第1章　绪论
　　多波束测深声呐（multi-beam bathymetric sonar），又称为条带测深声呐（swath bathymetric sonar）或多波束回声测深仪（multi-beam echo sounder）等。多波束测深声呐概念的提出源于1956年夏季在美国伍兹霍尔（Woods Hole）海洋研究所召开的一次学术研讨会，在这次学术研讨会上*次出现了多波束测深声呐的构想，与单波束测深技术相比实现了质的飞跃。随着多波束测深技术的逐渐成熟与进步，其在海洋科学研究、资源开发、工程建设及海洋军事应用等事项中的表现更加出色、作用更加重要。本章将简要介绍多波束测深声呐技术原理与系统组成，并重点分析影响多波束测深声呐技术性能的主要因素及技术发展概述。
　　1.1　多波束测深声呐技术原理
　　多波束测深声呐的核心特点是发射与接收换能器基阵（本书分别简称为发射阵与接收阵）以垂直方式排列，其又称为米尔斯交叉（Mills cross）阵，该命名源于澳大利亚新南威尔士州建造的开创性射电天文仪器。发射阵沿航迹向布置，可在垂直于航迹向形成宽的波束扇面，而在航迹向波束角度较小，即在海底的照射区域呈条带形状（图1-1）；接收阵垂直于航迹向排列，通过多波束形成技术在
　　图1-1　多波束测深声呐技术原理图
　　航迹向形成多个近似平行的观测条带，接收阵收到的海底回波主要来自两个条带的重叠区域，这些重叠区域可以看作一系列区域小块，又称为波束足印。在实际的测量中，发射、接收波束在海底与船行方向垂直的条带区域内相交，可以形成数以百计甚至千计的波束足印，每个波束足印内的反向散射信号是估计回波到达时间 和到达角度 的信息源头。
　　假设水下声速剖面为常数，声波到海底的路径为直线，即斜距 ，其中， 为水中声速， 为双程传播时间。令声呐位置为坐标原点， 为波束角度，则波束足印对应的坐标位置 可以简化为
　　（1-1）
　　由于实际中声速随深度变化，所以需要采用声线跟踪技术对声波传播路径进行重新估计，进而得到更加准确的波束足印位置与深度值。由此估计的位置是相对于声呐为原点的坐标系，还需要将该坐标转换到地理信息坐标系中进行表示。此外，声呐搭载平台的横摇、纵摇及艏向等姿态变化影响也需要考虑进去。*终，当多波束测深声呐沿指定测线连续测量并将多条测线测量结果合理拼接后便可得到一定区域的数字水深值/图，也就是海底地形图。
　　1.2　多波束测深声呐系统组成
　　多波束测深声呐自身是一个相对复杂的系统，主要包括声学部分、电子部分、采集控制与存储部分和后处理软件等，且还必须与运动姿态传感器、罗经、全球导航卫星系统（global navigation satellite system，GNSS）、表层声速计、声速剖面仪等外部传感器进行信息集成。多波束测深声呐按载体通常分为船载式和潜用式，按照测量水深范围可以分为浅水型、中水型和深水型，按照工作频率可以分为单频、多频和宽带，按覆盖宽度范围可以分为宽覆盖和超宽覆盖，按照完成功能丰富程度可以分为单功能型和多功能型，按照应用形态可以分为测深型和测深辅助型（根据测深对象的特殊需求，可延伸为*立仪器，如海底管线仪、海底桩基形位仪）等。虽然多波束测深声呐的类型多样，但其主要组成及对外部传感器的需求基本一致。
　　《声呐电子系统设计导论》已对多波束测深声呐电子部分中各硬件模块的设计和实现等方面进行了详细的介绍[1]，本书中不再赘述。本节主要从多波束测深声呐核心处理算法、软件及信息交互的角度对多波束测深声呐系统组成进行分析。如图1-2所示，多波束测深声呐的声学部分主要包括呈Mills交叉配置的发射阵与接收阵。电子部分中的发射模块生成连续波（continuous waveform，CW）、线性调频（linear frequency modulation，LFM）等多种形式的电脉冲信号，并通过发射阵向水下辐射声波，而保障多波束测深声呐测绘效率的纵摇稳定/艏向稳定/横摇稳定技术也是通过发射模块的相控手段来实现的；当接收阵接收海底或水中目标的反向散射回波后，接收模块*先进行多通道模拟信号滤波、模数转换等处理得到多通道数字信号；在此基础上，进行波束形成及波束信号检波处理，*终得到多波束测深声呐结果数据—回波到达角度（direction of arrival，DOA）与回波到达时间（time of arrival，TOA），即1.1节中的 值。特别地，接收模块中的横摇稳定是参与到波束形成算法之中来实现的，而非*立结构。
　　多波束测深声呐自身产生的数据结果、工作参数、外部传感器数据都将通过采集软件以自定义格式或通用格式（如extended triton format，XTF）的形式存储，并被后处理软件利用。通过后处理软件处理，我们通常可以得到海底的数字水深值/图、海底反向散射声学图像（也称为海底地貌图像或海底图像）及水体图像。
　　图1-2　多波束测深声呐系统概要
　　1.3　影响多波束测深声呐技术性能的主要因素
　　评价多波束测深声呐性能的根本是看其输出产品（数字水深值/图、海底图像、水体图像等）的质量。例如，国际海道测量组织（International Hydrographic Organization，IHO）发布的第6版《IHO海道测量标准（S-44）》对多波束测深声呐在海底水深结果、地物检测能力方面有着详细的分级评价标准，具体来说是评价多波束测深声呐的海底地形测量精度及目标分辨能力。从海洋测绘、水下目标检测等需求角度来说，多波束测深声呐需要获得更准确的海底地形（高精度），获得更清晰的海底或水中目标的形位/图像（高分辨），并且考虑到费效比，多波束测深声呐还须具有更为高效的测量能力。
　　1. 测量精度
　　无论是单波束测深声呐、多波束测深声呐还是侧扫测深声呐，测量精度都是
　　图1-3　影响测量精度的
　　多波束测深声呐关键技术
　　其核心考核指标，因此各声呐厂商、科研机构与应用单位在声呐设计、软/硬件实现及考核方法等方面的创新性研究中许多都以提升测量精度为目的。影响测量精度的因素很多，主要包括声呐本身及外部传感器等设备因素，此外，测量精度也与载体平台、水文等外部条件息息相关。从多波束测深声呐自身角度来看，除了硬件模拟/数字电路技术，测量精度主要还与图1-3中所列的关键技术有关，主要包括声呐基阵设计、基阵校正技术、发射信号设计、声线跟踪算法、质量控制算法、数据滤波算法及信号检测算法等。在第2章中，我们将重点对部分关键技术的原理及其性能进行讨论。
　　2. 测量分辨力
　　分辨力是衡量多波束测深声呐技术水平的另外一个重要指标，它决定了水下两个相邻目标的分辨能力。在航迹向，分辨力受限于发射阵航迹向波束宽度、水深等因素；在垂直于航迹向，分辨力与波束宽度、信号带宽等有关。具体来说，分辨力可以通过有效声照射区的尺度来判断，当有效声照射区较小时，分辨力较高，反之亦然。分辨力的概念容易与分辨率的概念混淆，后者通常被用于衡量声呐系统对空间目标及海底地形的精细探测程度[1]。在航迹向，分辨率与船速、测量周期频率（也称为Ping率）有关；在距离向，分辨率与信号采样间隔有关；在垂直于航迹向，分辨率与波束密度有关。
　　有效声照射面积由波束足印面积与声脉冲瞬时照射面积共同作用，其中，每个波束对海底的照射区域也称为波束足印，是指到达海底的波束宽度范围内能量所照射的面积（图1-4）。波束足印面积在航迹向由发射阵垂直波束宽度 与波束到海底的斜距 确定，在垂直航迹向上与波束入射角 、接收阵水平波束宽度 及 有关。所以，波束足印面积可以近似计算为
　　（1-2）
　　声脉冲照射面积与垂直航迹向上发射声信号照射到海底的有效范围有关，在航迹向上仍可由发射阵垂直波束宽度 与波束到海底的斜距 近似确定，通常的近似式可以表示为
　　（1-3）
　　式中， 为发射声信号的脉冲宽度； 为水中声速。
　　图1-4　有效声照射面积几何示意图
　　有效声照射面积取决于波束足印面积与声脉冲照射面积，这两者的面积随入射角度的变化也表现出不同。例如，假设水深为50m，声脉冲宽度为1ms，发射阵垂直波束宽度 ，接收阵水平波束宽度为 （对于直线接收阵来说，实际的波束宽度会随入射角的增大而增大），图1-5为波束足印面积与声脉冲照射面积随入射角的变化关系*线，结合图1-4可以看出，在小入射角区域附近， 要大于 ，但是随着入射角的增加，*终 会超过 ，所以有效声照射面积应该取它们的交集，即
　　（1-4）
　　而从数学计算上也可以直接表示为
　　（1-5）
　　此外，在实际应用中，由于水中声线弯*现象的存在，水深、水平位移及传播距离三者之间只能近似构成三角形关系，从而计算的 会存在一定的误差。
　　图1-5　波束足印面积与声脉冲照射面积随入射角的变化关系*线
　　总体来说，如图1-6所示，测量分辨力与多波束测深声呐的发射信号设计、波束形成技术、信号检测算法及海底成像算法等有关，具体细节将在第3章中进行阐述。
　　3. 测量效率
　　多波束测深声呐*基本的任务就是海底地形测绘，与单波束测深声呐相比*根本的优势就是测绘效率高，因此测绘效率也是近年来多波束测深技术不断发展的方向之一。例如，测量船行进过程存在“左摇右摆”，导致测绘的条带参差不齐，测绘条带的有效宽度变窄，降低了测绘效率，而经过横摇实时补偿处理后，就能得到不受载体横摇影响的测绘条带分布，明显地提高了测绘效率；此外，测绘条带会随着测量船的“前俯后仰”，在航行方向上呈“深一脚、浅一脚”的不均匀分布，这就需要对纵摇进行实时补偿，使得测绘条带在航行方向上的分布更均匀。第4章中，我们将对影响测量效率的关键技术（声呐类型、横摇补偿技术、纵摇补偿技术、艏向补偿技术、声呐基阵设计、宽覆盖扫测技术等）进行详细说明（图1-7）。
　　图1-6　影响测量分辨力的多波束测深声呐关键技术
　　图1-7　影响测量效率的多波束测深声呐关键技术

目录
丛书序
序
自序
第1章　绪论1
1.1　多波束测深声呐技术原理1
1.2　多波束测深声呐系统组成2
1.3　影响多波束测深声呐技术性能的主要因素3
1.4　多波束测深声呐技术发展概述7
参考文献11
第2章　多波束海底地形高精度探测技术13
2.1　声基阵校正13
2.1.1　幅相一致性校正技术13
2.1.2　阵元间距校正技术25
2.2　海底回波信号高精度检测算法29
2.2.1　海底回波信号检测基本原理30
2.2.2　加权时间平均技术31
2.2.3　分裂孔径相关技术32
2.2.4　多子阵对幅度-相位联合检测法34
2.3　数据质量评估技术40
2.3.1　测量不确定度40
2.3.2　海底回波检测方法的相对测深误差分析41
2.3.3　数据质量的评价依据—质量因子44
2.4　数据异常值检测与滤波46
2.4.1　**算法概述47
2.4.2　基于截断*小二乘估计趋势面滤波的异常值自动检测与剔除算法47
2.4.3　基于联合不确定度的多波束测深数据质量控制51
2.4.4　基于预测误差质量因子的多波束测深异常值在线检测与滤波算法53
2.5　声速对测深的影响与消除算法58
2.5.1　表层声速对测深结果的影响及消除59
2.5.2　声速剖面对测深结果的影响及消除61
参考文献64
第3章　多波束海底地形高分辨力探测技术67
3.1　多波束测深声呐水平向高分辨力处理67
3.1.1　常规波束形成67
3.1.2　一维解卷积波束形成69
3.1.3　二维解卷积波束形成74
3.2　多波束测深声呐距离向高分辨力处理81
3.2.1　距离向复杂信号脉冲压缩81
3.2.2　基于波束幅度的距离向多回波检测88
3.2.3　基于谱特征的距离向多回波检测93
3.3　多波束测深声呐航迹向高分辨力处理98
3.3.1　多波束测深声呐航迹向孔径合成原理98
3.3.2　多波束合成孔径声呐成像处理101
参考文献114
第4章　多波束海底地形高效率探测技术116
4.1　海底地形宽覆盖扫测技术116
4.1.1　宽覆盖声呐基阵设计116
4.1.2　影响覆盖宽度的因素分析118
4.2　运动姿态主动稳定技术120
4.2.1　横摇稳定121
4.2.2　纵摇稳定124
4.2.3　艏向稳定125
4.3　面地形探测技术129
4.3.1　二维均**面阵面地形探测技术129
4.3.2　二维稀疏阵面地形探测技术130
参考文献136
第5章　多波束测深声呐水下环境探测新能力138
5.1　海底反向散射成像138
5.1.1　海底反向散射成像方法138
5.1.2　海底反向散射强度的估计146
5.1.3　海底反向散射强度的角度关系确定与剔除147
5.1.4　试验数据处理148
5.2　水体成像151
5.3　加密检测154
5.3.1　水平向加密检测技术154
5.3.2　距离向加密检测技术155
参考文献157
第6章　多波束海底分类技术159
6.1　海底底质类型的划分方法159
6.2　多波束分类软件系统概述161
6.3　声学海底分类的依据162
6.3.1　海底反向散射模型162
6.3.2　海底反向散射数据统计模型164
6.4　基于海底反向散射图像的海底分类171
6.4.1　基于数据概率分布特性的特征提取171
6.4.2　基于灰度共生矩阵的纹理特征提取172
6.4.3　基于功率谱比的Pace特征173
6.4.4　分类结果示例174
6.5　基于海底反向散射强度角度响应的海底分类175
6.5.1　海底反向散射强度数据的角度响应特征提取与分类175
6.5.2　基于多角度间隔ARC的底质分类技术177
6.6　多波束海底分类应用的延伸—沉底油探测179
6.7　影响分类正确率的因素分析181
参考文献183
第7章　海底地形辅助导航186
7.1　基于广义极大似然估计的稳健地形匹配定位186
7.1.1　广义极大似然估计原理186
7.1.2　基于梯度下降的优化搜索187
7.1.3　差分进化全局搜索188
7.1.4　基于差分进化全局搜索的广义极大似然估计稳健地形匹配定位算法191
7.1.5　船载测深数据离线回放定位试验193
7.2　基于递推贝叶斯估计的稳健地形跟踪导航195
7.2.1　基于自适应采样粒子滤波的地形跟踪导航196
7.2.2　基于稳健粒子滤波的地形跟踪导航203
参考文献212
第8章　水中气泡群探测213
8.1　舰船尾流探测213
8.1.1　舰船尾流的几何分布与声学建模213
8.1.2　舰船尾流的测量方法216
8.1.3　基于相干反向散射增强的舰船尾流探测方法221
8.2　海底泄漏/渗漏气体的探测224
8.2.1　基于光流原理的海底泄漏/渗漏气体的运动特征获取224
8.2.2　海底泄漏/渗漏气体的多阈值检测229
8.2.3　基于多波束测深声呐的水下泄漏气体实时探测工程实例232
参考文献234
索引235
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