差项二进行校 正，为保证该误差不会对指向性图产生大的影响，该误差项二应远小于阵元本身的相位不 一致性，即Cp<f。根据公式（10)，多普勒频移应满足：
[005引 |fdl<0. Olfsi (11)
[0060] 对于一个半波长间隔布阵的64独立基元接收线阵，如果fd/1fdI= 36,相当于10 度的相位不一致性。如图2示出了相位不一致性为10度的12基元波束指向性图，波束指 向角为60度，波束指向存在0. 09度偏差，可知该误差项二会对测深结果造成影响。
[0061] 如图3示出了接收基元存在相位不一致性误差的测深结果，其中，相位不一致性 为10°，接收阵为半波长布阵的64基元线阵，仿真数据为500m的平底数据。从图中可知随 机相位误差项会影响波束指向角，指向角的偏差会直接影响测深点的位置和深度，因此，必 须对多普勒频移产生的误差项二进行校正。
[0062] 另外，通过比较公式（5)和公式（7)，去除如图1所示子阵间的理论相位差， 并同时补偿多普勒频移所产生的e-'3^*了。的相位偏差。
[0063] 通过加速度计或其它测量设备实时测量载体的运动并推算出接收波束方向的多 普勒频移fd，就可W对多普勒频移进行实时地校正。误差项二的校正可在延时加权求和中 增加相位补偿项,6-^<1<^。-^；?>，并在求相位差后补偿多普勒频移产生的相位6'27'''%
[0064]当发射信号为线性调频信号情况下，多普勒频移对下变频波束形成的影响的具体 分析如下所述：
[0065]如果发射信号为线性调频信号，接收阵延时参考点一所接收到的数字信号的复信 号可表示为：
[006引
牌
[0067]其中，T为线性调频信号脉宽，A为调频信号起始频率，B为调频信号带宽。Πw2,T/23是矩形窗函数，它在-T/2~T/2范围内值为1，其余值为0。
[006引令
则（12)式可改写成：
[006引
妇鮮
[0070] 类似地，参考点二接收到的数字信号的复信号可表示为：
[0071]
(14)
[0072] 最终推导得出第一子阵与第二子阵波束形成后的信号可分别表示为：
[00巧]上述两式分别与仿形信号.?；,(〇进行脉冲压缩，脉冲压缩后的信号可表示为：
[0078] 基于上述多普勒频移的分析内容，如图1所示，下变频波束形成中的多普勒频移 校正方法具体步骤如下：
[0079] 步骤1)W各子阵的延时参考点所接收的阵列信号进行AD采样，得到该延时参考 点的数字信号；
[0080] 步骤2)计算每个子阵中各基元与该子阵延时参考点的延时差，并利用步骤1)中 的数字信号计算得出各基元的数字信号；
[0081] 步骤3)将步骤2)中得到的各基元的数字信号进行正交解调，得到各基元的复信 号，并将解调后的复信号进行升采样，为保证延时精度，升采样后的信号速率可大于带宽的 30倍。
[0082] 步骤4)将步骤3)中升采样后的各基元的复信号进行载波相位补偿，该载波相位 的补偿项为矿~，其中，fk为第k个频带信号的中必频率，k= 1，2···，K，K表示频带信号 个数，Tm表示子阵中各基元与该子阵延时参考点的延时差，m= 1,2…M，Μ表示线阵的基 元个数；
[0083] 步骤5)将步骤4)中载波相位补偿后的复信号进行加权求和，生成波束信号；
[0084] 步骤6)对步骤5)中生成的波束信号进行随机相位误差补偿，该随机相位误差的
补偿项为其中，fd表示多普勒频移 fsi为延时 C , 加权求和之前的信号速率，U:表示四舍五入取整运算，R为实时的横摇值，Θ为波束形成的 指向角，1。为阵元间距，C为瞬时的声速值；
[00财步骤7)将计算得出的连续子阵间的理论相位差对步骤6)中生成的波束信 号进行补偿，将计算得出的子阵间的理论相位差对步骤6)中生成的波束信号进行补偿，并 同时补偿多普勒频移产生的相位6^2*^*^%其中，τ。=d"sin(Θ+3011)八，(1。表示两连续子阵 的延时参考点间距离。
[0086] 利用上述多普勒频移校正方法校正后所得到的波束信号，可W通过幅度法和相位 法判别得到测深结果。所述的幅度法利用信号的幅度确定回波到达时间，而相位法通过两 个子阵之间的相位差确定回波达到时间。当得到的回波到达时间和波束指向角Θ即可确 定测深结果。
[0087] 基于上述多普勒频移的校正方法，如图1所示，在进行加权求和过程中，如发射信 号为简单脉冲信号，则不进行脉冲压缩；如发射信号为线性调频信号，则进行脉冲压缩。
[0088] 校正误差项二之后，公式（5)和公式（7)可分别改写为：
[0091] 对比公式（19)和公式（20)，进行多普勒相位补偿后的相位差为0。
[0092] 为分析多普勒频移对多波束测深结果的影响并验证本发明的校正方法的正确性， 根据海底仿真模型生成带有多普勒频移的海底仿真数据，并利用上述校正方法进行处理。 如图4显示发射信号为简单脉冲情况下的相位误差曲线，可W看出当存在多普勒频移时， 相位差曲线存在较大偏差。利用本发明的多普勒频移校正方法校正后的相位差拟合曲线与 没有多普勒频移的相位差拟合曲线基本吻合。如图5显示了 500米水深平底的水深探测结 果，从图中可W看出未进行多普勒频移校正的水深处理结果存在一定的偏差，利用本发明 的多普勒频移校正方法校正后的水深更接近海底的真实情况。如图6和7分别显示了发射 信号为线性调频信号的情况下，利用本发明的方法进行多普勒频移校正前后的相位差曲线 图，W及水深测量结果示意图，从图中显示的数据可知，利用本发明的多普勒频移的校正方 法可W消除随机相位误差，有效的校正多普勒频移。
[0093] 最后所应说明的是，W上实施例仅用W说明本发明的技术方案而非限制。尽管参 照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方 案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明 的权利要求范围当中。
【主权项】
1. 一种基于下变频波束形成中的多普勒频移校正方法，其特征在于，该多普勒频移校 正方法包括： 步骤1)以各子阵的延时参考点所接收的阵列信号进行AD采样，得到该延时参考点的 数字信号； 步骤2)计算每个子阵中各基元与该子阵延时参考点的延时差，并利用步骤1)中的数 字信号计算得出各基元的数字信号； 步骤3)将步骤2)中得到的各基元的数字信号进行正交解调，得到各基元的复信号，并 将该复信号进行升采样； 步骤4)将步骤3)中升采样后的各基元的复信号进行载波相位补偿，该载波相位的补 偿项为，其中，fk为第k个频带信号的中心频率，k = 1，2···，K，K表示频带信号个数， τ "1表示子阵中各基元与该子阵延时参考点的延时差，m = 1，2…M，M表示线阵的基元个数； 步骤5)将步骤4)中载波相位补偿后的复信号进行加权求和，生成波束信号； 步骤6)对步骤5)中生成的波束信号进行随机相位误差补偿，该随机相位误差的补偿项为f 其中，fd表示多普勒频移 fsl为延时加权 ? 求和之前的信号速率，U表示四舍五入取整运算，R为实时的横摇值，θ为波束形成的指向 角，1。为阵元间距，C为瞬时的声速值； 步骤7)将计算得出的连续子阵间的理论相位差对步骤6)中生成的波束信号进 行补偿，并同时补偿多普勒频移产生的相位,其中，1。= (1。8111(0+1?〇11)/(；，(1。表示 两连续子阵的延时参考点间距离。2. 根据权利要求1所述的基于下变频波束形成中的多普勒频移校正方法，其 特征在于，所述步骤1)的每个子阵中各基元与该子阵延时参考点的延时差表示为：其中，Θ为波束形成的指向角，1。为阵元间距，c为瞬时的声 速值，m = 1，2···M，Μ表示线阵的基元个数，R为实时的横摇值。3. 根据权利要求1所述的基于下变频波束形成中的多普勒频移校正方法，其特征在 于，所述步骤1)中延时参考点的数字信号的复信号表示为：其中，t为时间，经数字采样后t = n/fs，η为数字采样序列序号，fs为采样频率，fk为 第k个频带信号的中心频率，k = 1，2···，K，K表示频带信号个数，fd表示多普勒频移，焉的 表示？(0下变频后的基带信号的复信号形式。4. 根据权利要求3所述的基于下变频波束形成中的多普勒频移校正方法，其特征在 于，所述步骤3)中的正交解调所得到各基元的复信号表示为：其中，It - L)表示在正交解调前第m个基元接收到数字信号的复信号。5.根据权利要求4所述的基于下变频波束形成中的多普勒频移校正方法，其特征在 于，所述步骤5)中生成的波束信号表示为：其中，a"为波束形成的加权系数，为延时加权 求和之前的信号速率，LJ;表不四舍五入取整，R为实时的横摇值。
【专利摘要】本发明提供了一种基于下变频波束形成中的多普勒频移校正方法，该多普勒频移校正方法引入了随机相位误差和多普勒频移产生的相位并通过相位补偿以消除波束形成指向及测深误差的影响；根据仿真结果表明，利用本发明的多普勒频移的校正方法可以消除随机相位误差，有效的校正多普勒频移。
【IPC分类】G01S7/52
【公开号】CN105277932
【申请号】CN201410347821
【发明人】刘治宇, 董飞, 刘小刚, 刘晓东
【申请人】中国科学院声学研究所
【公开日】2016年1月27日
【申请日】2014年7月21日