Page 124 - 《应用声学）》2023年第5期

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的带通滤波器或编码卷积实现波形的分离，这增加
0 引言
了系统发射、接收的复杂度，使整个系统的实现成
在传统多波束测深声呐系统中，为避免相邻两 本有所提高；本文的方法使用的多帧信号完全一致，
通过调整信号的发射间隔实现多帧信号分离的效
帧信号的相互干扰，只有当最远距离的回波信号返
回基阵后才能发射下一个探测信号。这种通过设置 果，避免了发射、接收不同波形的系统复杂度。
间隔较大的脉冲重复周期以避免回波信号重叠的
1 Burst模式
方式，在海底深度不大时可以保证较高的测量帧率，
但当海底深度较大时，最远回波到达时间较长，测量 1.1 Burst模式原理和问题
帧率较低，为了得到同样精细的海底地形，只能以牺 对于多波束测深系统，主要关注回波信号中的
牲航速为代价，致使探测效率降低。 海底散射部分，而海底在各个角度的波束持续时间
针对该问题，目前国际上大多采用多脉冲 相对于整个回波信号序列是很短的。如图1所示，波
(Multi-Ping) 的方式来提高系统的探测效率。例如
束控制角为 α，波束宽度为 θ，发射脉宽为 τ 的波束，
FANSWEEP 30 COASTAL [1] 和EM2040均采用频 在深度为H 的平坦海底，在波束宽度较小的情况下，
分复用 Multi-Ping 技术，通过同时向多个方向发射 其对应的回波持续时间可以近似为
多个不同频率的脉冲信号，在单次探测中得到多帧 2Hθ · tan (α + θ/2)
T = τ + , (1)
地形，以成倍提高测量帧率。但在多波束测深系统 c · cos (α − θ/2)
中，频带宽度决定了探测信号的脉冲宽度，所以也 式 (1) 中，c 为声速。在平坦的海底，回波持续时间
决定了距离分辨力，频分复用的 Multi-Ping 技术以 随着海底深度、波束角度和主瓣宽度的增大而增大。
牺牲距离分辨力来换取帧率。随着实际应用中对 假设波束控制角最大为 60 ，波束主瓣宽度为 3 ，则
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分辨力要求的不断提升，参考雷达和通信中的多输 通过式 (1) 计算可知最大波束持续时间约占整个回
入多输出(Multiple-input multiple-output, MIMO) 波信号时间的 9.3%，同时由于海底地形一般是缓变
技术 [2−3] ，很多学者提出了码分复用的 Multi-Ping 的，相邻帧之间的深度一般相差不大。Burst模式就
技术 [4−7] ，在距离分辨力不变的同时提高了帧率， 是利用了海底回波的这些特性，通过海底深度信息
但由于采用了编码信号，系统的发射和接收复杂 和波束参数估计出最大的波束持续时间，调整发射
度提升，因此整个系统的实现成本提高。本文采用 间隔大于最大的回波持续时间，达到多帧信号在时
了 Burst 模式，该模式指连续发射多帧信号并等多 间角度域中分离的效果。
帧回波均返回基阵后再继续发射多帧信号的工作
模式。基于 Burst 模式提出了一种结构相对简单的 α θ
高帧率测深方法，根据各角度海底回波的持续时
间远小于最远回波到达时间的特性，通过等间隔 H
地发射多帧信号并接收，同时保证发射信号的间
隔大于最大波束脚印宽度，即可实现多帧信号在
时间角度域中的分离，从而提高测深系统帧率。由 α+θ/2
于相邻帧的隧道效应会与部分波束发生重叠，针对 图 1 海底回波持续时间
Fig. 1 The duration of the bottom echo
该问题研究了方向图综合算法 [8] 和自适应波束形
成算法 [9−11] ，最后采用改进的线性约束最小方差 图2∼图13中的信号处理结果部分均为仿真信
(Linearly constrained minimum variance, LCMV) 号处理所得，波束控制角最大为 60 ，60 波束对
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波束形成算法，实现了低副瓣宽零点的波束形成，以 应的主瓣宽度为 3 ，多帧信号由多个单帧信号延
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削弱隧道效应的影响。本文提出的方法相比频分复 时叠加构成。图 2 为单帧回波处理结果。图 2(a) 为
用，避免了划分子频带引起的距离分辨力下降的问 其波束能量分布，可以看到感兴趣的海底部分为
题。频分复用或码分复用需要在发射端产生不同子 距离 60∼ 100 m 的信号，其中每个角度的信号持续
频带或编码形式的正交波形，并在接收端通过不同 时间较短，如图 2(b) 中的最大波束角 60 对应的幅
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