淺談多波束測量中的旁瓣效應(yīng)

葉小凡,陶 宇,周 沖

(浙江省河海測繪院,浙江 杭州 310008)

1 問題的提出

海洋占地球總面積的71%,擁有豐富的石油、天然氣等很多種礦藏。船運(yùn)的發(fā)展,海洋的運(yùn)輸功能日益明顯,隨著海洋在人類發(fā)展中起到越來越大的作用,圍繞海洋的科學(xué)研究、資源開發(fā)、工程建設(shè)以及在軍事活動等獲得了飛速的發(fā)展,這都少不了對海底地貌的探測。聲音在水中傳播具有獨(dú)特的優(yōu)勢,人們也一直試圖把聲音引用到海洋的測量中來。直到19世紀(jì)20年代出現(xiàn)了單波束回聲測深儀,20世紀(jì)60年代出現(xiàn)了多波束測深聲納[1-2]。從此聲納技術(shù)經(jīng)歷了有寬波束、低精度、低集成到窄波束、高精度、高集成的發(fā)展過程,成為目前準(zhǔn)確測量海底地形地貌的唯一方法[3]。

每種測量方法都會有誤差,包括測量誤差、系統(tǒng)誤差等。多波束測量也有其根本性的不足。旁瓣效應(yīng)即是其一,旁瓣效應(yīng)廣泛存在于各種與信號相關(guān)的測量中[4]。下面從多波束聲學(xué)原理上闡述旁瓣效應(yīng)的來源。

2 旁瓣效應(yīng)的來源

2.1 多波束測深的基本原理

多波束測深儀采用發(fā)射、接收指向性正交的2組換能器陣,向海底發(fā)射聲波信號并接收反射與散射回波信號,通過接收指向性與發(fā)射指向性疊加,獲得一系列垂直于航向分布的窄波束。由于海底是聲波傳輸過程中最強(qiáng)的反射界面,對每個波束腳印內(nèi)的回波信號沿接收換能器陣排列方向進(jìn)行時序采樣,檢測單個波束腳印內(nèi)反射波的尖脈沖形態(tài)。通過判斷這些波束到達(dá)海底的方向角度與往返海底的旅行時間,可以獲取換能器中心與各個波束腳印之間的相對位置關(guān)系,從而推算出波束腳印的空間位置與水深,進(jìn)而達(dá)到測量海底地形的目的[5]。

2.2 波束之間的干涉

一個單波束在水中發(fā)射后,波束是球形等幅度傳播,所以各方向的聲能相等,這種均勻傳播稱為等方向性傳播(Isotropic Expansion),發(fā)射陣也稱等方向性波形。顯然這種聲波沒有方向性,不能區(qū)分來自不同方向同等距離的目標(biāo),因此測深時不能采用這種波束。發(fā)射基陣可以產(chǎn)生預(yù)定方向上的聲波。如果2個相鄰的的發(fā)射器發(fā)射相同的等方向性的聲信號,聲波圖將互相重疊和干涉。2個波峰或者2個波谷之間的疊加會增強(qiáng)波的能量,波峰與波谷的疊加正好互相抵消,能量為0。一般相長干涉發(fā)生在距離每個發(fā)射器相等的點(diǎn)或者整個波長處。

2.3 旁瓣效應(yīng)

對一個典型的聲納系統(tǒng),其基陣的間距等于半波長,則相長干涉發(fā)生時的點(diǎn)位處于最有利的角度 (點(diǎn)位與基陣中心的連線與水平線的夾角),相長干涉發(fā)生在θ=0°和θ=180°處,相消干涉發(fā)生在θ=90°和θ=270°處。相長干涉和相消干涉見圖1。

圖1 相長干涉和相消干涉圖

如果一個發(fā)射陣的能量分布在狹窄的角度中,就稱該系統(tǒng)指向性高。真正的發(fā)射陣由多個發(fā)射器組成,有直線陣和圓形陣等。圖2中能量最大的波束稱為主瓣,也是相長干涉處,引起能量的泄露。旁瓣能引起回波,對主瓣的回波產(chǎn)生干涉,即為旁瓣效應(yīng)。

圖2 主瓣和旁瓣圖

3 多波束測量中減小旁瓣效應(yīng)的研究

到目前為止,對多波束減小旁瓣效應(yīng)帶來的誤差的研究還很少。下面給出3個減小旁瓣效應(yīng)的方法。

3.1 加權(quán)法

旁瓣效應(yīng)是不可避免的,可以通過加權(quán)的方法降低旁瓣水平,但是加權(quán)后,旁瓣水平值降低,波束卻展寬了[7]。

3.2 最小二乘格型算法 (LSL)

Alexandrou針對Sea Beam多波束測深聲納數(shù)據(jù)中存在的旁瓣效應(yīng),提出了利用最小二乘格型 (LSL)算法(濾波器)消弱旁瓣干擾,并仿真驗證在窄波束條件下對旁瓣干擾的消弱能力。

3.3 最小方差無失真響應(yīng) (MVDR)算法

文獻(xiàn)[7]中,研究了基于廣義旁瓣抵消器(GSC)結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)波束形成模式,提出利用最小方差無失真響應(yīng)算法 (MVDR)。利用該算法對多波束測深系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)中存在的隧道效應(yīng)進(jìn)行處理,驗證了新算法對波束旁瓣抑制的有效性。

4 結(jié) 語

隨著多波束越來越廣泛的應(yīng)用,減小其誤差就顯得很有必要。聲學(xué)信號之間的互相干擾以及產(chǎn)生的旁瓣效應(yīng),目前的研究只處于初步階段,具體到多波束構(gòu)造的改進(jìn)幾乎沒有應(yīng)用。本文結(jié)合相關(guān)科研工作者的研究成果,給出了3個可能的方向。還需要相關(guān)的科研工作者進(jìn)一步研究,并投入到多波束儀器的設(shè)計中去,以減小旁瓣效應(yīng)對測量的影響,提高測量的準(zhǔn)確性。

[1]李海森,周天,徐超.多波束測深聲納技術(shù)研究新進(jìn)展[J].聲學(xué)技術(shù),2013,32(2):73-80.

[2]高君,肖付民,裴文斌,等.多波束測深儀掃幅寬度評估方法[J].測繪科學(xué)技術(shù)學(xué)報,2013,30(1):28-32.

[3]蘇程,俞偉斌,倪廣翼,等.深水多波束測深側(cè)掃聲納顯控系統(tǒng)研究[J].浙江大學(xué)學(xué)報:工學(xué)版,2013,47(6):934-943.

[4]王忠仁,高健,林君.可控震源匹配掃描方法研究 [J].地球物理學(xué)報,2010,53(11):2754-2759.

[5]李家彪,多波束勘測原理技術(shù)與方法[M].北京:海洋出版社,1999.

[6]趙建虎,劉經(jīng)南.多波束測深及圖像數(shù)據(jù)處理[M].武漢:武漢大學(xué)出版社,2008.

[7]魏玉闊,陳寶偉,李海森.利用MVDR算法消弱多波束側(cè)身聲納的隧道效應(yīng)[J].海洋測繪,2011,31(1):55-60.