专利名称：传感器阵列回波方向估计及多波束回波测深底检测方法
技术领域：
本发明属于传感器阵列信号处理、声纳技术领域，特别涉及多波束回波测深系统 高分辨力底检测方法。
背景技术：
多波束回波测深底检测处理的一个基本环节是回波信号的方位估计。通常多波束 回波测深系统将接收到的回波信号通过常规波束形成进行空间上的滤波，再经过进一步的 底检测处理得到水底回波的距离与到达方向估计。在阵列孔径一定的条件下，常规波束形 成的空间分辨力受到限制，实际系统的波束宽度通常为1.5° 3° ；对于直线阵，边缘偏 离正横方向的波束宽度更大，接近6°。波束对应的水底脚印随着测量距离的增加而扩展， 同时常规波束形成方法无法分辨在波束宽度范围内多个方向同时到达的回波信号，且这种 情况在斜角度入射和复杂水底地形条件下经常发生，因而严重影响系统边缘波束的测深精 度。在多波束测深系统中应用高分辨力处理方法代替常规的波束形成，使得系统具备对波 束宽度内同时到达的多个不同方向回波信号的分辨能力，可以显著改善测深精度。在多波束回波测深系统中应用高分辨力处理方法时需要考虑以下几个方面的问 题首先，多波束回波测深系统的接收信号为水底后向散射信号，需要满足高分辨力处理算 法对噪声特性以及信噪比的要求；其次，多波束回波测深系统的发射信号通常是高频窄带 的，一个回波脉冲内的采样点数较少，且海底的连续分布导致回波信号时间上的非平稳性， 限制了高分辨回波方位估计所能使用的样本数；另外，为了提高分辨力和覆盖宽度，系统的 接收阵通常为非直线阵，对高分辨力处理实现方法的适用性有较高的需求。常用的高分辨力信号到达方向估计算法立足于子空间的理论，分为两种其一是 子空间分解类(特征子空间类);另一是子空间拟合类。主要包括特征矢量法、多重信号分类 (Multiple Signal Classification，简写为 MUSIC)方法及 iTo印Iitz 化近似法(iTo印Iitz Approximation Method，简写为ΤΑΜ)等。虽然MUSIC算法和有关子空间拟合类算法的估计 性能较好，但涉及的计算量较大，实时性能较差，且对环境的不确定性和阵列自身的误差很 敏感。此外，随着现代信号处理理论的迅速发展，时-频分析、小波分析等理论在水下目标 方位估计中也有广泛的应用，但这些方法要么计算量较大，要么稳定性不高，难以在实际应 用中实现。总之，考虑到多波束回波测深系统工作环境的特殊性(连续分布的信源模型、信道 传播的复杂性、阵型的多样性等)，上述算法在多波束回波测深系统中的应用尚不多见，需 要发展新的适用于多波束回波测深系统设置与信号特征的高精度方位估计方法，以便于工 程实现。
发明内容
本发明的目的是提供一种可分辨多个同时到达的回波信号的传感器阵列回波方向估计方法，同时提供一种应用该方法的高分辨力的多波束回波测深底检测方法。为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是其传感器阵列回波方向估计方法 包括以下步骤
(1)对传感器阵列的接收数据进行波束扫描及回波检测，确定回波对应的空间区域，在 该空间区域内选取两个以上期望角度；
(2)执行方案一或方案二
方案一对所述传感器阵列进行划分得到三个以上子阵，并得到各子阵之间的延时关 系；对每个子阵的接收数据分别进行步骤(1)所述各期望角度上的波束驾驶，得到每个子 阵在所述各期望角度上的输出波束；
方案二 对所述传感器阵列的接收数据进行步骤(1)所述各期望角度上的波束驾驶， 得到所述传感器阵列在所述各期望角度上的输出波束；对所述传感器阵列在所述各期望角 度上的输出波束进行虚拟变换而形成三个以上虚拟子阵，并得到各虚拟子阵在所述各期望 角度上的输出波束以及各虚拟子阵之间的延时关系；
(3)根据步骤(2)所述方案一的各子阵或方案二的各虚拟子阵之间的延时关系，对步骤 (2)中得到的各子阵或各虚拟子阵在所述各期望角度上的输出波束的数据进行排列，采用 基于多子阵分解的高分辨力信号到达方向角估计算法获取各回波的方位估计。进一步地，本发明所述步骤(1)中，所述各期望角度或者在所述回波对应的空间区 域内均勻分布，或者在所述回波对应的空间区域内随机分布。进一步地，本发明所述步骤(2)中，所述方案一的各子阵或者无重叠相邻分布，或 者无重叠间隔分布，或者重叠分布。本发明的多波束回波测深底检测方法包括以下步骤
(1)对传感器阵列的接收数据进行波束扫描及回波检测，估计每个扫描波束内的回波 个数，并执行方案三或方案四
方案三如果所述回波个数为一个，则估计所述回波的到达时刻和方位，并执行步骤
(5)；
方案四如果所述回波个数大于一个，则执行步骤(2)；
(2)根据步骤(1)所述扫描波束的输出数据，确定回波对应的空间区域，并在该空间区 域内选取三个以上期望角度；
(3)执行方案一或方案二
方案一对所述传感器阵列进行划分得到三个以上子阵，并得到各子阵之间的延时关 系；对每个子阵的接收数据分别进行步骤(1)所述各期望角度上的波束驾驶，得到每个子 阵在所述各期望角度上的输出波束；
方案二 对所述传感器阵列的接收数据进行步骤(1)所述各期望角度上的波束驾驶， 得到所述传感器阵列在所述各期望角度上的输出波束；对所述传感器阵列在所述各期望角 度上的输出波束进行虚拟变换而形成三个以上虚拟子阵，并得到各虚拟子阵在所述各期望 角度上的输出波束以及各虚拟子阵之间的延时关系；
(4)根据步骤(3)所述方案一的各子阵或方案二的各虚拟子阵之间的延时关系，在回波 到达时刻对步骤(3)中得到的各子阵或各虚拟子阵在所述各期望角度上的输出波束的数据 进行排列，采用基于多子阵分解的高分辨力信号到达方向角估计算法获取各回波的方位估计；
(5)对所述回波到达时刻和各回波的方位估计结果进行运动姿态修正和声速修正，生 成水底各测量点的位置与深度信息。进一步地，本发明所述步骤(2)中，所述回波对应的空间区域是扫描方向上的输出 波束时间维上最大值对应角度的组合，或者是扫描方向上的输出波束时间维上最大值对应 角度的平均值的邻近区域。进一步地，本发明所述步骤(2)中，所述各期望角度或者在所述回波对应的空间区 域内均勻分布，或者在所述回波对应的空间区域内随机分布，或者是所述扫描方向上的输 出波束在回波对应的空间区域内的角度。进一步地，本发明所述步骤(3)中，所述方案一的各子阵或者无重叠相邻分布，或 者无重叠间隔分布，或者重叠分布。进一步地，本发明所述步骤(4)中，所述回波到达时刻之间的间隔为传感器阵列接 收数据的采样时间间隔的P倍，P > 1且P为整数。与现有技术相比，本发明方法具有如下有益效果
(1)将基于多子阵分解的高分辨力信号到达方向角估计算法与常规波束形成技术相 结合，能够提高处理信噪比，减少有效阵元个数，进而降低高分辨力处理算法对于数据样本 点数的要求及计算要求；与现有处理技术相比，本发明中的方法适用性更强，应用于多子阵 的输出波束的高分辨力处理算法的操作使得本发明方法在较少样本点、较低信噪比的情况 下，能得到更精确、更稳定的回波方位估计，同时计算速度快，对传感器阵列的要求低，便于 工程应用。(2)将高分辨力的回波方向估计方法应用于多波束回波测深系统中，可以突破阵 列孔径对分辨力的限制，分辨出在单个波束宽度内同时到达的多个方向的回波信号，提高 尤其是边缘波束的测深精度；
(3)对单个形成波束中的回波个数进行估计，并根据估计结果进行常规或高分辨的相 应处理，在提高测深精度的同时保证计算效率，有利于数据的实时处理。
图1是典型多波束回波测深系统的组成示意图； 图2是常规的线列阵示意图3是本发明中针对线列阵的子阵分布形式示意图，其中，(a)为不重叠的相邻分布； (b)为重叠的分布；(c)为不重叠的间隔分布；
图4是本发明中传感器阵列回波方向估计方法的处理�？槭疽馔迹渲校桨敢皇钦� 对真实子阵的处理�？椋环桨付钦攵孕槟庾诱蟮拇砟？椋�
图5是本发明中多波束回波测深底检测方法的处理�？槭疽馔迹渲校桨溉钦攵� 一个回波的回波到达时刻和方位的估计；方案四是针对两个以上回波的高分辨处理；
图6是本发明中针对两个以上回波的高分辨处理的多波束回波底检测方法的一种实 施方式的流程图7是在两个仿真目标下常规波束形成的处理结果示意图；图8是在同样仿真条件下常规EsraiT算法的分辨效果图9是在同样仿真条件下本发明实施例中传感器阵列回波方向估计方法的分辨效果
图。
具体实施例方式本发明的基本构思为提供一种高分辨力的传感器阵列回波方向估计方法，此方 法结合多子阵处理技术、虚拟变换技术和波束驾驶技术，能获得更高精度的多个方向回波 的方位估计，同时降低计算的复杂性，有利于实时应用。同时将此方法应用于多波束回波测 深系统信号处理机中，得到一种能分辨多个方向回波的底检测方法，实现对底部回波信号 的高空间分辨力处理。多波束系统的典型组成如图1所示。信号处理机的主要功能是实现 传感器阵列接收信号的实时采集与处理，将采集数据和处理结果通过高速通讯口传给显示 /控制平台，同时协调显示/控制平台与系统其它设备之间的操作。下面结合附图以及具体实施方式
对本发明做进一步的详细描述 如图4所示，本发明提供的传感器阵列回波方向估计方法的处理模块包括
(1)波束形成单元，用于得到传感器阵列扫描方位上的输出波束；
(2)区域划分单元，用于根据波束形成单元的输出数据，通过回波检测得到回波对应的 空间区域，并选取N个期望角度，且N彡2 ；
(3)子阵划分单元，用于对传感器阵列进行划分，得到M个子阵，且M> 3 ；
(4)子阵构造单元，用于对传感器阵列进行虚拟变换，得到M个虚拟子阵，且M> 3 ；
(5)波束驾驶单元，用于得到各子阵或各虚拟子阵在各期望角度上的输出波束；
(6)高分辨力信号到达方向估计算法单元，用于对各子阵或各虚拟子阵在各期望角度 上的输出波束进行处理，得到回波到达方向的估计。其中，所述区域划分单元包括
1)回波空间区域单元，用于根据波束形成单元的输出波束进行回波检测，得到回波对 应的空间区域；
2)期望角度选取单元，用于在回波对应的波束方向及其邻域内选取N个期望角度，且 N彡2。所述子阵划分单元包括
1)子阵间延时关系单元，用于产生各子阵之间的延时关系；
2)子阵接收数据单元，用于产生各子阵的接收数据。本发明所述子阵构造单元包括
1)虚拟子阵间延时关系单元，用于产生各虚拟子阵之间的延时关系；
2)虚拟转换单元，用于将传感器阵列在所述期望角度上的输出波束转换为各虚拟子阵 在所述期望角度上的输出波束。所述高分辨力信号到达方向估计算法单元包括
1)数据合成单元，用于将输入数据进行排列，得到所述矩阵束；
2)方向个数单元，用于根据数据合成单元输出的矩阵束，估计回波方向的个数；
3)相位差空间单元，用于根据数据合成单元输出的矩阵束，结合方向个数单元输出的回波方向的个数，得到所述多个方向回波的相位差空间；
4)回波方向角估计单元，用于根据相位差空间单元的输出结果，结合所述各子阵或各 虚拟子阵之间的延时关系，得到各回波方向的角度值。本发明提供的传感器阵列回波方向估计方法的处理流程包括以下步骤
(1)通过波束形成单元，对传感器阵列的接收数据进行波束扫描及回波检测，通过区域 划分单元确定回波对应的空间区域，在该空间区域内选取两个以上期望角度；
在本步骤中，回波对应的空间区域是从扫描方位上的输出波束中得到，回波对应的空 间区域有多种获得方式，如每个时刻的扫描方位上的输出波束最大值对应角度的组合、或 者扫描方位上的输出波束最大值对应角度的时间均值的临近区域。本发明优选所述回波对 应的空间区域为回波对应的波束方向及其邻域，但对于其他的获得方式，本发明同样适用。在本步骤中，所述期望角度有多种选取方式，例如在所述回波对应的空间区域内 均勻选取、在所述回波对应的空间区域内随机选取或者从所述扫描方位上的输出波束在回 波对应的空间区域内的对应角度中选取。期望角度个数的增加，能提高回波方位的估计精 度，但同时也会增加计算量。本发明优选两个以上的期望角度，但对于其他的期望角度个 数，本发明同样适用。( 2 )执行方案一或方案二
方案一通过子阵划分单元，对传感器阵列进行划分得到三个以上子阵，并得到各子阵 之间的延时关系；通过波束驾驶单元对每个子阵的接收数据分别进行步骤(1)所述各期望 角度上的波束驾驶，得到每个子阵在各期望角度上的输出波束；
在本步骤中，子阵的划分方式可在图3所示的三种方式中任选一种，其中，(a)为不重 叠的相邻划分方式，此方式计算量较小，适用于较短的线列阵；(b)为重叠的划分方式，此 方式能增加阵元的利用率，但是会增加计算量；(c)为不重叠的间隔划分方式。在本步骤中，子阵的个数可以是大于二的任意数。子阵的个数越大，计算量也越 大；但子阵的个数较少时，分辨率可能无法达到要求。本发明中优选子阵的个数为三个以 上，但对于其他个数，本发明也是适用的。方案二 通过波束驾驶单元，对传感器阵列的接收数据进行步骤(1)所述各期望 角度上的波束驾驶，得到传感器阵列在各期望角度上的输出波束；通过子阵构造单元，对传 感器阵列在各期望角度上的输出波束进行虚拟变换，形成三个以上虚拟子阵，并得到各虚 拟子阵在各期望角度上的输出波束以及各虚拟子阵之间的延时关系；
在本步骤中，虚拟子阵的个数可以是大于二的任意数。虚拟子阵的个数越大，计算量也 越大；但虚拟子阵的个数较少时，分辨率可能无法达到要求。本发明中优选虚拟子阵的个数 为三个以上，但对于其他个数，本发明也是适用的。(3)根据步骤(2)所述方案一的各子阵或方案二的各虚拟子阵之间的延时关系，通 过高分辨力信号到达方向估计算法单元，对步骤(2)中得到的各子阵或各虚拟子阵在各期 望角度上的输出波束的数据进行排列，采用基于多子阵分解的高分辨力信号到达方向角估 计算法获取各回波的方位估计。在本步骤中，高分辨力信号到达方向估计算法为基于多子阵分解的高分辨力信号 到达方向角估计算法，本发明中优选基于旋转不变技术的信号参数估计方法(estimation of signal parameters via rotational invariance techniques，简写为 ESPRIT)。
本发明的多波束回波测深底检测方法是以上本发明传感器阵列回波方向估计方 法在多波束回波测深系统中的具体应用。如图5所示，本发明多波束回波测深底检测方法 的处理�？榘�
(1)波束形成单元，用于得到传感器阵列扫描方位上的输出波束；
(2)回波判定单元，用于根据波束形成单元的输出数据，得到每个扫描波束内回波个数 的估计；
(3)区域划分单元，用于根据波束形成单元的输出数据，通过回波检测得到回波对应的 空间区域，并选取N个期望角度，且N彡3 ；
(4)子阵划分单元，用于对传感器阵列进行划分，得到M个子阵，且M> 3 ；
(5)子阵构造单元，用于对传感器阵列进行虚拟变换，得到M个虚拟子阵，且M> 3 ；
(6)波束驾驶单元，用于得到各子阵或各虚拟子阵在各期望角度上的输出波束；
(7)高分辨力信号到达方向估计算法单元，用于对各子阵或各虚拟子阵在各期望角度 上的输出波束进行处理，得到回波到达方向的估计。其中，所述区域划分单元包括
1)回波空间区域单元，用于根据波束形成单元的输出波束进行回波检测，得到回波对 应的空间区域；
2)期望角度选取单元，在回波对应的波束方向及其邻域内选取N个期望角度，且N>3。所述子阵划分单元包括
1)子阵间延时关系单元，用于产生各子阵之间的延时关系；
2)子阵接收数据单元，用于产生各子阵的接收数据。所述子阵构造单元包括
1)虚拟子阵间延时关系单元，用于产生各虚拟子阵之间的延时关系；
2)虚拟转换单元，用于将传感器阵列在所述期望角度上的输出波束转换为各虚拟子阵 在所述期望角度上的输出波束。所述高分辨力信号到达方向估计算法单元包括
1)数据合成单元，用于将输入数据进行排列，得到所述矩阵束；
2)方向个数单元，用于根据数据合成单元输出的矩阵束，估计回波方向的个数；
3)相位差空间单元，用于根据数据合成单元输出的矩阵束，结合方向个数单元输出的 回波方向的个数，得到所述多个方向回波的相位差空间；
4)回波方向角估计单元，用于根据相位差空间单元的输出结果，结合所述各子阵或各 虚拟子阵之间的延时关系，得到各回波方向的角度值。本发明多波束回波测深底检测方法具体包括以下步骤
(1)通过波束形成单元，对传感器阵列的接收数据进行波束扫描及回波检测；通过回波 判定单元，估计每个扫描波束内的回波个数，并执行方案三或方案四
方案三如果回波个数为一个，则进行回波的到达时刻和方位的估计，并执行步骤
(5)；
方案四如果回波个数为两个以上，则执行步骤(2)；
(2)根据步骤(1)所述扫描波束的输出数据，通过区域划分单元，确定回波对应的空间 区域，并在该空间区域内选取三个以上期望角度；在本步骤中，回波对应的空间区域是从扫描方位上的输出波束中得到，所述回波对应 的空间区域有多种获得方式，如每个时刻的扫描方位上的输出波束最大值对应角度的组 合、或者扫描方位上的输出波束最大值对应角度的时间均值的临近区域。本发明优选回波 对应的空间区域为回波对应的波束方向及其邻域，但对于其他的获得方式，本发明同样适用。 在本步骤中，期望角度有多种选取方式，例如在回波对应的空间区域内均勻选 取、在回波对应的空间区域内随机选取或者从扫描方位上的输出波束在回波对应的空间区 域内的对应角度中选取。期望角度个数的增加，能提高回波方位的估计精度，但同时也会 增加计算量。本发明优选三个以上的期望角度，但对于其他的期望角度个数，本发明同样适用。 ( 3 )执行方案一或方案二
方案一通过子阵划分单元，对传感器阵列进行划分得到三个以上子阵，并得到各子阵 之间的延时关系；通过波束驾驶单元，对每个子阵的接收数据分别进行步骤(1)所述各期 望角度上的波束驾驶，得到每个子阵在各期望角度上的输出波束；
在本步骤中，子阵的划分方式主要有三种，如图3所示(a)为不重叠的相邻划分方式， 此方式计算量较�。视糜诮隙痰南吡姓螅�(b)为重叠的划分方式，此方式能增加阵元的利 用率，但是会增加计算量；(c)为不重叠的间隔划分方式。在本步骤中，子阵的个数可以是大于二的任意数。子阵的个数越大，计算量也越 大；但子阵的个数较少时，分辨率可能无法达到要求。本发明中优选子阵的个数为三个以 上，但对于其他个数，本发明也是适用的。方案二 通过波束驾驶单元，对传感器阵列的接收数据进行步骤(1)所述各期望 角度上的波束驾驶，得到传感器阵列在各期望角度上的输出波束；通过子阵构造单元，对传 感器阵列在各期望角度上的输出波束进行虚拟变换，形成三个以上虚拟子阵，并得到各虚 拟子阵在各期望角度上的输出波束以及各虚拟子阵之间的延时关系；
在本步骤中，虚拟子阵的个数可以是大于二的任意数。虚拟子阵的个数越大，计算量也 越大；但虚拟子阵的个数较少时，分辨率可能无法达到要求。本发明中优选虚拟子阵的个数 为三个以上，但对于其他个数，本发明也是适用的。(4)根据步骤(3)所述方案一的各子阵或方案二的各虚拟子阵之间的延时关系，通 过高分辨力信号到达方向估计算法单元，在回波到达时刻对步骤(3)中得到的各子阵或各 虚拟子阵在各期望角度上的输出波束的数据进行排列，采用基于多子阵分解的高分辨力信 号到达方向角估计算法获取各回波的方位估计；
在本步骤中，高分辨力信号到达方向估计算法为基于多子阵分解的高分辨力信号到达 方向角估计算法，本发明中优选ESPRIT高分辨算法。(5)根据传感器接收到的姿态以及声速数据，对回波到达时刻和各回波到达方向 的估计结果进行运动姿态修正和声速修正，生成水底各测量点的位置与深度信息，并将各 测量点的位置与深度信息进行存储。在本步骤中，回波到达时刻之间的间隔为传感器阵列接收数据的采样时间间隔的 P倍，P > 1且P为整数。因此不需要对传感器阵列的接收数据进行插值处理，简化操作流 程，减少计算量。
如图6所示，本实施例是本发明多波束回波测深底检测方法在阵元均勻分布的线 列阵上的具体应用，假定存在两个以上回波情况时，其具体步骤如下
(1)传感器阵列为阵元均勻分布的线列阵，得到线列阵各阵元上的时域数据； 本步骤中，阵元均勻分布的线列阵如图2所示。本实施例中选用的传感器阵列为阵元 均勻分布的线列阵，但本发明可应用于任意形状的平面阵，如阵元非均勻分布的线列阵、圆 弧阵、矩形阵等。(2)对该线列阵的接收数据进行波束扫描，确定回波对应的空间区域，并在回波对 应的波束方向及其邻域内选取N个期望角度，且^^ > 3 ；将该线列阵的接收数据作为下个步 骤的输入；
本实施例中选用扫描方位上的输出波束最大值对应角度的时间均值的临近区域作为 所述回波对应的空间区域，但对于其他的获得方式，本发明同样适用。本实施例中采用期望角度是从所述扫描方位上的输出波束在回波对应的空间区 域内的对应角度中选取的方式，但对于其他的选取方式，本发明同样适用。本实施例中选取 N的值为4，可以衡量在期望角度个数较小时本发明的估计精度。(3)将该线列阵划分为M个子阵，且M > 3，得到各子阵之间的延时关系和各子阵 的接收数据；将各子阵的接收数据作为下个步骤的输入；当采用方案二时，该步骤跳过；
本实施例中采用(b)重叠的划分方式，对于其他的划分方式，本发明同样适用。本实施 例中选取M的值为3，两个相邻子阵的阵中心之间的距离为一个阵元间距，对于其他的设定 本发明同样适用。(4)对输入数据进行所述各期望角度上的波束驾驶处理，得到在所各述期望角度 上的输出波束，并将该输出波束数据进行存储；
(5)得到虚拟变换矩阵。当采用方案一时，该步骤跳过； 具体地说，本步骤中，虚拟变换矩阵由以下式子定义 A=卜⑷…a^)],A=[i ⑷...=
这里麁为传感器阵列的阵列流型矩阵，Φ.)是传感器阵列在巧方向上的驾驶向量；
A力虚拟子阵的阵列流型矩阵，S^i)是虚拟子阵在4 Tj向上的驾驶向量，B,表示虚拟变
换矩阵，符号〃代表共轭转置，疼表示第η个所述期望角度。根据所需虚拟子阵的个数，确 定形成的虚拟变换矩阵的个数。(6)根据由步骤(5)所得的虚拟变换矩阵，对存储的输出波束数据进行变换，得到 各虚拟子阵在所述期望角度上的输出波束，并将变换的结果替换掉原存储数据进行存储。 当采用方案一时，该步骤跳过；
具体地说，本步骤中，变换方式由以下式子定义
y = Bfy
这里y为传感器阵列的输出波束，y为虚拟子阵的输出波束，B.表示虚拟变换矩阵，符 号”代表共轭转置。(7)读取存储的数据，根据数据对应的样本时刻得到回波的到达时刻并存储；在每个回波到达时刻将存储的波束域数据进行排列，构造为矩阵束，并计算该矩阵束的协方差 矩阵；
具体地说，本步骤中，矩阵束及其协方差矩阵的表达式由以下式子定义
这里ys为第m个子阵或虚拟子阵的输出波束，y为所述矩阵束，a为该矩阵束的协方 差矩阵，符号Ei丨表示求期望，符号代表共轭转置。(8)对步骤(7)所得的协方差矩阵进行特征值分解，估计回波的个数，并获得每个 子阵的信号子空间的估计；根据不同的准则，得到旋转变换矩阵申，通过对该旋转变换矩 阵进行特征值分解，得出特征值的估计值；
本步骤是高分辨力信号到达方向估计算法单元的具体实现，本实施例中采用的是 EsraiT算法，这只是给出了其中的一种，其它基于多子阵分解的算法也是可行的。EsraiT 算法的准则主要有两种最小二乘(least squares，简写为LS)准则和总体最小二乘 (total least squares，简写为TLS)准则。本实施例中采用的是LS准则。(9)获得各子阵或各虚拟子阵之间的延时关系的表达式；
本步骤中，对于真实子阵和虚拟子阵的处理方式相同。首先选定一个参考阵列，计算每 个子阵与该参考阵列之间，在所述各期望角度下的延时关系，该延时关系即为所述各子阵 之间的延时关系。通常选取一个子阵为参考阵列，则各子阵之间的延时关系对应为其它子 阵与该子阵之间，在所述各期望角度下的延时。本实施例中选取第一个子阵为参考阵列。具体地说，本步骤中，各子阵之间的延时关系由以下式子定义 Φ = di ag(产碌,…’ Adx知),
这里选第一个子阵为参考Φ 表亍第m+1个子阵与该参考阵列之间的延时关系， 为第m+1个子阵的首阵元与该参考阵列的首阵元之间的距离，d是阵元间距，达表示第η个
所述期望角度，c表示声速，diag()表示以输入向量为对角元素构造矩阵。(10)根据由步骤(9)所得的各子阵或各虚拟子阵之间的延时关系的表达式，结合 由步骤(8)所得的特征值，得到回波方向的相位差空间的估计；
(11)计算回波到达方向的估计，并存储估计结果；
权利要求
1.一种传感器阵列回波方向估计方法，其特征是，包括以下步骤(1)对传感器阵列的接收数据进行波束扫描及回波检测，确定回波对应的空间区域，并 在该该空间区域内选取两个以上期望角度；(2)执行方案一或方案二方案一对所述传感器阵列进行划分得到三个以上子阵，并得到各子阵之间的延时关 系；对每个子阵的接收数据分别进行步骤(1)所述各期望角度上的波束驾驶，得到每个子 阵在所述各期望角度上的输出波束；方案二 对所述传感器阵列的接收数据进行步骤(1)所述各期望角度上的波束驾驶， 得到所述传感器阵列在所述各期望角度上的输出波束；对所述传感器阵列在所述各期望角 度上的输出波束进行虚拟变换而形成三个以上虚拟子阵，并得到各虚拟子阵在所述各期望 角度上的输出波束以及各虚拟子阵之间的延时关系；(3)根据步骤(2)所述方案一的各子阵或方案二的各虚拟子阵之间的延时关系，对步骤 (2)中得到的各子阵或各虚拟子阵在所述各期望角度上的输出波束的数据进行排列，采用 基于多子阵分解的高分辨力信号到达方向角估计算法获取各回波的方位估计。
2.根据权利要求1所述的传感器阵列回波方向估计方法，其特征是所述步骤(1)中， 所述各期望角度或者在所述回波对应的空间区域内均勻分布，或者在所述回波对应的空间 区域内随机分布。
3.根据权利要求1所述的传感器阵列回波方向估计方法，其特征是所述步骤(2)中， 所述方案一的各子阵或者无重叠相邻分布，或者无重叠间隔分布，或者重叠分布。
4.一种多波束回波测深底检测方法，其特征是，包括以下步骤(1)对传感器阵列的接收数据进行波束扫描及回波检测，估计每个扫描波束内的回波 个数，并执行方案三或方案四方案三如果所述回波个数为一个，则估计所述回波的到达时刻和方位，并执行步骤(5)；方案四如果所述回波个数大于一个，则执行步骤(2)；(2)根据步骤(1)所述扫描波束的输出数据，确定回波对应的空间区域，并在该空间区 域内选取三个以上期望角度；(3)执行方案一或方案二方案一对所述传感器阵列进行划分得到三个以上子阵，并得到各子阵之间的延时关 系；对每个子阵的接收数据分别进行步骤(1)所述各期望角度上的波束驾驶，得到每个子 阵在所述各期望角度上的输出波束；方案二 对所述传感器阵列的接收数据进行步骤(1)所述各期望角度上的波束驾驶， 得到所述传感器阵列在所述各期望角度上的输出波束；对所述传感器阵列在所述各期望角 度上的输出波束进行虚拟变换而形成三个以上虚拟子阵，并得到各虚拟子阵在所述各期望 角度上的输出波束以及各虚拟子阵之间的延时关系；(4)根据步骤(3)所述方案一的各子阵或方案二的各虚拟子阵之间的延时关系，在回波 到达时刻对步骤(3)中得到的各子阵或各虚拟子阵在所述各期望角度上的输出波束的数据 进行排列，采用基于多子阵分解的高分辨力信号到达方向角估计算法获取各回波的方位估 计；(5)对所述回波到达时刻和各回波的方位估计结果进行运动姿态修正和声速修正，生 成水底各测量点的位置与深度信息。
5.根据权利要求4所述的多波束回波测深底检测方法，其特征是所述步骤(2)中，所 述回波对应的空间区域是扫描方向上的输出波束时间维上最大值对应角度的组合，或者是 扫描方向上的输出波束时间维上最大值对应角度的平均值的邻近区域。
6.根据权利要求4所述的多波束回波测深底检测方法，其特征是所述步骤(2)中，所 述各期望角度或者在所述回波对应的空间区域内均勻分布，或者在所述回波对应的空间区 域内随机分布，或者是所述扫描方向上的输出波束在回波对应的空间区域内的角度。
7.根据权利要求4所述的多波束回波测深底检测方法，其特征是所述步骤(3)中，所 述方案一的各子阵或者无重叠相邻分布，或者无重叠间隔分布，或者重叠分布。
8.根据权利要求4所述的多波束回波测深底检测方法，其特征是所述步骤(4)中，所 述回波到达时刻之间的间隔为传感器阵列接收数据的采样时间间隔的P倍，P > 1且P为 整数。
全文摘要
本发明公开一种传感器阵列回波方向估计及多波束回波测深底检测方法。传感器阵列回波方向估计方法包括以下步骤(1)对阵列的接收数据进行波束扫描及回波检测，获得回波对应的空间区域并选取三个以上期望角度；(2)获取各子阵或各虚拟子阵在所述各期望角度上的输出波束以及各子阵或各虚拟子阵之间的延时关系；(3)根据步骤(2)得到的输出波束以及延时关系，采用高分辨力信号到达方向角估计算法，得到各回波的方位估计。本发明公开的方法适用于非规则形状的传感器阵列，能突破阵列孔径对分辨力的限制，改善多波束回波测深系统边缘波束的底检测精度；实现方法的设计可降低高分辨力信号到达方向角估计算法执行时对数据的要求，便于工程应用。
文档编号G01S7/539GK102087357SQ201010594168
公开日2011年6月8日 申请日期2010年12月18日 优先权日2010年12月18日
发明者姜莹, 徐文, 章惠泉 申请人:浙江大学
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