三维前视声呐信号处理方法
第34卷第4期 声 学 技 术 Vol.34, No.4 2015年08月 Technical Acoustics Aug., 2015
三维前视声呐信号处理方法
刘治宇，刘晓东，董 飞，刘小刚
(中国科学院声学研究所海洋声学技术实验室，北京 100190)
摘要：三维前视声像声呐是安装在小型水下载体上的重要声学探测设备。提出了基于波达方向估计技术的三维前视声呐信号处理方法，接收阵水平方向采用波束形成技术，垂直方向采用波达方向估计技术。在波束内采用分裂孔径相位法提高水平方向分辨率，形成声呐阵前方的三维声像。仿真结果和水池实验结果表明：在接收阵面面积相同的条件下，能够获得优于常规技术的分辨率，可以实现点目标和连续目标的探测，适合于在水下载体上安装使用。 关键词：波束形成；波达方向估计；相位法；三维前视声呐
中图分类号：TB565 文献标识码：A 文章编号：1000-3630(2015)-04-0317-05 DOI 编码：10.16300/https://www.wendangku.net/doc/2a15461928.html,ki.1000-3630.2015.04.005
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 , Beijng 100190, China )
Abstract: A signal processing method for 3D forward-looking Sonar based on Direction of Arrival Estimation is pre-sented. 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 conti-nuous 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.
Key words: beamforming; direction of arrival estimation; phase estimation; 3D forward-looking sonar
0 引 言
随着海洋开发和利用越来越被重视，应用于近海底观测的各种水下载体发展迅速，如自治无人水下机器人、遥控水下机器人和载人水下机器人等。三维前视声像声呐用于探测载体前方三维空间内障碍物、目标和海底，并进行声成像。由于水下载体速度的要求，以及空间和功耗的限制，安装在小型水下载体上的三维前视声像声呐应该具有体积小、重量轻、功耗低和分辨率高的特点。
传统的三维前视声呐主要采用接收平面阵的二维波束形成技术，其分辨率受波束角宽限制，要求
阵面尺度大，系统复杂[1]
。如果采用二维波达方向估计技术虽然提高了分辨率，但是在空间中同时到达的回波个数较多的复杂情况下，不能有效地分辨
出多个目标[2]
收稿日期: 2014-07-16; 修回日期: 2014-10-12 基金项目: 国家863计划项目(2006AA09Z119)
作者简介: 刘治宇 (1978－), 男, 辽宁沈阳人, 博士, 副研究员, 研究方
向为水声信号处理、阵列信号处理。
通讯作者: 刘治宇, E-mail: liuzhiyu@https://www.wendangku.net/doc/2a15461928.html, 。文献[3]利用水平方向波束形成技术和垂直方向波达方向技术，垂直方向的波达方向
(Direction of Arrival, DOA)估计技术可分辨多个目标，适合于近水面和近海底的应用，可以有效提高垂直方向的分辨率，但水平方向的分辨率较低。
为了克服以上几种方法的缺点，本文采用了一种波束形成技术、相位法和波达方向估计技术相结合的信号处理方法。通过水平方向的波束形成将波束指向特定的方向，提高该方向的信噪比并减少同时到达声呐阵的信源个数；在垂直方向采用波达方向估计技术，提高垂直方向的分辨率；并在水平方向的波束内，采用分裂孔径相位法提高对连续目标的水平方向分辨能力。利用这样的信号处理方法，可以在阵面尺寸较小的情况下，有效地探测声呐阵前方目标和地形，并提高水平和垂直两个方向的分辨率，使用该方法的声呐阵更适合安装在小型水下载体上。
1 信号处理方法
本文提出的信号处理方案是针对安装在小型水下载体上的三维前视声像声呐，其信号处理流程中关键技术是结合波束形成技术、相位法和波达方向估计技术，信号处理总体流程如图1所示。在水