（水声工程专业论文）合成孔径声纳聚焦成像算法研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t a p e r t u r es y n t h e s i ss o n a r , a si t sn a m ei m p l i e s ，s y n t h e s i z e sa na p e r t u r eb ys t o r i n g s u c c e s s i v ee c h o e so b t a i n e df r o mam o v i n gp l a t f o r ma n db yp r o c e s s i n gt h er e s u l t sa s i ft h e yh a db e e no b t a i n e df r o mam u l t i - e l e m e n ta r r a ye n a b l e sah i 【g ha z i m u t h r e s o l u t i o nt ob eo b t a i n e df r o map h y s i c a l l ys m a l la r r a y t h et e c h n i q u eh a sb e e n h i 曲l ys u c c e s s f u li nr a d i oa s t r o n o m y ，a n di nb o t hs a t e l l i t ea n da i r c r a f tb o r n er a d a r h o w e v e r ，t h eu s eo ft h i st e c h n i q u eh a sb e e nv e r yl i m i t e di nt h es o n a re n v i r o n m e n t m a i n l yb e c a u s eo fd i f f i c u l t i e so fm a i n t a i n i n gas t a b l et r a c ku n d e r w a t e ra n dp r o b l e m s o fu n d e r - s a m p l i n go ft h ea p e r t u r ea r i s i n gf r o mt h er e l a t i v e l ys l o wv e l o c i t yo fa c o u s t i c w a v e si nw a t e r t oi n c r e a s ei t sf e a s i b i l i t yw i l lb ea l li m p o r t a n ta s p e c ti no u rs o n a r t e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t t h et h e s i sr e v i e w st h et h e o r yw h i c hi st h eb a s i so f s y n t h e t i ca p e r t u r ep r o c e s s i n g t h e nt h et h e o r yo ft h es a si m a g i n gi si n t r o d u c e di nt h i sp a p e ri nt h ev i e wo fh o wt h e h i g hr e s o l u t i o no ft h er a n g ed i r e c t i o na n da z i m u t hd i r e c t i o ni sa c h i e v e db yt h es o n a r i np h y s i c a lc o n c e p t i o n ，a n df o l l o w e db yad i s c u s s i o no ft h eu s u a ls a si m a g i n g a l g o r i t h m h o wt oi m p r o v et h eq u a l i t yo ft h et a r g e ta n dl o c a t et h et a r g e tp r o p e r l yb e c o m e a ni m p o r t a n tt a s ki nt h i sp a p e r s y n t h e t i ca p e r t u r es o n a ri m a g i n gs y s t e mi n v o l v e s2 d f o u r i e rt r a n s f o r mi nt h ep r o c e s s i n go fc o m p r e s s i o n b e c a u s eo ft h el i m i t e ds i g n a l b a n d w i d t hi n2 df r e q u e n c yd o m a i n ，t h ee n v e l o p eo f t i m ed o m a i ns i g n a li nt h er a n g e a n da z i m u t hd i r e c t i o n si st h ep r o d u c to ft w os i n ef u n c t i o n s ，w h i c hi si n t e r f e r e db yi t s s i d e l o b e s i ti si n t r o d u c e di n t h i sp a p e rak i n do fa d a p t i v ea l g o r i t h m s p a t i a l l y v a r i a n ta p o d i z a t i o nw h i c hc a ni m p r o v et h eq u a l i t yo fi m a g i n gs c e n e a sas u p e r r e s o l u t i o nt e c h n i q u e ，s p a t i a l l yv a r i a n ta p o d i z a t i o n ( s v a ) c a l lr e d u c es i d e l o b el e v e l s w h i l em a i n t a i n i n gt h em a i n l o b er e s o l u t i o n i n t r o d u c i n gs v ai n t os y n t h e t i ca p e r t u r e s o n a ri m a g e r yc a ng e tb e t t e ri m a g i n gr e s u l tt h a nt h ec o n v e n t i o n a lw e i g h t i n ga p p r o a c h 武汉理工大学硕士学位论文 t h i sp a p e rd i s c u s s e sg e n e r a l i z e da p o d i z a t i o na l g o r i t h ma tt h en o n s t a n d a r dn y q u i s t s a m p l er a t e s ，i m p r o v e si tb yi t e r a t i v ee x t r a p o l a t em e t h o d ，t h e na p p l i e si tf o rs a s i m a g i n gp r o c e s s i n g t h es i m u l a t i o n sc o n c e r n e da r ea l s op r e s e n t e d k e yw o r d s ：s a s ；a p o d i z a t i o n ；n o n s t a n d a r dn y q u i s t ；i t e r a t i v ee x t r a p o l a t e ；s i d e l o b e r e d u c t i o n 1 1 1 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学和其它教育机构的学位和证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所作的任何贡献均己在论文中作了明确的说 明并表示了感谢。 签名：翌萎日期：碰叠：! ：苎 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留交向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) c ：翱寄新c 签一辨 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 第1 章引言 我们居住的地球，陆地面积只占其表面积的百分之三十，其它都是浩瀚的 海洋。海洋不但是巨大的资源宝库，而且对地球的环境有着巨大的影响。随着 科学技术的进步，人们的海洋活动逐渐增多。海洋己渐渐成为人类活动的重要 场所。进入九十年代以来，世界各国纷纷加大了对海洋研究和开发的投入。开 发和利用海洋资源具有非常重大的意义。二十一世纪被人们称为海洋的世纪。 海洋开发、航运、地质勘探、水下物体搜索、军事活动都需要有高效的水 下观察手段。陆地上常用的光波和无线电波在水中衰减很快，无法长距离传播， 而声波却可以在水中传输很远的距离，因此它理所当然地成为最主要的水下信 息载体。随着人类海洋活动的日益增多，各种水声技术和设备迅速发展起来。 海底探测作为海洋开发利用的重要手段，倍受人们重视。它包括海底地质 勘探、海底地形地貌测绘、水下物体探测等。海底探测的手段很多，有取样探 测，水下摄像机成像和声探测成像等。 水下较远距离的探测和成像一般都使用声纳设备。目前水底成像声纳主要 有回声探测仪，前视声纳、测视声纳( s l s ) 等。合成孔径声纳( s y n t h e t i c a p e r t u r e s o n a r 简称s a s ) 是一种新型的水下探测成像声纳，是国际水声高技术研究的热 点之一。与普通的声纳相比具有突出的优点：s a s 具有很高的横向空间分辨力， 而且从原理上来说，它的分辨力与声纳的工作频率和作用距离无关，而仅仅决 定于基阵的物理孔径长度。这样我们就可以用较小的声纳基阵和较低的工作频 率同时满足近距离和远距离的探测需要。同时，由于分辨力与探测距离无关， s a s 还可以获得均匀的空间分辨力。 声纳系统中，获得高方位分辨力变得越来越重要、而且也越来越困难。因 为为了提高探测距离，工作频率越来越低，而低频条件下提高方位分辨力意味 着更长的水听器阵列。但由于拖曳过程中的稳定性和机动性的限制，把基阵长 度增加到太大的量级是不现实的，这就使孔径合成技术成为了值得研究的方法。 因此，s a s 具有利用低频、小尺寸换能器获得远距离高方位分辨率的特点，在 高分辨成像领域有着极大的潜在应用前景。然而相对较低的声传播速度、不规 武汉理工大学硕士学位论文 则的载体运动误差以及介质起伏等因素制约着合成孔径声纳成像技术在实际环 境中的使用。这就使获得更稳定和实用性更强的成像算法和技术变得尤为重要。 合成孔径声纳技术的研究是一个涉及到水声物理、信号处理、声学基阵技 术以及计算机技术的综合研究领域。本文将着重研究合成孔径声纳成像算法中 的旁瓣抑制技术，对现有的算法加以研究和改进，以达到提高目标点分辨力、 降低图像旁瓣干扰的目的。 1 2 合成孑l 径声纳发展历史及国内外研究现状 合成孔径技术最早起源于雷达成像领域，目的是提高雷达图像的方位分辨 力，将它引入声纳领域是从6 0 年代末开始的。然而，合成孔径技术在声纳领域 的应用远不如雷达成功，虽然经过三十几年的发展，仍未进入实用阶段。这主 要是因为水中声波传播速度较低( 相比于电磁波) 、声纳载体不规则运动及介质 起伏等复杂的水下信息传播环境带来的影响。因此，合成孔径理论同臻完善， 但合成孔径技术在声纳中的应用还远未成熟。利用实验进行s a s 研究受到各国 的普遍重视，一方面可以验证与深化理论研究的结果，另一方面可以为s a s 实 时处理系统的研制打下坚实的基础。 国外方面，9 0 年代以来，澳洲、欧洲、北美国家先后研制出s a s 实验样机， 并且性能在不断提高。一些s a s 系统的作用距离从原来的几十米、几百米到十 几公里，甚至更远；分辨率也从米、分米到厘米量级。 新西兰c a n t e r b u r y 大学p e t t e rg o u g h 领导的课题组于1 9 9 3 年推出的 k i w is a s 是较早的合成孔径声纳海试样机系统。 欧洲( 法国、英国、丹麦、希腊等国) 联合研制项目m a s t 于1 9 9 0 年开始 启动s a s 系统的研究( a c i d 项目) ，并在后来的m a s t 资助下，研制出s a m i s a s 海试样机系统，s a m is a s 于1 9 9 5 1 9 9 6 年进行了海上试验，获得了较远 距离上的大面积范围海底测绘图。这是第一个实时s a s 成像系统( 分辨率l 米， 中心频率8 k h z ，测绘效率7 5 0 m 2 s ，脉冲重复周期0 6 9 s ，拖曳速度3 节) 。欧 洲民用方面的s a s 研究，侧重性能价格比方面的提高，在适中的分辨率下追求 实时性和高测绘效率，以便在民用领域开拓市场。法国的新型合成孔径声纳 i m b a t 3 0 0 0 是商用型的，主要用于水下地形地貌勘测和石油开采。该系统有条 带( 分辨率l 米、中心频率3 5k h z 、测绘效率7 k r n d , 时、拖曳速度2 节) 和干 涉( 0 5 米、中心频率4 5k h z 、拖曳速度4 节) 两种工作方式。 2 武汉理工大学硕+ 学位论文 美国在该领域投资很大，研究成果也处于领先地位。美国n o r t h r o pg l u m m a n 公司为美国海军水面战中心研制了用于探测沉底水雷的合成孔径声纳，其原型 系统分别于1 9 9 6 年8 月和1 9 9 7 年1 月进行了海上试验。海试结果在4 0 米远处 获得了接近7 5 厘米的分辨率。美国雷声公司和d t i 公司从1 9 9 4 年起合作研制 了两型合成孔径声纳系统d a r p a 和c e r o s ，分别用于探测水雷和近水域埋藏 的爆炸物。d a r p a 在6 0 0 米距离上，方位分辨率达2 0 厘米。美国d t i 公司最 新推出分辨率1 0 c m 的p r o s a s 系统，是一个商用产品，可以安装在a u v 或 r o v 上。 此外，日本、荷兰、挪威、俄国等也有s a s 系统研制的报道。 国内方面，中科院声学所与中船重工7 1 5 所在8 6 3 计划课题支持下，于1 9 9 7 年开始进行合成孔径声纳湖试样机的研制工作。在突破了一系列关键技术后， 研制出能实时成像的s a s 湖试样机。该样机在千岛湖进行了多次水下成像实验， 达到了8 6 3 项目要求中提出的分辨率、成像速度、最大成像距离以及测绘带宽 等各项指标。继湖试试验取得成功之后，我国第一部具有自主知识产权的合成 孔径声纳，于2 0 0 5 年底在浙江舟山海域进行海试试验获得成功。 中科院声学所在成功研制合成孔径声纳海试样机的基础上，不断总结经验， 通过改进和完善，于近期完成了一套应用型合成孔径声纳系统，并进行了湖上 应用性验证试验。系统采用中、低频两个频段，用于水下悬浮、沉底和浅掩埋 物的探测以及高分辨的地形地貌成像。 s a s 成像方式决定了它将要受到载体运动轨迹误差及介质起伏的严重影响， 因而绝大多数实验是在可控的理想环境下进行的，一般将固定声纳换能器的走 架运行于导轨上来保持声纳轨迹的直线性。各国进行s a s 实验时，大部分采用 了小目标，如乒乓球、柱形杆、水泥墩、木墩、渔浮、油桶及金属球等进行探 测与成像。目标一般悬于水中或沉于海底，或掩埋、半掩埋于海底。利用实验 采集到的数据可以进行诸如成像算法，运动补偿及提高测绘速率等技术的研究。 s a s 在实际应用中遇到种种限制，主要是由于水声环境的特殊性决定的。 声纳载体不规则运动及介质扰动造成的相位误差，对于孔径能否合成起着关键 作用。为得到高质量的s a s 图像，必须进行运动误差的补偿。由于水中声传播 速度较低( 相对于电磁波而言) ，使得不能采用较高的信号重复频率，从而只能 限制载体的运动速度以避免空间降采样引起的方位模糊，结果限制了声纳的测 绘速率。而较低的信号重复频率又进一步加剧了载体不规则运动及介质不稳定 3 武汉理t 大学硕士学位论文 带来的相位误差的影响，从而增加了运动误差补偿的负担。 针对以上这些困难，当前主要的四个研究方向为：介质稳定性对s a s 的影 响、运动补偿、提高测绘速率、高效稳健的合成孔径成像算法等等。总之，s a s 技术仍在发展之中，它不但涉及工程问题，也涉及与之相关的水声物理问题。 普遍认为，距离s a s 的真正实用仍有相当长的一段路程。 1 3 本文研究工作及内容安排 全文共分六章，具体安排如下： 第1 章介绍了s a s 的研究背景及意义，回顾其发展历程及国内外研究现状。 第2 章介绍了s a s 的成像基本原理，聚焦工作方式、线性调频信号选择以 及脉冲压缩处理，并给出了s a s 回波数据计算机仿真模型，最后指出了合成孔 径声纳中一些需要解决的问题。 第3 章主要介绍了s a s 成像算法。本章主要分析最常用的三种s a s 成像算 法在s a s 中的应用：距离一多普勒( r a n g e - d o p p l e r ) 成像算法、线性调频变标 ( c h i r ps c a l i n g ) 成像算法和距离徙动( r m ) 算法，并详细列出这几种算法的 成像机理，最后对各种算法的性能进行比较。 第4 章在成像算法的基础上研究旁瓣抑制技术，首先讨论传统窗函数加权 对点目标成像结果的影响，然后引入数字图像超分辨率处理技术之一的空间变 迹法( s v a ) ，对非标准奈奎斯特采样率下的信号s v a 处理进行了推广，提出过 采样系数大于1 时的s v a 通用算法，并通过一维距离向脉冲压缩信号进行数值 仿真。 第5 章在前两章的基础上，将通用s v a 算法应用于s a s 二维成像旁瓣抑制， 比较了距离一方位分步处理和二维同时处理这两种应用方法的性能差别。针对 s v a 的主瓣处理特性，利用迭代外推法对s v a 处理进行了改进。最后通过数值 仿真得到了目标点二维成像的改进s v a 处理结果。 第6 章对全文工作进行了总结，并对进一步的研究方向提出了展望。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章合成孔径声纳成像原理 2 1s a s 成像基本原理 我们知道，对于孔径尺寸为d 的发射阵，其半功率点波束宽度【1 】大约为 0 3 拈= 丢 ( 2 - 1 ) 其中名为发射信号的波长。如果目标距发射阵的距离为，：，则用线性尺寸表 示的目标方位分辨率为 p = r o 0 3 扭= 丢 ( 2 - 2 ) 从( 2 2 ) 式可以看到，发射阵孔径d 越大，对目标的方位分辨率越高【2 1 。 但是，由于实现上的困难，我们不能无限制地增大发射阵尺寸，因此真实孔径 声纳的目标分辨率是相当有限的。同时也应注意到五正比于，即真实孔径对远 距离目标的方位分辨率很差。此外，要想获得较高的分辨率，必须提高信号的 发射频率。而信号的衰减随着频率的增大而增大，这就意味着我们需要用更大 的发射功率才能获得传输更远的距离。 面临以上问题，我们设想用孔径为d 的真实孔径声纳的运动来等效地构成 一个大孔径声纳，则目标方位分辨率可得到提高。可以证明，满足一定的条件 就可以在运动方向上获得一个等效的大的天线孔径厶则声纳对目标的分辨率将 提高l d 倍。 一个合成孔径声纳使用真实孔径在许多方位向位置处发射和接收信号，来 获得一个更大孔径的分辨率。合成孔径阵元的最大尺寸由真实尺寸声纳的发射 半功率波束宽度所覆盖的目标区域所决定，如图2 - l 所示，要照射= 只拈的目 标区域，真实孔径大小为d 即可，但对应合成孔径的等效大小却为2 三，即 跣= 2 岛扭 ( 2 3 ) 所以合成孔径声纳的方位向分辨率为 慨小。老w 壶= 詈 q 4 ， 一d 因此可以看出，与传统声纳不同，方位向合成孔径声纳的分辨率独立于目 武汉理工大学硕士学位论文 标距离和发射信号频率，仅由真实孔径声纳尺寸d 决定，并且d 越小分辨率越 高，我们可以在低频下( 意味着信号衰减小和作用距离远) 得到比真实孔径声 纳分辨率高的图像来。但方位分辨率并非可以无限地提高，可以证明其方位分 辨率极限【3 】为： p 互 p一4(2-5) ：i ：1 _ 一 ： 2 , ： l 图2 1合成孔径声纳侧视图 由此可以总结合成孔径声纳形成条件为：真实孔径声纳相对于目标运动， 并发射线性调频信号，记录接收信号并做适当信号处理，使对同一目标单元的 各个回波信号能够同相叠加，这种工作方式也称为聚焦式s a s 3 1 。 非聚焦式s a s 3 】是指不改变孔径内从各种不同位置来的信号的相移就进行 存储信号的积累。可以想到，既然对各种不同位置来的回波信号不进行相位调 整，则相位的合成孔径长度一定受到限制。如果厶为非聚焦合成孔径长度，越 过这个范围的回波信号会产生较大相位差，如果让它与厶范围内的回波信号相 加，其结果反而会使能量减弱而不是加强。这是很容易用两个矢量相加的概念 来解释的，如果两个矢量的相位差超过z r 2 ，则它们的和矢量可能会小于原来 矢量的幅度。非聚焦式s a s 的分辨率为【习： 厩 芋 ( 2 6 ) s a s 是通过发射阵相对于目标的运动来获得高分辨的。这种方法只能在航 迹方向( 即方位向) 获得高分辨，在与其垂直的方向( 即距离向) 必须采用别 6 武汉理工大学硕士学位论文 的方法来获取高分辨率。通常我们采用脉冲压缩技术来获取距离向高分辨率， 因为此种技术还能以较低的峰值功率产生较高的平均发射功率电平，从而达到 较大的作用距离。这时发射阵在每一个方位向位置上发射相同的线性调频信号， 接收时通过匹配滤波器将其压缩为窄脉冲，从而获得高的径向距离分辨率【4 1 。 2 2 线性调频信号及脉冲压缩 在应用中一般选择是线性调频( l i n e a rf r e q u e n c ym o d u l a t i o n ) 为发射信号， 接收时采用匹配滤波器( m a t c h e df i l t e r ) 压缩脉冲【5 1 。 2 2 1 线性调频信号 l f m 信号( 也称c h i r p 信号) 的数学表达式为： j o ) = r e c t ( t ) e j 2 万，2 ( 2 7 ) 式中z 为载波频率，旭d ( ；) 为矩形信号， 呻= 卜巍p 协8 ) k = 旦t 是调频斜率，于是信号的瞬时频率为z k t ( 一f ) ，如图 7 武汉理t 大学硕士学位论文 舶碍l 栅留j 一 夕 ： j j唾 矗 兀 1j i - 千一 i t i l 妇啊啦联彳 | i 4矗唾 丑 1 ? 一四跚一一一姗 国 图2 - 2 典型的c h i r p 信号( a ) u p - c m 巾( b ) d o w n c h i r p 将( 2 - 7 ) 式中的u p c h i r p 信号重写为： s ( t ) = s ( f ) p 1 2 哆 式中， s ( f ) = r e c t ( t ) p 归x ，2 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 是信号s ( t ) 的复包络。由傅立叶变换性质，双t ) 与s ( t ) 具有相同的幅频特性， 只是中心频率不同。双t ) 的时域波形和幅频特性如图2 3 。 图2 3l f m 信号的时域波形和幅频特性 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 2 匹配滤波器技术 对于线性调频发射信号而言，合成孔径声纳成像的第一步处理就是对回波 信号进行距离向脉冲压缩。脉压处理的本质就是对回波信号做匹配滤波【5 1 。信号 j ( f ) 的匹配滤波器的时域脉冲响应为： 五( f ) = s ( 一f ) ( 2 1 1 ) 将( 2 7 ) 式代入( 2 1 1 ) 式得： h ( t ) = r e c t ( - 鲁) e 一雠2 一2 窟f g ( 2 1 2 ) 图2 - 4l f m 信号的匹配滤波 如图2 _ 4 ，s ( f ) 经过系统矗( f ) 得输出信号已( f ) ， s o ( t ) = j ( f ) 半j i l ( f ) = ，s ( u ) h ( t - “) 咖= 卜( 比p ( t - “) d u = 一! e 啊咧争e y 2 z f ux “h 户r e c r ( 字“1 协 合并0 t t 和一t t 0 时的结果： s i n 万k t ( 1 一粤弘f s o ( d 钉i 云聊“寺) 一2 哪 ( 2 1 3 ) ( 2 - 1 3 ) 式即为l f m 脉冲信号经匹配滤波器得输出，它是一固定载频z 的 信号。当t t 时，包络近似为s i n c 函数。 & ( f ) = t s a ( 万k n ) r p d ( 寺) = t s a ( 万研) r e c t ( 寺t ) ( 2 - 14 ) 9 武议理人学硕士学位论文 t 。上 、j 水 - 4 d 8 肛川。 图2 - 5 匹配滤波的输出信譬 如图2 - 5 t 当z 研= z 时，f = ；为其第一零点坐标；当z 皿= 至2 时，b f = 去t 习惯卜，将此时的脉冲宽度定义为握缩脉冲宽度。 r ：一1 2 ：! ( 2 1 5 ) 2 口胃 l f m 信号的压缩前脉冲宽度t 和压缩厉的脉冲宽度f 之比通常称为压缩比d d：!：皿(2-16) r 压缩比也就足l f m 信号的时宽频宽积即分辨率提高倍数l ”。 卅愀； n g 镕黼圄渡 丽_ 叠 嘶 1 1l5 12 2 5 1 313 e414 j t 5 目十巨对距i ( m ， x1n 4 图2 - 6l f m 回波脉冲压缩仿真 4 2 0 o 4 0 加 武汉理工大学硕士学位论文 多点目标l f m 回波脉冲压缩仿真如图2 - 6 ，可以发现原始回波信号后无法 分辨出目标，但对回波信号进行脉冲压缩处理后，如图所示，图中的三个尖脉 冲表示原有信号中有三个与发射信号相同的信号，因此就能够分辨出三个目标。 可以看到脉压后的信号脉宽明显小于原始信号的脉宽，分辨率得到很好的提高。 2 3s a s 回波信号模型 s a s 成像有两种主要成像模型，分别为条带模型和聚束模型3 1 。在条带模型 系统中，拖体经过孔径时发射波束垂直于运动方向，并照射一块目标区域。如 图2 7 所示。相反的，聚束模型系统在整个时间内发射波束照射特定的区域。但 是目前还没有出现实际可操作的聚束s a s 系统，我们在此只讨论条带s a s 模型。 这里我们对数据模型需要做以下假设：第一，模型忽略了介质扰动、折射 以及多途的影响，且声速保持恒定，信号是沿着一条直线传播，因此传播延时 正比于目标距平台的距离。第二，模型假定每一个目标的复反射率是稳定的， 不随视角的不同而改变。最后，该模型假定平台在发射和接收信号时是静止的。 这就是s a s 数据模型中常用到的“停一走停”模式。 ( b ) 图2 7空间几何关系( a ) 正视图( b ) 侧视图 如图2 7 ，选取直角坐标系x y z 为参考坐标系，x o y 平面为地平面；s a s 平台距地平面高h ，沿x 轴正向以速度v 匀速航行；p 点为s a s 平台的位置矢 量，设其坐标为( x ，y ，z ) ；t 点为目标的位置矢量，设其坐标为( x r ，y r ，z r ) ；l s a s 表 示合成孔径长度，它和合成孔径时间t s a s 的关系是l s a s = v t s a s ，a o 为声纳天 线半功率点波束角，口为波束轴线与z 轴的夹角，即波束视角，r r r f i n 为近距点 武汉理工大学硕士学位论文 距离，r m a x 为远距点距离，w 为测绘带宽度 由几何关系，目标与s a s 平台的斜距为： i 雨l = x ( x - x t ) 2 + ( y y r ) 2 + ( z 一勺) 2 ( 2 - 1 7 ) 由图可知：y = 0 7 z = j j l ，z t = 0 ；令x = v s ，其中v 为平台速度，s 为慢时间 变量( s l o wt i m e ) ，假设x r = 倦，其中s 表示s a s 平台的x 坐标为薪的时刻；再 令，= 日2 + 肼2 ，厂表示目标与s a s 的垂直斜距，重写( 2 - 1 7 ) 式为： 网= 尺( 咿) = 扩万石丽 ( 2 1 8 ) r ( s ；，) 表示任意时n s 时，目标与声纳的斜距。一般情况下，v l s - - s o i ， 于是( 2 1 8 ) 式可近似写为： r ( 叩) ：扩再而，+ 芝( s 一) 2 ( 2 1 9 ) 可见，斜距是s 和，的函数，不同的目标，也不一样，但当目标距s a s 较 远时，在观测带内，可近似认为，不变，即厂= 尺o 。 s a s 在运动过程中，以一定的p r t ( p u l s er e p i t i t i o nt i m e ，脉冲重复周期) 发 射和接收脉冲，天线波束照射到地面上近似为一矩形区域，如图2 7 ( a ) ，区域 内各散射元( 点) 对入射波后向散射，这样，发射脉冲经目标和天线方向图的 调制，携带目标和环境信息形成s a s 回波。从时域来看，发射和接收的信号都 是一时间序列。 + + 图2 8s a s 发射和接收信号 图2 8 表示s a s 发射和接收信号的时域序列。发射序列中，t r 为c h i r p 信号 持续时间，下标，表示距离i - h - ( r a n g e ) ；p r t 为脉冲重复周期；接收序列中， 1 2 武汉理工人学硕士学位论文 = 竺掣表示发射第f 个脉冲时，目标回波相对于发射序列的延时；阴 影部分表示接收机采样波门，采样波门的宽度要保证能罩住测绘带内所有目标 的回波。 发射序列的数学表达式为： s ( f ) = p ( t - n p r t ) ”1 ( 2 2 0 ) p = r e c t b 拣j 二e 扭a 豇 ， 式中，r e c t ( ) 表示矩形信号，群为距离向c h i r p 信号的调频斜率，z 为载频。 回波信号由发射信号波形，天线方向图，斜距，环境等因素共同决定，若 不考虑环境因素，则单点目标回波信号可写成： s ，( f ) = 盯w p ( t - n p r t l ) ( 2 2 1 ) 刀； 式中，仃为点目标的散射截面，w 表不点目标天线方向图双向幅度加权，乙 表示拖体发射第n 个脉冲时，信号在声纳与目标之间传播的双程时间， 。：2 r f ( s ；r ) ，代入( 2 2 1 ) 式 啪) ：主f ( 塑竺等堂堂) n - - - a o r e x p j n k ，( t - - n p r t - 2 r ( s ；r ) c ) 2 】 ( 2 2 2 ) e x p - j - 竽- r ( s ；r ) e x p j 2 刀f 。( t - n 尸冗丁一l ) 】 ( 2 22 )式即为单点目标回波信号模型。其中 e x p j n k ，( f n p r t - 2 r ( s ；r ) c ) 2 】为c h i r p 分量，它决定距离向分辨率， e x p 一兰；尺( s ；r ) 】为d o p p l e r 分量，决定方位向分辨率。 假设s a s 满足“停一走一停模式，即s a s 在发射和接收一个脉冲信号中 问，拖体未发生运动。称s 为慢时间变量( s l o wt i m e ) ，t 为快时间变量( f a s tt i m e ) 。 于是，一维回波信号可以写成二维形式，正交解调去除载波后，单点目标的回 波可写成： 武汉理工大学硕士学位论文 ( 蹦；，) ：盯删( 丝掣) e x p 弦k r ( f 一2 r ( 叩) c ) z 】 厂 ( 2 2 3 ) 聊f ( ) e x p 卜了4 7 尺( s ；，) 】 l s a r ( = l o - 采样波门 甘个脉冲回波 图2 - 9 单点目标回波二维分布示意图 在方位向( 慢时间域) 是离散的，j = 甩咫r + 矗v ，其中y 是s a s 的速 度，而是0 时刻目标在参考坐标系中的x 坐标。为了作数字信号处理，在距离 向( 快时间域) 也要采样，假设采样周期为乃，则t = ，1 z ，如图2 - 9 ，方位向发射 个脉冲，距离向采样得到m 个样值点，则s a s 回波为一个n x m 矩阵，k 个 理想点目标的回波经采样后的表达式为： s r ( n , m ) ：童o - e x p j 删k 撕) 一掣】2 ) e x p h 4 j 7 r r 、n 】 k=l、一 l o 【f ( 聊) 一掣】 t r ；i 尺( 以；七) - - x ( j | ) l t s 口， ( 2 2 4 ) 一 玎= 1 ，2 ，3 n ；m = 1 ，2 ，3 m 上述表达式即为s a s 成像模型的个基本的构建回波数据表达式，是下一 章讨论各种成像算法的基础。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 2 4s a s 存在的问题 以上的基本原理合成孔径声纳与合成孔径雷达是相同的，但由于传播介质 的复杂性以及平台运动的不稳定，s a s 又有其新的特剧3 】【1 引，表现如下： ( 1 ) 运动补偿要求高 风浪及船舶操纵性等因素会造成拖体偏离理想直线航迹，这种运动误差会 对s a s 图像质量产生较大影响。为保证有足够高的图像质量，航迹运动位置误 差最大不能超过1 4 ，甚至i 8 【3 】【2 3 1 ，因此高分辨s a s 必须采取运动补偿措施， 减小甚至消除运动误差的影响。 ( 2 ) 测距、测速矛盾突出 对于一部高分辨侧扫声纳而言，测绘速率是一个重要的指标。高分辨合成 孔径声纳与普通侧扫声纳的重要区别，除了其方位向分辨力在不同距离上保持 恒定，且与采用的信号频率、工作距离无关外，普通侧扫声纳只受到距离模糊 的限制，而s a s 将受到方位模糊与距离模糊的联合限制【4 1 。为了保证测距不模 糊，脉冲重复频率应该有： 一 p r f 二一 ( 2 2 5 ) 2 k 其中： 1 j p r f = 一r ( 2 2 6 ) 。 其中c 为声速，氏。为最大作用距离，1 ，为拖体速度，a 。为方位向采样问隔。 为了在方位向充分采样，防止不利的采样不足造成的影响，方位向采样间隔： n a 。等 ( 2 2 7 ) 因此我们可以得到： 肼型 ( 2 2 8 ) d 由于( 2 - 2 5 ) 式和( 2 2 8 ) 式往往是矛盾的，因而导致了方位向分辨率与最 大成像距离、平台运动速度之问的相互制约关系 在s a s 系统的实际应用中，我们必须根据需要兼顾这几方面的因素。要想 获得较高的分辨率和较远作用距离就必须降低平台速度，而这在实际中很难保 证声纳平台沿航迹前进。因此，单接收阵元s a s 系统的测绘速率难以提高，而 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 低速影响平台的稳定性，往往不能满足实际工作的需要。因而提高测绘速率的 方法就成为另一个影响s a s 实用的关键技术。目前已研究的方法主要是多子阵 s a s 方案【l2 1 ，其硬件复杂程度较为适中，又具有灵活性，是一种较好的解决s a s 速率问题的方案。 ( 3 ) 收发共置系统可能存在收发不共点问题 由于声纳平台速度与声速不匹配，当声纳接收到信号时，平台己经行进了 一段距离。这种情形下进行信号处理是非常困难的。可能的解决办法是降低声 纳平台的运动速度、采用“停一走一停”模式工作。另一种方法是通过精确计 算收发时延内阵列的运动，以实现“停一走一停 模式不成立条件下的成像算 法。 2 5 本章小结 本章主要介绍了合成孔径声纳的基本原理，发射信号的选择以及脉冲压缩 处理过程。并给出了合成孔径声纳的原始回波信号的空间模型及计算公式。最 后指出了当前合成孔径声纳需要解决的一些问题。 1 6 武汉理t 大学硕士学位论文 第3 章合成孔径声纳成像算法 s a s 成像处理主要有两个问题，一是距离徙动校正，二是运动补偿。距离 徙动可分解为一次的线性分量和二次以上( 包括二次) 的弯曲分量，线性分量 称为距离走动，弯曲分量称为距离弯曲。本章将在前一章点目标s a s 回波模型 基础上，针对不同程度的距离徙动，讨论需要采用的各种成像算法。 3 1 距离徙动 距离徙动对合成孔径声纳成像是一个重要的问题，本节将对它作一个比较 系统的介绍。 一8 j 0 ( 、， r 图3 1正侧视时距离徙动的示意图 距离徙动的情况对不同的波束指向会有所不同，首先讨论正侧视的情况， 这时距离徙动可用图3 1 来说明。所谓距离徙动是声纳直线航行对某一点目标 ( 如图中的q 点) 观测时的距离变化。如图3 1 所示，天线的波束宽度为a 0 ， 当载体达到彳点时波束前沿触及q 点，而当载体达到b 点时，波束后沿离开q 点，爿到b 的长度即有效合成孔径，q 点对a 、b 的转角即相干积累角，它等 于波束宽度秒。q 点到航线的垂直距离为最近距离r r 。这种情况下的距离徙 1 7 武汉理工大学硕七学位论文 动通常以合成孔径边缘的斜距r 与最近距离r 口之差表示，即 r q - - r - - 耻s e c 竽吨 ( 3 - 1 ) 在合成孔径声纳里，波束宽度秒一般较小，s e c t a o 1 + 虿i ( 臼) 2 ，而相干 积累角口与横向距离分辨率以有以下关系：以= 三2 a 0 。利用这些关系，( 3 1 ) 式可近似写成： 伞i 1r b ( a a ) 2 = 篆 ( 3 - 2 ) 假设条带场景的幅宽为矿，即场景近、远边缘与航线的最近距离分别为 r 丑一学和r 口+ 等，得场景两端的距离徙动差为： a r 。= 婴 ( 3 - 3 ) 3 2 距离徙动和距离徙动差的影响表现在它们与距离分辨率p ，的相对值，如果 它们比p ，小得多，就无需作包络移动补偿。因此，定义了相对距离徙动( r 。p ，) 和相对距离徙动差( 欲。p ，) 。 通过上面的讨论，距离徙动与合成孔径声纳诸因素的关系是明显的，从图 3 一l 和( 3 2 ) 式可知，对距离徙动直接有影响的是相干积累角a o ，a o 越大则 距离徙动也越大。需要大相干积累角的因素主要有两点，一点是要求高的横向 分辨率( 即p 。要小) ，另一点是声纳波长较长。在这些场合要特别关注距离走动 问题。此外，场景与航线的最小距离尺日越大，距离徙动也越大。这里我们要特 别关注的是场景条带较宽时的相对距离徙动差，它决定了对场景是否要作分段 的距离徙动补偿。 以上讨论的是正侧视的情况，斜视的情况可以用图3 2 来说明。对比图3 2 和图3 1 ，这时波束指向的斜视角为口，图中彳点为合成孔径中心，它在x 轴的 位置为x 。( = 凡t a j l 口) ，距点目标q 的距离为尺o ( = r 口s e c 口) ，有效合成孔径 长度为三。从图3 2 中的右图可见，这时斜距r 与x 的关系曲线( 近似为抛物线) 与图3 1 的完全相同，只是合成孔径中点不在最近距离点，而是移到图中的彳点。 武汉理工大学硕士学位论文 q 。 。 a 0a ，。， t 如厂p 0 珈j l 一南一 ， ， 上 e ：。一 ， r 8 1 x 、 x ( f 。) 图3 2 斜视时距离徙动的示意图 根据图3 2 的几何关系，可以得到拖体沿航线航行位于某一坐标x 时的瞬 时斜距为 r = 4 ( x x o ) 2 + r ；一2 尺o ( x x o ) s i n f l ( 3 - 4 ) 由于l r 。，对上式在x = x 。附近作泰勒级数展开，省略三次项以上的高 次项，得( 3 - 4 ) 式的近似式为 肌耻s i n f l ( x - x o ) + 等( 卜2 ( 3 - 5 ) 如果将正侧视的条件( 即= 0 ，x 0 = 0 ，r o = r 占) 代入上式，式中的线性 不再存在，而只是二次项表示的距离弯曲。 考虑到r 。= r 占c o s p ，从( 3 5 ) 式可知，斜视时的距离弯曲，较正侧视时 小，若= 6 0 。，则同样的横向偏离时距离弯曲值只有正侧视时的1 8 。从( 3 5 ) 式还可看出，距离走动与偏离值( x - - x 0 ) 成j - e l g ，其比例系数为s i n f l ，而与 离航线的距离尺b 无关，也就是说，录取数据的相干积累轨迹虽然存在距离和方 位的耦合，但耦合关系在条带场景里均相同，而与距航线的距离无关【1 5 1 ，这给 距离走动补偿带来方便 3 2 距离多普勒算法 前面已经提到，根据距离徙动