魯東　陳寶偉　李海森?　周天

（1哈爾濱工程大學(xué)水聲技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室哈爾濱150001）（2哈爾濱工程大學(xué)水聲工程學(xué)院哈爾濱150001）

淺水多波束高幀率測(cè)深技術(shù)研究?

魯東1，2陳寶偉1，2李海森1，2?周天1，2

（1哈爾濱工程大學(xué)水聲技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室哈爾濱150001）（2哈爾濱工程大學(xué)水聲工程學(xué)院哈爾濱150001）

針對(duì)常規(guī)多波束測(cè)量中由于遠(yuǎn)距離目標(biāo)信號(hào)未到達(dá)接收基陣而不能再次發(fā)射探測(cè)信號(hào)，導(dǎo)致測(cè)深幀率下降的問(wèn)題，本文提出了基于Kasami編碼的淺水多波束高幀率測(cè)深方法。首先討論了頻分復(fù)用高幀率測(cè)深方法、基于Kasami編碼的并行高幀率測(cè)深方法和串行高幀率測(cè)深方法的原理，然后通過(guò)仿真對(duì)比了三種方法的條帶間干擾和測(cè)深分辨力性能，對(duì)比結(jié)果表明基于Kasami編碼的串行高幀率測(cè)深方法的條帶間干擾較低，具有較高的測(cè)深分辨力。最后采用淺水寬覆蓋多波束測(cè)深系統(tǒng)進(jìn)行了水池實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明該方法在保證測(cè)量分辨力的情況下，可有效的提高測(cè)量幀率。

淺水多波束，Kasami編碼，高幀率測(cè)深

1　引言

在常規(guī)淺水多波束測(cè)量中，常以單頻脈沖為探測(cè)信號(hào)。為避免相鄰兩次發(fā)射信號(hào)的相互干擾，則需等到最遠(yuǎn)關(guān)注區(qū)域的回波信號(hào)到達(dá)基陣后才能發(fā)射下一次探測(cè)信號(hào)。近距離測(cè)量時(shí)，最遠(yuǎn)回波到達(dá)時(shí)間較短，兩次測(cè)量間隔相對(duì)較小，測(cè)量幀率較高，在保證海底地形精細(xì)測(cè)量的前提下，測(cè)量船航速可以較高，測(cè)量效率較高。而在遠(yuǎn)距離測(cè)量時(shí)，最遠(yuǎn)回波到達(dá)時(shí)間較長(zhǎng)，測(cè)量間隔相對(duì)較大，測(cè)量幀率較低，為獲得精細(xì)的海底地形，只能以較低航速為代價(jià)，導(dǎo)致測(cè)量效率降低。多波束測(cè)深儀ATLAS FANSWEEP 30 COASTAL［1］采用頻分復(fù)用多條帶技術(shù)解決了這一矛盾，同時(shí)向不同方向發(fā)射多個(gè)不同頻率的脈沖信號(hào)，單次探測(cè)即可得到多幀地形。相對(duì)常規(guī)方法，測(cè)量幀率提高了數(shù)倍，然而在多波束測(cè)深系統(tǒng)中，頻帶寬度決定距離分辨力，頻分復(fù)用方法可實(shí)現(xiàn)多個(gè)窄帶信號(hào)同步測(cè)量換取幀率的提高，但卻因頻帶變窄導(dǎo)致信號(hào)脈寬增加，從而降低了測(cè)深的距離分辨力。實(shí)際應(yīng)用中對(duì)分辨力要求不斷提高，促使了多波束測(cè)深技術(shù)不斷發(fā)展［2］。在雷達(dá)和通信中，為區(qū)分頻帶和時(shí)間上交疊的信號(hào)，常采用碼分復(fù)用方式［3］，同時(shí)隨著近些年擴(kuò)頻編碼信號(hào)在水聲領(lǐng)域的廣為應(yīng)用［4］，尤其是有著良好自相關(guān)特性和互相關(guān)特性的Kasami編碼信號(hào)的應(yīng)用［5］，使得將Kasami編碼信號(hào)應(yīng)用到本文解決高幀率高分辨力測(cè)深成為可能。本文主要研究基于Kasami編碼的淺水多波束高幀率測(cè)深技術(shù)。

2　多幀測(cè)深原理

2.1多條帶相控發(fā)射技術(shù)

常規(guī)淺水多波束測(cè)深中常以直線陣為模型，設(shè)M個(gè)響應(yīng)相同的無(wú)指向性陣元組成發(fā)射線列陣，發(fā)射信號(hào)波長(zhǎng)為λ，等距排布，陣元間距為d，聲速為c。第m號(hào)陣元信號(hào)相對(duì)參考陣元進(jìn)行相應(yīng)的時(shí)延τm，可使發(fā)射信號(hào)在θ方向上形成波束，其中每通道時(shí)延τm=mdsin（θ）/c［6］。而在如圖1的多條帶測(cè)深模型中，假設(shè)產(chǎn)生測(cè)深條帶個(gè)數(shù)為L(zhǎng)，將相互正交的信號(hào)分別束控到不同條帶對(duì)應(yīng)角度θl，然后同時(shí)或分時(shí)發(fā)送，可實(shí)現(xiàn)多波束的多條帶相控發(fā)射，則每個(gè)陣元的相對(duì)延時(shí)τm，l=mdsin（θl）/c，其中m=1，

圖1　多條帶測(cè)深示意圖Fig.1 A schematic of multiple bands sounding

2.2頻分復(fù)用多條帶測(cè)深技術(shù)

為產(chǎn)生多個(gè)束控到不同條帶的正交信號(hào)，將每個(gè)條帶對(duì)應(yīng)不同頻率，同時(shí)發(fā)射測(cè)量，其發(fā)射和接收原理如圖2和圖3。發(fā)射原理如圖2，首先產(chǎn)生L個(gè)分別以f1，f2，···，fL為中心頻率的脈沖信號(hào)，并確保在頻帶上相互不交疊，然后分別根據(jù)各自的條帶角度，經(jīng)過(guò)延時(shí)束控發(fā)射模塊產(chǎn)生M通道的時(shí)延信號(hào)，最后將L組信號(hào)按通道號(hào)對(duì)應(yīng)疊加，送至發(fā)射陣元進(jìn)行電聲轉(zhuǎn)換，即可在空間上形成L個(gè)測(cè)量條帶。接收處理原理如圖3，首先通過(guò)聲電轉(zhuǎn)換，將L路接收信號(hào)同時(shí)經(jīng)過(guò)f1帶通濾波、f2帶通濾波、···、和fL帶通濾波，然后將各濾波器輸出的各路信號(hào)分別經(jīng)過(guò)IQ解調(diào)、波束形成和檢波，即可得到對(duì)應(yīng)條帶的測(cè)量結(jié)果。

圖2　頻分復(fù)用多條帶發(fā)射Fig.2 FDM of multiple bands sounding emission

圖3　頻分復(fù)用多條帶接收Fig.3 FDM of multiple bands sounding receiving

2.3碼分復(fù)用多條帶并行發(fā)射技術(shù)

頻分復(fù)用多條帶測(cè)量降低了每個(gè)條帶的信號(hào)帶寬，而帶寬決定距離分辨能力，尤其在常規(guī)多波束測(cè)深系統(tǒng)帶寬資源不夠豐富時(shí)，條帶越多，距離分辨力越差。而碼分復(fù)用方法在復(fù)用信道時(shí)不降低信號(hào)帶寬，從而保證距離分辨力不變。為了抑制條帶間信號(hào)的干擾，需要選用具有良好相關(guān)特性的信號(hào)簇，即各條帶信號(hào)之間互相關(guān)和自相關(guān)旁瓣值要足夠的小。而擴(kuò)頻編碼在這方面有著較為優(yōu)越的性能，前人研究表明Kasami編碼［7］具有優(yōu)越的相關(guān)特性，其最大自相關(guān)、互相關(guān)旁瓣值均接近于Welch［8］理論下限，最大相關(guān)值為而常見(jiàn)的GOLD編碼信號(hào)最大相關(guān)值為為編碼周期數(shù)），足見(jiàn)其優(yōu)勢(shì)。因此將Kasami編碼信號(hào)引入到多條帶高幀率測(cè)深中，向不同方向同時(shí)束控發(fā)射不同的Kasami編碼信號(hào)，可降低各條帶間信號(hào)的相互干擾，并在保持距離分辨率不變的情況下，同時(shí)形成多個(gè)測(cè)深條帶，以達(dá)到提高測(cè)量效率的目的，圖4為其發(fā)射原理框圖。

圖4　碼分復(fù)用多條帶發(fā)射框圖Fig.4 CDM of multiple bands sounding receiving

為產(chǎn)生L個(gè)條帶信號(hào)，首先通過(guò)Kasami序列生成器產(chǎn)生L組Kasami編碼c1（t），c2（t），···，cl（t）并采用PSK調(diào)制，然后將調(diào)制后的信號(hào)經(jīng)過(guò)延時(shí)束控發(fā)射模塊產(chǎn)生不同通道的發(fā)射信號(hào)，最后將對(duì)應(yīng)通道的信號(hào)經(jīng)過(guò)累加器疊加后送到對(duì)應(yīng)的陣元進(jìn)行電聲轉(zhuǎn)換并形成多個(gè)測(cè)量條帶。

2.4碼分復(fù)用多條帶串行發(fā)射技術(shù)

在碼分復(fù)用多條帶并行發(fā)射中，瞬時(shí)功率常受到限制，各條帶所分到的功率會(huì)隨著條帶數(shù)的增加而減少，降低功率意味著信噪比的降低。同時(shí)多條帶測(cè)量時(shí)條帶間目標(biāo)距離差別較小，各條帶相同垂直航跡向角度的信號(hào)回波幾乎同時(shí)達(dá)到，對(duì)于時(shí)長(zhǎng)較長(zhǎng)的編碼信號(hào)而言，該問(wèn)題尤其嚴(yán)重，而直接導(dǎo)致同一角度的弱信號(hào)條帶可能被強(qiáng)信號(hào)的距離向旁瓣干擾而淹沒(méi)。針對(duì)這一問(wèn)題，本文考慮將各條帶信號(hào)串行發(fā)送，先發(fā)送條帶1信號(hào)，等待保護(hù)間隔，再發(fā)射條帶2信號(hào)，直到條帶L的信號(hào)發(fā)送完畢。由于卷積計(jì)算的特性，為盡可能減少條帶間信號(hào)在同一方向上的干擾，相鄰條帶回波信號(hào)間隔應(yīng)盡可能大于一段編碼的長(zhǎng)度。在平海底模型中，外側(cè)條帶滯后于內(nèi)側(cè)條帶，發(fā)射信號(hào)時(shí)可考慮先發(fā)射內(nèi)側(cè)條帶，再經(jīng)過(guò)一段編碼信號(hào)的長(zhǎng)度發(fā)射外側(cè)條帶信號(hào)，可較好的避免條帶間干擾。當(dāng)然間隔時(shí)間越長(zhǎng)，條帶間干擾越小，但卻會(huì)導(dǎo)致測(cè)量盲區(qū)變大，故應(yīng)盡可能預(yù)測(cè)海底地形并選擇合適的保護(hù)間隔。

2.5碼分復(fù)用多條帶接收技術(shù)

通過(guò)多條帶束控發(fā)射，各個(gè)編碼信號(hào)在航跡上的不同角度形成測(cè)深條帶，對(duì)于海底這樣的多目標(biāo)對(duì)象來(lái)說(shuō)，其回波信號(hào)包含了多個(gè)方位不同編碼的混合信號(hào)，接收時(shí)需充分利用各個(gè)編碼信號(hào)之間的正交性，對(duì)不同角度的信號(hào)加以分離，具體原理如圖5。首先用本地載波對(duì)多個(gè)陣元輸入信號(hào)分別進(jìn)行IQ解調(diào)，得到解析信號(hào)。然后由本地產(chǎn)生對(duì)應(yīng)條帶的Kasami編碼信號(hào)與解析信號(hào)經(jīng)過(guò)卷積運(yùn)算，即可分離各條帶的信息，最后將不同陣元信號(hào)的卷積結(jié)果經(jīng)過(guò)波束形成和檢波，可得到目標(biāo)在準(zhǔn)確方位上的深度信息。

圖5　碼分復(fù)用多條帶接收框圖Fig.5 CDM of multiple bands sounding emission

3　仿真實(shí)現(xiàn)與結(jié)果分析

3.1頻分復(fù)用多條帶發(fā)射

在多波束測(cè)深仿真研究中，為方便起見(jiàn)，常以平海底為研究模型。設(shè)發(fā)射陣元數(shù)M為56，陣元間距d為5.95 mm，發(fā)射信號(hào)中心頻率為180 kHz，本文以30 m深平海底為目標(biāo)。按照上述條件在FIELD II［9］中設(shè)置發(fā)射基陣和目標(biāo)的參數(shù)。設(shè)系統(tǒng)帶寬為12 kHz，分為四個(gè)頻點(diǎn)175.5 kHz，178.5 kHz，181.5 kHz和184.5 kHz，分別束控到-9°、-3°、3°和9°方向，由于帶寬的限制，這里設(shè)置每個(gè)脈沖寬度為0.5 ms，將多路信號(hào)按圖2原理束控發(fā)射，并將海底目標(biāo)反射信號(hào)經(jīng)過(guò)對(duì)應(yīng)的帶通濾波，可得到不同條帶的海底目標(biāo)強(qiáng)度圖如圖6所示。抽取-9°條帶下的正下方數(shù)據(jù)，和僅有相控時(shí)對(duì)比（如圖7），由于每個(gè)信號(hào)為脈沖信號(hào)，其能量有一部分會(huì)泄漏到其它頻帶上，可看出頻分復(fù)用方法在-3°處有一個(gè)額外的干擾，此處的干擾即為條帶間干擾。當(dāng)-3°方向存在的目標(biāo)比-9°方向的目標(biāo)反射強(qiáng)度大若干倍時(shí)，可能產(chǎn)生錯(cuò)誤檢測(cè)，導(dǎo)致錯(cuò)誤地形。

圖6　頻分復(fù)用多條帶目標(biāo)回波強(qiáng)度圖Fig.6 Diagram of FDM multi-band target echo intensity

圖7　條帶干擾對(duì)比Fig.7 Interference contrast between bands

為進(jìn)一步仿真頻分復(fù)用方法的性能，設(shè)置深度、航跡向角度和垂直航跡向角度分別為［30 m，-9°，0°］、［31.5 m，-3°，0°］、［33 m，3°，0°］和［34.5 m，9°，0°］的四個(gè)回波強(qiáng)度相同的目標(biāo)，通過(guò)如圖3的原理處理可以分別得到如圖8，由圖8可以看出，波束形成結(jié)果基本可以反映每個(gè)目標(biāo)的位置，但由圖8也可看出，由于單個(gè)信號(hào)的脈寬較長(zhǎng)，距離向分辨力較差，同時(shí)由于條帶干擾的存在，可以看到其他航跡向的目標(biāo)在本航跡向上存在干擾。分別抽取出水平角度為0°的波束圖如圖9所示。由圖9可清楚看到，距離向主瓣較寬，分辨力較差（僅為1 m左右），且由于頻譜泄漏，條帶間存在相互干擾，尤其是頻率上相近的條帶。

3.2并行碼分復(fù)用多條帶仿真

頻分復(fù)用方法盡管可以提高測(cè)量效率，但距離向分辨力較差，本文引入Kasami編碼來(lái)解決這一矛盾。由于小Kasami序列長(zhǎng)度的取值僅可為15、63、255、1023和4095等，而對(duì)于窄帶多波束測(cè)深系統(tǒng)而言，當(dāng)編碼長(zhǎng)度達(dá)到255時(shí)，測(cè)量盲區(qū)太大，而同時(shí)考慮較好的相關(guān)特性，綜合考慮后，本文設(shè)置編碼長(zhǎng)度為63，每個(gè)碼元寬度為0.08333 ms，中心頻率為180 kHz，同時(shí)將四個(gè)Kasami編碼分別束控到-9°、-3°、3°和9°方向，將多路信號(hào)按圖4原理圖束控發(fā)射，并對(duì)各個(gè)目標(biāo)回波進(jìn)行碼卷積，仿真并抽取-9°情況下的正下方數(shù)據(jù)對(duì)比如圖10，由于編碼信號(hào)之間的互相關(guān)特性并不理想，其他條帶的信號(hào)會(huì)干擾到本條帶，可看出頻分復(fù)用方法在-3°、3°和9°方向都有一個(gè)額外的干擾，此處的干擾即為條帶間干擾。那么當(dāng)其他方向存在的目標(biāo)比-9°方向的目標(biāo)反射強(qiáng)度大數(shù)倍時(shí)，可能產(chǎn)生錯(cuò)誤檢測(cè)，導(dǎo)致錯(cuò)誤地形。

進(jìn)一步仿真碼分復(fù)用方法的性能，和頻分復(fù)用設(shè)置同樣仿真條件，分別抽取出水平角度為0°的波束圖，如圖11所示。和圖9對(duì)比可以清晰看出，碼分復(fù)用方法在距離向分辨力上有明顯的優(yōu)勢(shì)，分辨力較高（約為0.1 m），明顯高于頻分復(fù)用法。但由于編碼較短，互相關(guān)特性較差，導(dǎo)致條帶間干擾比較大，當(dāng)其他條帶信號(hào)回波強(qiáng)度較大時(shí)，本條帶信號(hào)將會(huì)被淹沒(méi)，無(wú)法正確檢測(cè)地形。

圖8　頻分復(fù)用多條帶波束圖Fig.8 Beam pattern of FDM multi-band

圖9　正下方目標(biāo)深度圖Fig.9 Target depth map of vertically downward

圖10　條帶干擾對(duì)比Fig.10 Interference contrast between bands

圖11　正下方目標(biāo)深度圖Fig.11 Target depth map of vertically downward

3.3串行碼分復(fù)用多條帶仿真

針對(duì)碼分復(fù)用方法的條帶間干擾較大的問(wèn)題，本文將編碼信號(hào)串行發(fā)送，并在編碼與編碼之間插入間隔，讓不同條帶相同方向的回波串行回到接收基陣。由于各條帶回波相互不疊加，可以利用局部背景歸一化法將反射強(qiáng)度較小的條帶信號(hào)提取出來(lái)。將4組碼分別按20 dB、10 dB、0 dB、30 dB衰減串行接收，中間插入間隔為單組編碼的長(zhǎng)度，然后以最大衰減的碼為目標(biāo)加以卷積求目標(biāo)，可以得到如圖12（a），由圖12（a）可看出在常規(guī)的幅度檢測(cè)法中，基本無(wú)法判定目標(biāo)的準(zhǔn)確位置。本文先提取一個(gè)編碼長(zhǎng)度范圍內(nèi)的背景電平，然后以此作為每個(gè)點(diǎn)的歸一化參考，經(jīng)過(guò)處理可得到如圖12（b），由圖12（b）可看出，采用常規(guī)方法即可提取出目標(biāo)的方位來(lái)。

圖12　背景歸一化對(duì)比圖Fig.12Comparisonchartofbackground normalization

為充分驗(yàn)證串行碼分復(fù)用多條帶測(cè)深方法，以30 m平海底為目標(biāo)，在垂直航跡向從-30 m到30 m、航跡向角度從-15°到15°范圍內(nèi)由FIELD II仿真可得到波束圖如圖13。由圖13可以看出-3°、3°、-9°和9°條帶均有明顯的代表地形信息的細(xì)的亮條帶，抽取中間波束進(jìn)行分辨力驗(yàn)證，證實(shí)其分辨力和并行碼分復(fù)用方法一致。當(dāng)然，串行發(fā)射的測(cè)量時(shí)間變長(zhǎng)，測(cè)深盲區(qū)變大，相對(duì)并行發(fā)射來(lái)說(shuō)，測(cè)量效率有所降低（50 m水深，6倍覆蓋時(shí)會(huì)降低7.7%），但相對(duì)并行發(fā)射的單條帶瞬時(shí)功率低，條帶間干擾幾率大的缺點(diǎn)，其導(dǎo)致的效率降低是微不足道的。

4　水池試驗(yàn)驗(yàn)證

為充分驗(yàn)證本文方法的有效性，在哈爾濱工程大學(xué)信道水池（長(zhǎng)45 m，寬6 m，深5 m），以如圖14（a）的淺水寬覆蓋多波束測(cè)深系統(tǒng)的右側(cè)基陣為實(shí)驗(yàn)設(shè)備，并置于水池行車(chē)上。將基陣置于水下3 m，陣面斜對(duì)池壁（把池壁當(dāng)作海底），接收陣平行于水面，相對(duì)水池的位置示意圖如圖14（b），其中基陣離池壁距離OA約為4.2 m，基陣中心位于正前方目標(biāo)距離OB約為8.4 m、水池拐角處目標(biāo)距離OC約為17.5 m，基陣相對(duì)池壁偏轉(zhuǎn)角∠AOC約為60°。

圖13　串行碼分復(fù)用多條帶波束圖Fig.13 Beam pattern of serial CDM multi-band

圖14　試驗(yàn)設(shè)備和環(huán)境Fig.14 Test equipment and environment

水池試驗(yàn)通過(guò)發(fā)射基陣串行發(fā)射4個(gè)條帶信號(hào)，其中每個(gè)碼元長(zhǎng)度為50μs，條帶間信號(hào)間隔為3.2 ms。接收信號(hào)經(jīng)過(guò)如圖5的IQ解調(diào)、編碼卷積和波束形成等步驟得到波束圖，并取出第二個(gè)條帶的信號(hào)如圖15（a），并采取常規(guī)的檢波方法，檢波結(jié)果如圖15（b）中星號(hào)標(biāo)記，為和環(huán)境對(duì)應(yīng)，將檢波結(jié)果轉(zhuǎn)換到直角坐標(biāo)系如圖16。對(duì)圖15，圖16中所示結(jié)果分析如下：

（1）圖15（a）中，在采樣點(diǎn)960點(diǎn)附近，存在一條亮線。原因是邊發(fā)邊收時(shí)接收到發(fā)射陣的直達(dá)波，經(jīng)編碼卷積后，就出現(xiàn)了一條亮線。

（2）圖15（b）中，由檢波結(jié)果（白色星號(hào)）可看出，從采樣點(diǎn)號(hào)1800點(diǎn)，波束號(hào)為0處向右下方逐漸延伸出一條亮線，它即是第二個(gè)條帶處理后的地形信息。但在采樣點(diǎn)號(hào)2850點(diǎn)，波束號(hào)為145附近也有幾個(gè)錯(cuò)誤檢波點(diǎn)，這是由于當(dāng)前條帶目標(biāo)回波信號(hào)太弱導(dǎo)致的（當(dāng)然如果考慮地形信息，可以有效的規(guī)避這幾個(gè)點(diǎn)）。

（3）圖15（b）中，波束號(hào)在640以后，檢波結(jié)果明顯變差，這是由于越到后面，水池壁的掠射角度越來(lái)越小，反向散射強(qiáng)度急劇下降，因而無(wú)法檢測(cè)到有效的信號(hào)。

（4）圖15（a）中，在采樣點(diǎn)號(hào)4388點(diǎn)，波束號(hào)為786的白色矩形方框處有一個(gè)亮點(diǎn)，該亮點(diǎn)是水池的拐角處，對(duì)應(yīng)圖14中的C點(diǎn)，混響強(qiáng)度較大，明顯高于其附近的回波信號(hào)，由檢波結(jié)果可以看出受隧道效應(yīng)［10］的影響，相鄰波束都檢測(cè)到了相同的采樣點(diǎn)號(hào)，導(dǎo)致出現(xiàn)假地形，由于篇幅所限，這個(gè)問(wèn)題在本文中不展開(kāi)討論。

（5）圖16中所示的OB、OC處的檢測(cè)結(jié)果，其距離和圖14（b）中示意圖大致對(duì)應(yīng)，為驗(yàn)證分辨力，抽取B點(diǎn)所在的中間波束，分析其距離向-3 dB寬度為61.07μs（0.0916 m）和理論仿真一致，而在同樣試驗(yàn)環(huán)境下的常規(guī)單頻脈沖測(cè)深方法（脈寬為50μs）中同一位置處的距離向-3 dB寬度為59.48μs，兩種方法的分辨率相差較小，而由圖15可看出本文方法具備同時(shí)測(cè)量四個(gè)條帶的能力，和仿真結(jié)果保持一致，有效的提高了測(cè)深效率，由此可證明本方法的有效性。

圖15　水池試驗(yàn)結(jié)果Fig.15 Tank test results

圖16　檢波結(jié)果Fig.16 Detection results

5　結(jié)論

本文研究了淺水多波束高幀率測(cè)深技術(shù)，并得到以下結(jié)論：

（1）頻分復(fù)用高幀率測(cè)深技術(shù)是將不同頻率的信號(hào)束控到不同的航跡方向上，同時(shí)測(cè)量多個(gè)條帶對(duì)應(yīng)的深度，這樣雖然降低了單個(gè)條帶的有效帶寬，降低了測(cè)深分辨率，但是可提高測(cè)量效率。

（2）并行碼分復(fù)用方法是將不同編碼的信號(hào)束控到不同的航跡方向上，同時(shí)測(cè)量不同碼址對(duì)應(yīng)條帶的深度，該方法不僅提高了測(cè)量效率，同時(shí)也保證了測(cè)深分辨率，但由于編碼信號(hào)的距離向旁瓣較高，容易淹沒(méi)同一角度的不同條帶的弱信號(hào)。

（3）串行發(fā)射各條帶編碼信號(hào)方法，相對(duì)頻分復(fù)用方法提高了距離分辨力，而相對(duì)并行碼分復(fù)用方法則降低了條帶間的干擾，盡管有些許效率的降低，但卻有效地提高了各條帶的測(cè)深質(zhì)量。

（4）由于采用了編碼信號(hào)，增加了系統(tǒng)發(fā)射和接收的復(fù)雜度，因而整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)成本有所提高，但對(duì)于高效率高分辨力測(cè)深需求而言，本文方法給出了在系統(tǒng)性能與成本之間進(jìn)行優(yōu)化、折衷的一種選擇方案。

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Technology of the multi-beam high frame rate bathymetry in shallow water

LU Dong1，2CHEN Baowei1，2LI Haisen1，2ZHOU Tian1，2
（1 Acoustic Science and Technology Laboratory，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China）（2 College of Underwater Acoustic Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China）

Because probe signals can't be re-launched before remote target signals reach receiving array in the conventional multi-beam measurement，which results in the problems of decrease of bathymetry frame rate，the method of multi-beam high frame rate in shallow water is proposed on the basis of Kasami encoding.Firstly，it analyzes the FDM high frame rate bathymetry method，and the method of parallel high frame rate bathymetry based on Kasami encoding as well as the theory of serial high rate bathymetry.Subsequently，according to simulation，inter-band disturbance and performance of bathymetry resolution are compared among these three methods.Final analysis shows that serial high rate bathymetry method on the basis of Kasami encoding possesses lower inter-band disturbance capability and higher bathymetry resolution.Finally，simulation and tank experimental verification are finished based on the MBES（Multi-beam echo sounder）.The result shows the method can effectively increase measurement frame rate while guaranteeing measurement resolution.

Shallow water multi-beam，Kasami code，High frame rate bathymetry

TB51+6

A

1000-310X（2015）04-0303-08

10.11684/j.issn.1000-310X.2015.04.004

2014-09-19收稿；2015-01-28定稿

?國(guó)家863計(jì)劃資助項(xiàng)目（2007AA09Z124，2008AA092701），國(guó)家科技部國(guó)際合作計(jì)劃資助項(xiàng)目（2008DFR70320），國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41006057，41076056，60872107），中國(guó)高等學(xué)校博士點(diǎn)基金項(xiàng)目（20102304120028，20112304130003，20122304120012），水聲技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目（9140C200105120C20001）

魯東（1986-），男，重慶豐都人，博士研究生，研究方向：通信與信息系統(tǒng)。

E-mail：hsenli@126.com