[發(fā)明專利]一種使用發(fā)射子陣的MIMO陣列測深方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410175249.6
• 申請日: 2014-04-29
• 公開（公告）號: CN103926586A
• 公開（公告）日: 2014-07-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 孫超;劉雄厚;卓頡
• 申請（專利權(quán)）人: 西北工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: G01S15/02
• 分類號: G01S15/02
• 代理公司: 西北工業(yè)大學(xué)專利中心 61204
• 代理人: 顧潮琪

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種陣列成像方法。

背景技術(shù)

安裝在水下小型平臺(如AUV和ROV)上的多波束測深系統(tǒng)通常采用Mills交叉陣，即采用相互垂直的發(fā)射直線陣和接收直線陣(de?Moustier?C.State?of?the?art?in?swath?bathymetry?survey?systems.International?Hydrographic?Review,Monaco,1988:25-54.吳英姿.多波束測深系統(tǒng)地形跟蹤與數(shù)據(jù)處理技術(shù)研究.哈爾濱工程大學(xué)博士論文,2002.)。以Mill’s交叉陣中的十字陣為例，如圖1所示(其中三角“Δ”代表發(fā)射陣元，圓圈“O”代表接收陣元)，為了不破壞AUV的線型，在布陣時(shí)，十字陣的物理尺寸均不得超出AUV的橫向和縱向尺寸。如圖2所示，在測深過程中，發(fā)射直線陣發(fā)射單個(gè)脈沖并“照亮”AUV正下方的一個(gè)條帶。接收直線陣對該條帶的回波進(jìn)行多波束處理，獲得該條帶的離散深度值。隨著AUV往前航行，可陸續(xù)獲得多個(gè)條帶的測深結(jié)果。將這些條帶的測深結(jié)果進(jìn)行綜合拼接，最終可獲得一片水下區(qū)域的深度值，即水下三維地形。該型測深系統(tǒng)的方位分辨率可分為沿航向分辨率和跨航向分辨率，如圖3所示。沿航向分辨率由發(fā)射直線陣的孔徑?jīng)Q定，而跨航向分辨率由接收直線陣的孔徑?jīng)Q定。因此，若要提高方位分辨率，則需要提高發(fā)射直線陣和接收直線陣的有效孔徑。

由于發(fā)射端使用直線陣，發(fā)射波束指向AUV正下方且每一ping(一ping指一個(gè)發(fā)射和接收周期)僅形成單個(gè)向下的發(fā)射波束。為了減小波束主瓣寬度以提高沿航向分辨率，發(fā)射直線陣可以利用大于半波長(如一個(gè)波長)的布陣方式。盡管此時(shí)會在發(fā)射波束圖的邊緣角度上產(chǎn)生柵瓣，但這些柵瓣都遠(yuǎn)離法線方向且?guī)缀鯖]有回波，因此不會對主瓣內(nèi)的信號產(chǎn)生干擾(de?Moustier?C.State?of?the?art?in?swath?bathymetry?survey?systems.International?Hydrographic?Review,Monaco,1988:25-54.)。在接收端，接收直線陣需要進(jìn)行多波束處理，因此采用傳統(tǒng)的半波長布陣。然而，隨著接收主瓣從中央波束往邊緣波束移動，接收孔徑會逐漸變小，波束腳印會隨之?dāng)U大，即邊緣波束的分辨率低于中央波束(見圖3)。若要提高接收直線陣的孔徑，傳統(tǒng)方法為增加陣列尺寸或提高發(fā)射信號頻率，而這又面臨著AUV內(nèi)部空間限制和吸收損失增加的問題。因此，如何增加接收孔徑，成為提高跨航向分辨率的關(guān)鍵因素之一。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種測深方法，由兩個(gè)發(fā)射直線陣和一個(gè)接收直線陣組成MIMO陣列，每個(gè)發(fā)射直線陣內(nèi)部發(fā)射相干的信號，而發(fā)射直線陣之間發(fā)射相互獨(dú)立的信號，如此便同時(shí)獲得發(fā)射子陣的指向性、陣增益和MIMO系統(tǒng)的波形分集增益，在不增加接收直線陣物理尺寸和提高發(fā)射信號頻率的前提下，將多波束測深系統(tǒng)的跨航向分辨率倍增。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案包括以下步驟：

1)采用兩個(gè)相同的均勻直線陣作為發(fā)射陣的子陣，兩個(gè)子陣相互平行并各個(gè)陣元對齊，兩個(gè)子陣之間的距離等于接收陣的陣元個(gè)數(shù)乘以陣元間距，每個(gè)子陣內(nèi)部的發(fā)射信號相干，兩個(gè)子陣之間的發(fā)射信號相互獨(dú)立，且兩個(gè)子陣的發(fā)射信號的自相關(guān)函數(shù)具有相同的主瓣和低旁瓣，所述接收陣采用均勻直線陣；

2)兩個(gè)子陣同時(shí)發(fā)射脈沖信號并同時(shí)照亮單個(gè)條帶，除該條帶外，其他區(qū)域處于發(fā)射波束的旁瓣內(nèi)；

3)接收陣采集回波，用兩個(gè)發(fā)射子陣的發(fā)射信號對回波進(jìn)行匹配濾波處理；

4)對步驟3)所述匹配濾波的輸出進(jìn)行多波束處理，形成多個(gè)接收波束腳印覆蓋測深條帶；估計(jì)回波到達(dá)時(shí)延，將時(shí)延轉(zhuǎn)換為接收波束腳印的坐標(biāo)，即獲得該條帶的離散深度。

所述兩個(gè)子陣的發(fā)射信號的旁瓣峰值小于等于主瓣峰值的0.2倍，兩個(gè)子陣的發(fā)射信號的互相關(guān)函數(shù)的峰值小于等于自相關(guān)函數(shù)主瓣峰值的0.2倍。

隨著發(fā)射陣和接收陣所在平臺的移動，重復(fù)步驟1)～步驟4)，進(jìn)行逐條帶處理，即獲得一片區(qū)域的深度值。

本發(fā)明的有益效果是：可以在不增加接收ULA的陣列尺寸和提高發(fā)射信號頻率的前提下，使接收端的方位分辨率倍增，即使得條帶式測深系統(tǒng)跨航向分辨率倍增。

附圖說明

圖1是AUV攜帶十字陣的示意圖，其中三角“Δ”代表發(fā)射陣元，圓圈“O”代表接收陣元；

圖2是十字陣測深系統(tǒng)在工作中進(jìn)行逐條帶測深的示意圖；

圖3是單個(gè)條帶上的波束腳印和分辨率示意圖；