结合波束响应修正的水体反向散射强度测量的修正方法技术

本发明专利技术公开一种结合波束响应修正的水体反向散射强度测量的修正方法，通过多波束声纳系统波束响应计量试验获取空间开角覆盖范围内的回波数据，计算余弦角度上的波束响应起伏和波束宽度；获得空间波束开角覆盖范围内的波束数据；根据发射信号脉宽得到的层厚对单个波束数据在径向距离上进行精细分层，并计算出层内所有样本点能量和作为该层所有散射体的回波强度；计算空间各测量块的有效测量体积、几何扩展和吸收带来的传播损失；获得单位体积反向散射强度，完成发射波束开角范围内所有测量块的单位体积反向散射强度修正。本发明专利技术消除了多波束声纳系统自身波束方向性和随着径向距离的增加测量块体积变化带来的影响，有效提高了水体散射特性测量准确性。了水体散射特性测量准确性。了水体散射特性测量准确性。

【技术实现步骤摘要】
结合波束响应修正的水体反向散射强度测量的修正方法


[0001]本专利技术涉及多波束声纳系统的单位体积反向散射强度测量的修正领域，尤其涉及一种结合波束响应的水体单位体积反向散射强度测量的修正方法，属于利用多波束声纳系统进行水体散射特性测量的


技术介绍

[0002]多波束声纳系统是水体特性测量中应用广泛并且有效的测量手段。通过系统的发射和接收，可以获得空间覆盖区域的回波信息，其中，反向散射强度是反应水体散射特性的重要参数。由于海洋环境的复杂性和声纳系统自身因素的影响，多波束声纳系统得到的反向散射强度存在一定的误差。
[0003]多波束声纳系统向水体发射脉冲信号经过水中散射体的散射，利用接收阵获得原始回波数据。在这个过程中，受到很多因素的影响，比如波束方向性、不均匀的基阵灵敏性等多波束声纳系统自身相关的因素，声波在水中的传播情况，散射体的分布、散射等目标特性的因素。这些因素在计算反向散射强度时会带来误差，从而影响水体测量的准确性。

技术实现思路

[0004]专利技术目的：本专利技术针对多波束声纳系统自身波束响应不均匀性引起的水体散射特性测量不准确问题，提供一种结合波束响应的水体单位体积反向散射强度测量的修正方法。该方法首先设计了计量接收波束响应的标准试验，然后根据试验数据计算各波束角度上的波束响应起伏，并利用三次样条插值方法获得各波束角度的波束宽度，最后结合波束响应起伏、有效测量体积对单位体积反向散射强度进行修正。本专利技术很好地实现多波束声纳系统下水体单位体积反向散射强度测量准确性的提高。
[0005]技术方案：一种结合波束响应的水体单位体积反向散射强度测量的修正方法，包括：
[0006](1)通过多波束声纳系统波束响应计量试验，获取空间开角覆盖范围内的回波数据，并计算系统自身等余弦角度上的波束响应起伏和波束宽度，其中波束宽度利用三次样条插值方法获得更准确的值；
[0007](2)将阵元接收信号在相同角度上进行常规波束形成，获得空间波束开角覆盖范围内的波束数据；
[0008](3)根据发射信号脉宽得到的层厚对单个波束数据在径向距离上进行精细分层，并计算出层内所有样本点能量和作为该层所有散射体的回波强度；
[0009](4)针对线列阵波束角度中间到边缘开角不同和径向距离上由近到远引起的体积差异，结合系统自身波束方向性计算空间各测量块的有效测量体积，并计算几何扩展和吸收带来的传播损失；
[0010](5)根据传播损失和有效测量体积获得单位体积反向散射强度，再结合系统自身的波束响应起伏，完成发射波束开角范围内所有测量块的单位体积反向散射强度修正。
[0011]进一步的，步骤(1)具体包括：
[0012](1
‑
1)等余弦划分波束形成角度的输出设计为：
[0013]θ＝arccos(l)
[0014]其中，θ∈[θ
L
,θ
R
]L
表示波束形成角度，θ
L
和θ
R
分别表示发射阵的左右开角，通常θ
L
＝θ
R
，l∈[l
min
,1]L
表示等分的区间，l
min
为发射阵开角的余弦值，L表示波束角度个数。
[0015](1
‑
2)消声水池中无任何目标的条件下，信号源发射连续单频脉冲信号，声纳系统固定在回转仪上在开角范围内匀速转动接收信号。通过接收到的数据文件，在L个波束角度上对接收信号进行常规波束形成，计算各波束角度上的波束响应，从而得到波束响应起伏Q
max
＝[Q
max
(1),
…
,Q
max
(i),
…
,Q
max
(L)]，其中，Q
max
(i)表示第i个波束角度的最大响应值。
[0016](1
‑
3)为了获得系统更准确的波束宽度，逐一对各角度上的波束响应在中心波束θ
c
(i)附近
±3°
范围内，利用三次样条插值方法进行插值，即将[θ
c
(i)
‑3°
,θ
c
(i)+3
°
]分成N
c
个区间，对每个区间内的响应曲线按照三次方程进行插值，则得到对应的N
c
+1个角度的波束响应值输出：
[0017][0018]其中，θ
ij
∈[θ
c
(i)
‑3°
,θ
c
(i)+3
°
]，a
j
、b
j
、c
j
和d
j
为曲线系数。
[0019](1
‑
4)根据插值后的波束响应曲线，搜索
‑
3dB响应值对应的角度，θ
i1
和θ
i2
的输出结果：
[0020]Q'(θ
i1
)＝Q'(θ
i2
)＝Q
max
(i)
‑
3dB
[0021]则第i个波束的波束宽度B(i)输出：
[0022]B(i)＝|θ
i1
‑
θ
i2
|。
[0023]进一步的，步骤(2)具体包括：
[0024]M个阵元接收信号在第i个波束方向θ上进行波束形成的输出设计为：
[0025][0026]其中，x(n)＝[x1(n),x2(n),
…
,x
M
(n)]T
表示接收信号，ω(θ)＝[ω1,ω2,
…
,ω
M
]T
表示波束形成权值的列向量，ω
H
(θ)表示ω(θ)的共轭转置。
[0027]进一步的，步骤(3)具体包括：
[0028](3
‑
1)在径向距离上根据发射信号的脉冲宽度进行分层，得到层厚为其中，c为水中的声速，τ为脉冲宽度；
[0029](3
‑
2)通过层内所有样本点的值，计算第i个波束第k层所有散射体的回波强度值：
[0030][0031]其中，N
e
为每层的样本点数。
[0032]进一步的，步骤(4)具体包括：
[0033](4
‑
1)各波束角度上相同径向距离测量块的单程传播损失相同，则第k个测量块的单程传播损失输出：
[0034]TL(k)＝20log
10
(r(k))+αr(k)
[0035]其中，r(k)为第k个测量块至声纳系统的径向距离，α为声吸收系数。
[0036](4
‑
2)计算第i个波束第k层测量块的体积输出：...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种结合波束响应的水体单位体积反向散射强度测量的修正方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)通过多波束声纳系统波束响应计量试验，获取空间开角覆盖范围内的回波数据，并计算系统自身等余弦角度上的波束响应起伏和波束宽度，其中波束宽度利用三次样条插值方法获得更准确的值；(2)将阵元接收信号在相同角度上进行常规波束形成，获得空间波束开角覆盖范围内的波束数据；(3)根据发射信号脉宽得到的层厚对单个波束数据在径向距离上进行精细分层，并计算出层内所有样本点能量和作为该层所有散射体的回波强度；(4)针对线列阵波束角度中间到边缘开角不同和径向距离上由近到远引起的体积差异，结合系统自身波束方向性计算空间各测量块的有效测量体积，并计算几何扩展和吸收带来的传播损失；(5)根据传播损失和有效测量体积获得单位体积反向散射强度，再结合系统自身的波束响应起伏，完成发射波束开角范围内所有测量块的单位体积反向散射强度修正。2.根据权利要求1所述的结合波束响应的水体单位体积反向散射强度测量的修正方法，其特征在于，所述步骤(1)具体包括：(1
‑
1)等余弦划分波束形成角度的输出设计为：θ＝arccos(l)其中，θ∈[θ
L
,θ
R
]
L
表示波束形成角度，θ
L
和θ
R
分别表示发射阵的左右开角，通常θ
L
＝θ
R
，l∈[l
min
,1]
L
表示等分的区间，l
min
为发射阵开角的余弦值，L表示波束角度个数；(1
‑
2)消声水池中无任何目标的条件下，信号源发射连续单频脉冲信号，声纳系统固定在回转仪上在开角范围内匀速转动接收信号；通过接收到的数据文件，在L个波束角度上对接收信号进行常规波束形成，计算各波束角度上的波束响应，从而得到波束响应起伏Q
max
＝[Q
max
(1),
…
,Q
max
(i),
…
,Q
max
(L)]，其中，Q
max
(i)表示第i个波束角度的最大响应值；(1
‑
3)为了获得系统更准确的波束宽度，逐一对各角度上的波束响应在中心波束θ
c
(i)附近
±3°
范围内，利用三次样条插值方法进行插值，即将[θ
c
(i)
‑3°
,θ
c
(i)+3
°
]分成N
c
个区间，对每个区间内的响应曲线按照三次方程进行插值，则得到对应的N
c
+1个角度的波束响应值输出：其中，θ
ij
∈[θ
c
(i)
‑3°
,θ
c
(i)+3
°
]，a
j
、b
j
、c
j
和d
j
为曲线系数；(1
‑
4)根据插值后的波束响应曲线，搜索
‑
3dB响应值对应的角度，θ
i1
和θ
i2
的输出结果：Q'(θ
i1
)＝Q'(θ
...

【专利技术属性】
技术研发人员：方世良，曹文婧，安文威，刘健建，
申请(专利权)人：南京世海声学科技有限公司，
类型：发明
国别省市：