垂直。相應(yīng)地，對(duì)換能器陣時(shí)空相關(guān)函數(shù)矩陣的信號(hào)處理方法一般分兩大類，一類是譜基方法，它包括噪聲子空間法，又稱零空間法，在小樣本、低信噪比和高信號(hào)相干性時(shí)，此類方法的性能明顯下降。另一類是參量法，它包括信號(hào)子空間法。參量法的性能明顯優(yōu)于譜基方法。
在現(xiàn)有技術(shù)中，高分辨率波束形成技術(shù)中的噪聲子空間法在聲納中已經(jīng)有應(yīng)用。例如，在P.Kraeutner等人的美國(guó)專利6130641“Imaging methods and apparatus usingmodel-based array signal processing”，以及P.Kreautner等人的文章“Principlecomponents array processing for swath acoustic mapping，proceedings of IEEEOceans’97 Conference，October 1997”和H.Kreautner等人的文章“Beyondinterferometry，resolving multiple angles-of-arrival in swath bathymetric imaging，proceedings of the IEEE Ocean’99 Conference，September，1999”中，采用噪聲子空間法對(duì)換能器陣時(shí)空相關(guān)函數(shù)矩陣進(jìn)行處理，獲得了比常規(guī)波束形成技術(shù)高的分辨率。
在上述引用的文獻(xiàn)中，其信號(hào)處理方法存在有如下問(wèn)題1)時(shí)空相關(guān)函數(shù)矩陣通常僅由信號(hào)矩陣構(gòu)成，信號(hào)矩陣是由聲納的接收信號(hào)組成。如果用矩陣X來(lái)表示信號(hào)矩陣，則時(shí)空相關(guān)函數(shù)通常為XHX的形式，其中上標(biāo)H表示共軛轉(zhuǎn)置，由于信號(hào)矩陣X復(fù)矩陣，因此其時(shí)空相關(guān)函數(shù)矩陣也為復(fù)矩陣。這樣的時(shí)空相關(guān)函數(shù)沒(méi)有對(duì)信號(hào)進(jìn)行解相關(guān)處理，當(dāng)信號(hào)存在高相干時(shí)，聲納性能下降。而且，對(duì)時(shí)空相關(guān)函數(shù)矩陣的處理是在復(fù)空間進(jìn)行，其運(yùn)算量很大。
2)采用高分辨率波束形成信號(hào)處理中的噪聲子空間法對(duì)時(shí)空相關(guān)函數(shù)矩陣進(jìn)行處理，而噪聲子空間法在小樣本、低信噪比和高信號(hào)相干性時(shí)性能明顯下降。
3)現(xiàn)有的信號(hào)處理方法在測(cè)量海中目標(biāo)(或者說(shuō)水中目標(biāo))時(shí)獲得比較好的效果，但是在測(cè)量海底目標(biāo)(或者說(shuō)水底目標(biāo))時(shí)效果較差。例如前述引用的P.Kreautner和H.Kreautner的文章中，在水池中對(duì)人造目標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，目標(biāo)是由正交的銅管構(gòu)成，這是一個(gè)良好的聲學(xué)目標(biāo)，聲納能正確檢測(cè)出人造目標(biāo)，但對(duì)池壁的測(cè)量結(jié)果差。
4)分辨率波束形成信號(hào)處理中常常遇到解線性方程組，并要減弱噪聲的影響，最小二乘法是可用的性能一般的方法，它對(duì)噪聲的類型和噪聲的干擾形式有相當(dāng)多的限制。
5)用零空間中的與時(shí)空相關(guān)函數(shù)矩陣對(duì)應(yīng)的多項(xiàng)式組的根估計(jì)目標(biāo)的方位，此法有缺點(diǎn)，首先，它把入射到換能器陣上的信號(hào)都估計(jì)出來(lái)了，并沒(méi)選出所要的直達(dá)波信號(hào)，也未刪除多途干擾信號(hào)；其次，只有正確定出目標(biāo)數(shù)后求得的目標(biāo)方位的精度才能高，只用多項(xiàng)式組的根估計(jì)目標(biāo)數(shù)，并且同時(shí)估計(jì)目標(biāo)方位，這在若干情況下難以得到好的目標(biāo)方位估計(jì)精度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種用聲納測(cè)量目標(biāo)的信號(hào)處理方法，在該方法中構(gòu)造了一個(gè)新的時(shí)空相關(guān)函數(shù)矩陣；本發(fā)明的另一目的在于提供一種用聲納測(cè)量目標(biāo)的信號(hào)處理方法，該方法用信號(hào)子空間法進(jìn)行目標(biāo)測(cè)量。
為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供一種用聲納測(cè)量目標(biāo)的信號(hào)處理方法，所述目標(biāo)為海中目標(biāo)或海底目標(biāo)，所述信號(hào)處理方法包括構(gòu)造時(shí)空相關(guān)函數(shù)矩陣步驟以及根據(jù)所述時(shí)空相關(guān)函數(shù)矩陣測(cè)量目標(biāo)步驟，其中在構(gòu)造時(shí)空相關(guān)函數(shù)矩陣步驟中，所述時(shí)空相關(guān)函數(shù)矩陣 包括信號(hào)矩陣X以及和信號(hào)矩陣相乘的左實(shí)變換矩陣BM，還包括使得所述時(shí)空相關(guān)函數(shù)矩陣 為實(shí)矩陣的取實(shí)運(yùn)算；所述信號(hào)矩陣是由聲納接收的目標(biāo)回波信號(hào)構(gòu)成的復(fù)矩陣；在測(cè)量目標(biāo)步驟中，采用信號(hào)子空間法測(cè)量所述目標(biāo)。
所述左實(shí)變換矩陣BM為一個(gè)M×M維的矩陣，其形式為BM=IM/2jIM/2PM/2-jPM/2,]]>其中M是聲納換能器陣基元數(shù)，IM/2為M/2階單位矩陣，RM/2為M/2階對(duì)稱置換矩陣。
所述時(shí)空相關(guān)函數(shù)矩陣R^TT=1MNRe[2BMHXXHBM],]]>其中M是聲納換能器陣基元數(shù)，N是聲納在一個(gè)等效脈寬內(nèi)的采樣數(shù)目，Re表示取實(shí)操作，上標(biāo)H表示轉(zhuǎn)置共軛運(yùn)算。
在測(cè)量目標(biāo)步驟中，包括計(jì)算時(shí)空相關(guān)函數(shù)矩陣 的特征值；根據(jù)時(shí)空相關(guān)函數(shù)矩陣 的特征值估計(jì)目標(biāo)個(gè)數(shù)；根據(jù)所估計(jì)的目標(biāo)個(gè)數(shù)計(jì)算信號(hào)子空間 在信號(hào)子空間內(nèi)獲得各個(gè)目標(biāo)的方向和/或信號(hào)波形。其中，在信號(hào)子空間內(nèi)采用總體最小二乘法獲得各個(gè)目標(biāo)的方向。在信號(hào)子空間內(nèi)采用信號(hào)復(fù)原算法獲得各個(gè)目標(biāo)的信號(hào)波形。當(dāng)所述目標(biāo)為海底目標(biāo)時(shí)，還包括根據(jù)目標(biāo)的方向計(jì)算海底高度的步驟。當(dāng)所述目標(biāo)為海底目標(biāo)時(shí)，還包括根據(jù)海底地形變化規(guī)律判定所述海底高度是否真實(shí)的步驟；如果判定所述海底高度不真實(shí)，還包括根據(jù)時(shí)空相關(guān)函數(shù)矩陣 的特征值再次估計(jì)目標(biāo)個(gè)數(shù)的步驟。
所述的信號(hào)矩陣是由聲納接收的回波信號(hào)超過(guò)信號(hào)平均強(qiáng)度的信號(hào)來(lái)構(gòu)成。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)1)在本發(fā)明中，時(shí)空相關(guān)函數(shù)矩陣由信號(hào)矩陣和左實(shí)轉(zhuǎn)換矩陣聯(lián)合構(gòu)成，并且通過(guò)取實(shí)操作使得時(shí)空相關(guān)函數(shù)矩陣為實(shí)矩陣，這樣構(gòu)成的相關(guān)函數(shù)矩陣對(duì)信號(hào)進(jìn)行了解相關(guān)處理，即使接收信號(hào)存在高相干時(shí)仍可獲得好的性能。而且，對(duì)時(shí)空相關(guān)函數(shù)矩陣的處理是在實(shí)空間進(jìn)行，明顯減少了運(yùn)算量。
2)在本發(fā)明中，采用高分辨率波束形成信號(hào)處理中的信號(hào)子空間法對(duì)時(shí)空相關(guān)函數(shù)矩陣進(jìn)行處理，而信號(hào)子空間法在小樣本、低信噪比和高信號(hào)相干性時(shí)性能明顯優(yōu)于噪聲子空間法。
3)相比于現(xiàn)有的信號(hào)處理方法，本發(fā)明在測(cè)量海底目標(biāo)(或者說(shuō)水底目標(biāo))時(shí)具有更優(yōu)的效果。


圖1是采用本發(fā)明信號(hào)處理方法的高分辨率三維側(cè)掃聲納系統(tǒng)的組成示意圖；圖2是圖1所示高分辨率三維側(cè)掃聲納系統(tǒng)的具體組成結(jié)構(gòu)圖；圖3是本發(fā)明信號(hào)處理方法一個(gè)實(shí)施例的流程圖；圖4是高分辨率三維側(cè)掃聲納系統(tǒng)采用本發(fā)明的信號(hào)處理方法在水池中的試驗(yàn)結(jié)果；圖5是將高分辨率三維側(cè)掃聲納系統(tǒng)裝在水下機(jī)器人上采用本發(fā)明的信號(hào)處理方法在深水湖的試驗(yàn)記錄；
圖6是高分辨率三維側(cè)掃聲像系統(tǒng)采用本發(fā)明的信號(hào)處理方法獲得的水底微地形地貌。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
圖1示出了采用本發(fā)明信號(hào)處理方法的高分辨率三維側(cè)掃聲納系統(tǒng)的組成示意圖。該高分辨率三維側(cè)掃聲納系統(tǒng)包括換能器陣200和電子分機(jī)300，它們布置在位于海面104下的載體100上。高分辨率三維側(cè)掃聲納系統(tǒng)的終端計(jì)算機(jī)400布置在海面104上的母船(未示出)上。終端計(jì)算機(jī)400與電子分機(jī)300之間通過(guò)電纜連接。高分辨率三維側(cè)掃聲納系統(tǒng)通過(guò)換能器陣200向海底發(fā)射波束101，并接收諸如海中目標(biāo)(未示出)或者海底102和/或海底目標(biāo)103等目標(biāo)的反射回波信號(hào)，經(jīng)電子分機(jī)300處理后得到各個(gè)目標(biāo)的方位角等測(cè)量信息。如圖1所示，換能器陣200發(fā)出的扇形波束101在垂直面內(nèi)波束很寬，在水平面內(nèi)波束很窄。
高分辨率三維側(cè)掃聲納系統(tǒng)更具體的組成如圖2所示。換能器陣200包括左接收換能器201、左發(fā)射換能器203、右接收換能器202和右發(fā)射換能器204。電子分機(jī)300包括左接收機(jī)301、左發(fā)射機(jī)303、右接收機(jī)302、右發(fā)射機(jī)304、多通道A/D轉(zhuǎn)換器305、高速數(shù)字信號(hào)處理器306、控制系統(tǒng)發(fā)射和接收的過(guò)程的控制器307、主控計(jì)算機(jī)308、姿態(tài)傳感器309、溫度傳感器310以及硬盤311。電子分機(jī)300通過(guò)以太網(wǎng)312與終端計(jì)算機(jī)400相聯(lián)。
如圖2所示，電子分機(jī)300中的左發(fā)射機(jī)203和右發(fā)射機(jī)204分別與換能器陣200中的左發(fā)射換能器203和右發(fā)射換能器204連接，電子分機(jī)300中的左接收機(jī)301和右接收機(jī)302分別與換能器陣200中的左接收換能器201和右接收換能器202連接。左接收機(jī)301和右接收機(jī)302與多通道A/D換能器305連接，多通道A/D轉(zhuǎn)換器305與高速數(shù)字信號(hào)處理器306連接，高速數(shù)字信號(hào)處理器306與主控計(jì)算機(jī)308連接，主控計(jì)算機(jī)308與控制器307和硬盤311連接，并經(jīng)以太網(wǎng)312與終端計(jì)算機(jī)400連接?？刂破?07與左接收機(jī)310、右接收機(jī)302、左發(fā)射機(jī)303、右發(fā)射機(jī)304、姿態(tài)傳感器309和溫度傳感器310連接。
圖1和圖2所示高分辨率三維側(cè)掃聲納系統(tǒng)的專用測(cè)量程序裝載在主控計(jì)算機(jī)308的存儲(chǔ)器中，并按圖3中所示流程圖中的步驟執(zhí)行。
401是開(kāi)始步驟，由終端計(jì)算機(jī)400發(fā)出指令，傳輸?shù)诫娮臃謾C(jī)300中的主控計(jì)算機(jī)308，啟動(dòng)計(jì)算機(jī)308中的程序，使聲納處于工作狀態(tài)。
在步驟402和403中，由初始化模塊對(duì)聲納系統(tǒng)的軟件和硬件進(jìn)行初始化。
在步驟404中，主控計(jì)算機(jī)308生成發(fā)射信號(hào)，通常是用計(jì)算機(jī)得到數(shù)字化的發(fā)射信號(hào)波形。這里的發(fā)射信號(hào)最好具有窄的等效脈寬，在實(shí)際應(yīng)用中通常使發(fā)射信號(hào)的等效脈寬小于0.1毫秒。發(fā)射信號(hào)的等效脈寬越窄，在一個(gè)時(shí)刻到達(dá)聲納的信號(hào)所代表的空間區(qū)域越窄，這樣能夠減少不同方向同時(shí)到達(dá)換能器陣的目標(biāo)回波數(shù)目)。為了使發(fā)射信號(hào)獲得窄的等效脈寬，發(fā)射信號(hào)優(yōu)選具有窄的相關(guān)函數(shù)，這樣的信號(hào)包括窄簡(jiǎn)單脈沖和線性調(diào)頻信號(hào)(Chirp信號(hào))脈沖。
在步驟405中，主控計(jì)算機(jī)308經(jīng)控制器307驅(qū)動(dòng)發(fā)射機(jī)303和304，再驅(qū)動(dòng)發(fā)射換能器203和204，朝向海底發(fā)射聲脈沖到流體介質(zhì)(例如海水)中。
在步驟406中，接收換能器201和202接收從流體介質(zhì)、海中目標(biāo)和海底目標(biāo)的反向散射的回波信號(hào)，并饋送給接收機(jī)301和302。
在步驟407中，由接收機(jī)301和302對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行解調(diào)濾波，然后送入多通道A/D轉(zhuǎn)換器305。
在步驟408中，多通道A/D轉(zhuǎn)換器305將回波信號(hào)從模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再送到高速數(shù)字信號(hào)處理器306中，在其中逐一執(zhí)行步驟409～步驟416。
在步驟409中，計(jì)算接收信號(hào)的平均強(qiáng)度，并挑選出信號(hào)強(qiáng)度大于平均強(qiáng)度的接收信號(hào)。
在步驟410中，構(gòu)造一個(gè)實(shí)的時(shí)空相關(guān)函數(shù)矩陣 用挑選出的接收信號(hào)構(gòu)造信號(hào)矩陣X，信號(hào)矩陣X是由反向散射回波信號(hào)構(gòu)成的一個(gè)M×N維的復(fù)矩陣，M是換能器陣基元數(shù)，一般取M為偶數(shù)，N是在一個(gè)等效脈寬內(nèi)的采樣數(shù)目。在本發(fā)明中，時(shí)空相關(guān)函數(shù)矩陣中除了信號(hào)矩陣X，還提供一個(gè)左實(shí)變換矩陣BM，在一個(gè)實(shí)施例中，該左實(shí)變換矩陣為BM為一個(gè)M×M維的矩陣，其形式為BM=IM/2jIM/2PM/2-jPM/2,]]>可見(jiàn)BM可分解為2×2的分塊矩陣，每個(gè)子矩陣為M/2×M/2維矩陣，其第一行為子矩陣IM/2和jIM/2，第二行為jPM/2和-jPM/2，其中IM/2為M/2階單位矩陣，PM/2為M/2階對(duì)稱置換矩陣。
在一個(gè)實(shí)施例中，將該左實(shí)變換矩陣BM做共軛轉(zhuǎn)置運(yùn)算后與信號(hào)矩陣X相乘，以形成一新的信號(hào)矩陣X′=BMHX,]]>再由該新的信號(hào)矩陣X′用常規(guī)的方法構(gòu)成時(shí)空相關(guān)函數(shù)矩陣，即構(gòu)造成X′X′H的形式，其中上標(biāo)H表示共軛轉(zhuǎn)置運(yùn)算。依照本發(fā)明構(gòu)造的實(shí)的時(shí)空相關(guān)函數(shù)的一個(gè)優(yōu)選示例為R^TT=1MNRe[2BMHXXHBM],]]>Re表示取實(shí)操作。
在本發(fā)明中，通過(guò)左實(shí)變換矩陣BM和取實(shí)操作，對(duì)相關(guān)函數(shù)矩陣中所包含的接收信號(hào)進(jìn)行解相關(guān)處理，使得本發(fā)明在高信號(hào)相干性時(shí)仍可獲得好的性能。同時(shí)，由于本發(fā)明的時(shí)空相關(guān)函數(shù)矩陣 為實(shí)矩陣，在后續(xù)的處理中均為實(shí)數(shù)運(yùn)算，明顯減少了運(yùn)算量。
在步驟411～步驟414中，根據(jù)所構(gòu)造實(shí)時(shí)空相關(guān)函數(shù)矩陣 采用信號(hào)子空間法測(cè)量各個(gè)目標(biāo)。
在步驟411中，計(jì)算實(shí)時(shí)空相關(guān)函數(shù)矩陣 的特征值。計(jì)算矩陣束 的廣義特征分解，其中∑M為噪聲相關(guān)矩陣的結(jié)構(gòu)矩陣。廣義特征分解的計(jì)算公式為R^TTE‾=ΣME‾Λ^,]]>式中廣義特征值矩陣?！芃、Λ^=diag{λ^I······λ^M},]]>λ^I≥······≥λ^M,]]>廣義特征矢量矩陣E‾=[e^1|······|e^M].ΣM,]]> 和 都為M×M維的矩陣，M為換能器陣基元數(shù)。
在步驟412中，根據(jù)實(shí)時(shí)空相關(guān)函數(shù)矩陣 的特征值估計(jì)出目標(biāo)個(gè)數(shù)。在廣義特征值矩陣.Λ^=diag{λ^1······λ^M}]]>中，由于代表噪聲子空間的特征值遠(yuǎn)小于代表信號(hào)子空間的特征值，因此可由廣義特征矩陣Λ^=diag{λ1······λM}]]>中λ^j(1≤j≤M)]]>值大的 的數(shù)目初步估計(jì)目標(biāo)數(shù)n。由于代表噪聲子空間的特征值和代表信號(hào)子空間的特征值之間大小差異很大，因此這是本領(lǐng)域的技術(shù)人員很容易判斷的。
在步驟413中，根據(jù)所估計(jì)的目標(biāo)個(gè)數(shù)n計(jì)算信號(hào)子空間 信號(hào)子空間S^X=R{E^S},]]>R{}為象空間，E^S=ΣM[e1|······|en]]]>是由目標(biāo)個(gè)數(shù)n確定的信號(hào)子空間的基，也就是說(shuō)信號(hào)子空間 是由 張成的象空間。
在步驟414中，在信號(hào)子空間內(nèi)采用總體最小二乘法獲得各個(gè)目標(biāo)的方向和信號(hào)波形。具體地，首先計(jì)算E^X=C1E^S,E^Y=C2E^S,]]>其中C1=2Re{BM-1HG2BM},]]>C2=2/m{BM-1HG2BM},]]>G2為(M-1)×M矩陣，第一列為零矢量，其它為一個(gè)單位矩陣，其中BM-1為(M-1)×(M-1)的左實(shí)轉(zhuǎn)換矩陣，定義為I(M-1)/20jI(M-1)/20T20TP(M-1)/20-jP(M-1)/2,]]>其中0為(M-1)/1×1維零矩陣。用總體二乘法求解方程E^XΓ=E^Y]]>后得到Γ，然后計(jì)算矩陣Γ的特征值和左特征向量矩陣，特征值記為λ1……λn，左特征向量矩陣記為W。最后得到各個(gè)目標(biāo)的方向角θ^k=arcsin{-cφ^k/ω0Δ},]]>其中φ^k=2arctan(λk),]]>k＝1，……n，c，ω0和Δ分別是聲速，信號(hào)中心頻率和換能器陣基元間距。采用信號(hào)復(fù)原算法，得到信號(hào)波形S^=(WHE^sHE^sW)-1WHE^sHBMHX.]]>通過(guò)前述步驟即可得到各個(gè)目標(biāo)的方向和信號(hào)波形。但是眾所周知，在聲納領(lǐng)域，測(cè)量海底目標(biāo)的要難于測(cè)量海中目標(biāo)，可以測(cè)量海底目標(biāo)的聲納通常也可以測(cè)量海中目標(biāo)，而能夠測(cè)量海中目標(biāo)的聲納卻不一定能夠測(cè)量海底目標(biāo)。作為本發(fā)明的測(cè)量海底目標(biāo)的一個(gè)具體應(yīng)用，在下文中將繼續(xù)描述通過(guò)測(cè)量海底目標(biāo)獲得海底聲像的步驟。
在步驟414之后，可以獲得各個(gè)海底目標(biāo)的目標(biāo)的方向和信號(hào)波形。在步驟415中，根據(jù)海底目標(biāo)到達(dá)方向 和聲波來(lái)回的聲程差求得海底的各處的高度H和水平距離，也就是各個(gè)海底目標(biāo)的高度和水平距離。聲程差由發(fā)射信號(hào)的時(shí)刻和接收到某方向回波的時(shí)刻之差獲得。在測(cè)量過(guò)程中，水中載體100不斷前進(jìn)，換能器陣200不斷發(fā)射信號(hào)，海底回波依時(shí)間的先后被換能器陣200接收，這樣經(jīng)電子分機(jī)300處理后可以得到海底各個(gè)位置(即海底目標(biāo))的高度，從而形成海底的聲像，并將結(jié)果傳輸給終端計(jì)算機(jī)400。
在步驟416中，計(jì)算海底的高度H隨水平距離的變化規(guī)律，將獲得的高度隨距離的變化與公認(rèn)的諸如斜率(海底地形不超過(guò)30度)和變化周期等海底地形變化規(guī)律進(jìn)行比較，如果符合，則此認(rèn)定該H值是真實(shí)的，轉(zhuǎn)入步驟417獲得海底的聲像；如果不符合，則轉(zhuǎn)入步驟412中，設(shè)置新的目標(biāo)數(shù)n，再次執(zhí)行步驟413～步驟416，直至最后絕大多數(shù)海底目標(biāo)樣本均獲得正確的深度。
在步驟417中，根據(jù)步驟414得到的目標(biāo)的復(fù)原信號(hào)，將復(fù)原得到的所在位置回波信號(hào)的強(qiáng)度作為該位置的側(cè)掃結(jié)果，并將其顯示在二維圖上，使得實(shí)際顯示位置與目標(biāo)的真實(shí)位置相一致，從而獲得海底聲像。
圖4是高分辨率三維側(cè)掃聲納系統(tǒng)采用本發(fā)明的信號(hào)處理方法在水池中試驗(yàn)結(jié)果，測(cè)量結(jié)果與實(shí)際池壁相當(dāng)符合。
圖5是將高分辨率三維側(cè)掃聲納系統(tǒng)裝在水下機(jī)器人上采用本發(fā)明的信號(hào)處理方法在深水湖的試驗(yàn)記錄。航行路線是十字形，驗(yàn)證聲像系統(tǒng)的測(cè)深精度。測(cè)量結(jié)果表示在表1中，由表1可看測(cè)深精度為0.5～0.7％，好于國(guó)際航道局的標(biāo)準(zhǔn)1％。
圖6是本發(fā)明的高分辨率三維側(cè)掃聲像系統(tǒng)獲得的水底微地形地貌。
權(quán)利要求
1.一種用聲納測(cè)量目標(biāo)的信號(hào)處理方法，所述目標(biāo)為海中目標(biāo)或海底目標(biāo)，所述信號(hào)處理方法包括構(gòu)造時(shí)空相關(guān)函數(shù)矩陣步驟以及根據(jù)所述時(shí)空相關(guān)函數(shù)矩陣測(cè)量目標(biāo)步驟，其特征在于在構(gòu)造時(shí)空相關(guān)函數(shù)矩陣步驟中，所述時(shí)空相關(guān)函數(shù)矩陣 包括信號(hào)矩陣X以及和信號(hào)矩陣相乘的左實(shí)變換矩陣BM，還包括使得所述時(shí)空相關(guān)函數(shù)矩陣 為實(shí)矩陣的取實(shí)運(yùn)算；所述信號(hào)矩陣是由聲納接收的目標(biāo)回波信號(hào)構(gòu)成的復(fù)矩陣；在測(cè)量目標(biāo)步驟中，采用信號(hào)子空間法測(cè)量所述目標(biāo)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用聲納測(cè)量目標(biāo)的信號(hào)處理方法，其特征在于，所述左實(shí)變換矩陣BM為一個(gè)M×M維的矩陣，其形式為BM=IM/2jIM/2PM/2-jPM/2,]]>其中M是聲納換能器陣基元數(shù)，IM/2為M/2階單位矩陣，PM/2為M/2階對(duì)稱置換矩陣。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用聲納測(cè)量目標(biāo)的信號(hào)處理方法，其特征在于，所述時(shí)空相關(guān)函數(shù)矩陣R^TT=1MNRe[2BMHXXHBM],]]>其中M是聲納換能器陣基元數(shù)，N是聲納在一個(gè)等效脈寬內(nèi)的采樣數(shù)目，Re表示取實(shí)操作，上標(biāo)H表示轉(zhuǎn)置共軛運(yùn)算。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用聲納測(cè)量目標(biāo)的信號(hào)處理方法，其特征在于，在測(cè)量目標(biāo)步驟中，包括計(jì)算時(shí)空相關(guān)函數(shù)矩陣 的特征值；根據(jù)時(shí)空相關(guān)函數(shù)矩陣 的特征值估計(jì)目標(biāo)個(gè)數(shù)；根據(jù)所估計(jì)的目標(biāo)個(gè)數(shù)計(jì)算信號(hào)子空間 ；在信號(hào)子空間內(nèi)獲得各個(gè)目標(biāo)的方向和/或信號(hào)波形。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用聲納測(cè)量目標(biāo)的信號(hào)處理方法，其特征在于，在信號(hào)子空間內(nèi)采用總體最小二乘法獲得各個(gè)目標(biāo)的方向。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用聲納測(cè)量目標(biāo)的信號(hào)處理方法，其特征在于，在信號(hào)子空間內(nèi)采用信號(hào)復(fù)原算法獲得各個(gè)目標(biāo)的信號(hào)波形。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用聲納測(cè)量目標(biāo)的信號(hào)處理方法，其特征在于，當(dāng)所述目標(biāo)為海底目標(biāo)時(shí)，還包括根據(jù)目標(biāo)的方向計(jì)算海底高度的步驟。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的用聲納測(cè)量目標(biāo)的信號(hào)處理方法，其特征在于，當(dāng)所述目標(biāo)為海底目標(biāo)時(shí)，還包括根據(jù)海底地形變化規(guī)律判定所述海底高度是否真實(shí)的步驟；如果判定所述海底高度不真實(shí)，還包括根據(jù)時(shí)空相關(guān)函數(shù)矩陣 的特征值再次估計(jì)目標(biāo)個(gè)數(shù)的步驟。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用聲納測(cè)量目標(biāo)的信號(hào)處理方法，其特征在于，所述的信號(hào)矩陣是由聲納接收的回波信號(hào)超過(guò)信號(hào)平均強(qiáng)度的信號(hào)來(lái)構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種用聲納測(cè)量目標(biāo)的信號(hào)處理方法，用于測(cè)量海中目標(biāo)或海底目標(biāo)，該信號(hào)處理方法包括構(gòu)造時(shí)空相關(guān)函數(shù)矩陣步驟以及根據(jù)所述時(shí)空相關(guān)函數(shù)矩陣測(cè)量目標(biāo)步驟，其中在構(gòu)造時(shí)空相關(guān)函數(shù)矩陣步驟中，所述時(shí)空相關(guān)函數(shù)矩陣R
文檔編號(hào)G01S15/00GK1800874SQ20041010403
公開(kāi)日2006年7月12日 申請(qǐng)日期2004年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月31日
發(fā)明者朱維慶, 劉曉東 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所