[发明专利]一种使用发射子阵的MIMO阵列测深方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种阵列成像方法。

背景技术

安装在水下小型平台(如AUV和ROV)上的多波束测深系统通常采用Mills交叉阵，即采用相互垂直的发射直线阵和接收直线阵(de Moustier C.State of the art in swath bathymetry survey systems.International Hydrographic Review,Monaco,1988:25-54.吴英姿.多波束测深系统地形跟踪与数据处理技术研究.哈尔滨工程大学博士论文,2002.)。以Mill’s交叉阵中的十字阵为例，如图1所示(其中三角“Δ”代表发射阵元，圆圈“O”代表接收阵元)，为了不破坏AUV的线型，在布阵时，十字阵的物理尺寸均不得超出AUV的横向和纵向尺寸。如图2所示，在测深过程中，发射直线阵发射单个脉冲并“照亮”AUV正下方的一个条带。接收直线阵对该条带的回波进行多波束处理，获得该条带的离散深度值。随着AUV往前航行，可陆续获得多个条带的测深结果。将这些条带的测深结果进行综合拼接，最终可获得一片水下区域的深度值，即水下三维地形。该型测深系统的方位分辨率可分为沿航向分辨率和跨航向分辨率，如图3所示。沿航向分辨率由发射直线阵的孔径决定，而跨航向分辨率由接收直线阵的孔径决定。因此，若要提高方位分辨率，则需要提高发射直线阵和接收直线阵的有效孔径。

由于发射端使用直线阵，发射波束指向AUV正下方且每一ping(一ping指一个发射和接收周期)仅形成单个向下的发射波束。为了减小波束主瓣宽度以提高沿航向分辨率，发射直线阵可以利用大于半波长(如一个波长)的布阵方式。尽管此时会在发射波束图的边缘角度上产生栅瓣，但这些栅瓣都远离法线方向且几乎没有回波，因此不会对主瓣内的信号产生干扰(de Moustier C.State of the art in swath bathymetry survey systems.International Hydrographic Review,Monaco,1988:25-54.)。在接收端，接收直线阵需要进行多波束处理，因此采用传统的半波长布阵。然而，随着接收主瓣从中央波束往边缘波束移动，接收孔径会逐渐变小，波束脚印会随之扩大，即边缘波束的分辨率低于中央波束(见图3)。若要提高接收直线阵的孔径，传统方法为增加阵列尺寸或提高发射信号频率，而这又面临着AUV内部空间限制和吸收损失增加的问题。因此，如何增加接收孔径，成为提高跨航向分辨率的关键因素之一。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种测深方法，由两个发射直线阵和一个接收直线阵组成MIMO阵列，每个发射直线阵内部发射相干的信号，而发射直线阵之间发射相互独立的信号，如此便同时获得发射子阵的指向性、阵增益和MIMO系统的波形分集增益，在不增加接收直线阵物理尺寸和提高发射信号频率的前提下，将多波束测深系统的跨航向分辨率倍增。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

1)采用两个相同的均匀直线阵作为发射阵的子阵，两个子阵相互平行并各个阵元对齐，两个子阵之间的距离等于接收阵的阵元个数乘以阵元间距，每个子阵内部的发射信号相干，两个子阵之间的发射信号相互独立，且两个子阵的发射信号的自相关函数具有相同的主瓣和低旁瓣，所述接收阵采用均匀直线阵；

2)两个子阵同时发射脉冲信号并同时照亮单个条带，除该条带外，其他区域处于发射波束的旁瓣内；

3)接收阵采集回波，用两个发射子阵的发射信号对回波进行匹配滤波处理；

4)对步骤3)所述匹配滤波的输出进行多波束处理，形成多个接收波束脚印覆盖测深条带；估计回波到达时延，将时延转换为接收波束脚印的坐标，即获得该条带的离散深度。

所述两个子阵的发射信号的旁瓣峰值小于等于主瓣峰值的0.2倍，两个子阵的发射信号的互相关函数的峰值小于等于自相关函数主瓣峰值的0.2倍。

随着发射阵和接收阵所在平台的移动，重复步骤1)～步骤4)，进行逐条带处理，即获得一片区域的深度值。

本发明的有益效果是：可以在不增加接收ULA的阵列尺寸和提高发射信号频率的前提下，使接收端的方位分辨率倍增，即使得条带式测深系统跨航向分辨率倍增。

附图说明

图1是AUV携带十字阵的示意图，其中三角“Δ”代表发射阵元，圆圈“O”代表接收阵元；

图2是十字阵测深系统在工作中进行逐条带测深的示意图；

图3是单个条带上的波束脚印和分辨率示意图；