（水声工程专业论文）合成孔径声纳成像算法及介质不稳定性影响研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t 皿en o t a b l ea d v a n t a g eo fs y n t h e t i ca p e r t u r es o n a r ( s a s ) i sg e t t i n gh i g h a z i m u t hr e s o l u t i o nb ya p p l y i n gt h ea r r a yw i t hs m a l ls i z e ，a n di si n d e p e n d e n to f w o r k i n g 疔e q u e n c ya n dd e t e c t i n gr a n g e i nt h e f i e l do fu n d e r w a t e ra c o u s t i c r e s e a r c ha n ds e ab o r o mm a p p i n g ，s a sh a sb r o a da p p l i e dp o t e n t i a l s ，b u ti ta l s o h a ss t r i c tm q u e s tt ou n d e r w a t e ra c o u s t i ce n v i r o n m e n ta n dt ot h em o t i o no fs o n a r c a r r i e r t h es a si m a g i n gb a s e so nt h ec o h e r e n c eo fs o n a rs i g n a l ，a i m i n ga tt h e u n d e r w a t e rm e d i u mh a v i n gt e m p o r a la n ds p a t i a li n s t a b i l i t y , t h ec o h e r e n c eo fl t 【g h 丘e q u e n c ys a si m a g i n gi ns h a l l o w s e ai sa n a l y z e d , a n dt h em e a s u r i n gm e t h o do f s i g n a lc o h e r e n c ei sp r e s e n t e d a tt h es a m et i m e ，s a si m a g i n ge x p e r i m e n ti s c o n d u c t e di nt a n k ，a n dt h ee x p e r i m e n tw i t c ht e s t st h ee f f e c to f i n s t a b l em e d i u mo n s a si m a g i n gi sa l s od o n ei ns o n g h u al a k e 。 t h es a si m a g i n ga l g o r i t h m sb a s i n go nt i m ed o m a i n ，f r e q u e n c yd o m a i na n d w a v e - n u m b e rd o m a i na r ei n 仃o d u c e da n ds i m u l a t e di nt h et h e s i s n ec o n c l u s i o n t h a ti n s t a b l em e d i u ml i m i t st h el e n g t ho fs y n t h e t i ca p e r t u r ea n dr e d u c e st h es a s i m a g i n gr e s o l u t i o ni so b t a i n e db ya n a l y z i n gt h ec o h e r e n c eo f h i g hf r e q u e n c ys a s i m a g i n gi ns h a l l o ws e a t h es i m u l a t i o no fc o h e r e n c em e a s u r e m e n tp r e c i s i o ni s a l s om a d eo u t , t h er e s u l ta p p r o v e st h a t , i na g i v e ns n rr a n g e ，e s t i m a t i o no f p h a s e a p p l y i n gn o t c hf i l t e r a n de s t i m a t i o no ft i m ed e l a y a p p l y i n gt h r e e - p o i n t i n t e r p o l a t i o nm e t h o da r ea p p l i c a b l e i nt h et a n k , p o i n tt a r g e ta n dd i s t r i b u t i n g t a r g e ta r ei m a g e dc l e a r l yi nt h ea r e ao fr e v e r b e r a t i o n t h ea n a l y s i si n d i c a t e st h a t t h es a si m a g i n gh a sc a p a b i l i t yo fa n t i - r e v e r b e r a t i o n i nt h ee x p e r i m e n td o n ei n s o n g h u al a k e ，t h ee m p h a s e si sp u to nt h em e a s u r e m e n to f f l o a t a t i o no f p h a s ea n d t i m ed e l a yw i 也t h ev a r i a t i o no ft i m ea n ds p a c e 。t h er e s u l tv a l i d a t e st h a ti n s t a b l e m e d i u mr e a l l yh a se f f e c t so ns a si m a g i n g k e yw o r d s ：s y n t h e t i ca p e r t u r es o n a r ；i u s t a b l em e d i u m ；i m a g i n g ；c o h e r e n c e 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献等的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中 已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：趋盘煎 日期： o - 7 年弓月g 日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 论文背景 众所周知，近些年来人类将注意力越来越多的投放到海洋资源的开发与 利用，积极探索海洋的奥妙己成为2 1 世纪众多国家的国家发展战略。 其中海底成像技术成为海洋探测的一种重要手段，但由于电磁波在水中 传播能量损失极大，不管是高频段和低频段的电磁波，在海水中的传播距离 都不会很远，海水的强传导率严重限制了电磁波的探测距离。然而，声音在 水中传播却要容易得多，可以这样说，在人们所熟知的各种辐射形式中，声 波在水中的传播最佳，尤其是低频声波在海水中的衰减最小。由于声波在水 中传播相对容易这一特性，在利用和开发海洋事业中，水声得到广泛的利用， 成像技术也发展为利用声波来对海底进行大规模的成像，也就说，声成像已 成为大规模水下成像唯一的、重要的手段。 在众多的声纳系统中，本文主要采用旁扫声纳系统来进行成像，旁扫声 纳己成为民用与军用海底成像中的重要组成部分，但是旁扫声纳提供高分辨 率成像的能力受到实孔径长度的限制，合成孔径声纳( s a s ：s y n t h e t i ca p e r t u r e s o n a r ) b p 是解决此问题的一个方法，合成孔径声纳通过空间采样信号的相干 叠加来达到大孔径的效果，从而提高分辨率。 沿孔径接收到的各个信号的相干性是合成孔径声纳成像的基础，在理论 上，对合成孔径声纳技术的限制是声传播介质在时间和空间上的相干，相干 时间越长，空间相干长度越大，那么有效的合成孔径尺寸就越大，成像分辨 率就越高。合成孔径声纳在海水环境中工作时，即使是在收发系统固定、没 有运动误差的情况下，声纳信号的相干性也会减弱，因为海洋介质从空间的 角度来看是不均匀的，从时间的角度来看是不稳定的，这些特性使得传播的 声波阵面遭到破坏，从而使声波的相干性以及声学成像能力降低。因此，水 下传播介质的时间一空间相干特性是有效合成孔径声纳设计必须要考虑的前 提。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 2 合成子l 径声纳成像原理简介 概括来说，成像算法就是针对具体的声纳系统参数和分辨率要求，发射 宽带波束的声脉冲信号，用便于运算的方法来完成回波信号在距离向和方位 向的解耦合，同时通过信号处理的方法把多个脉冲信号的回波融合在一起， 完成距离向和方位向信号的相干累积，从而获得高分辨率的声纳图像。这种 方法的好处是不需要过大的阵列长度就能用低频信号产生高分辨率的声纳图 像，并且这种高的方位分辨率与声纳的作用距离是无关的( 这在常规声纳中 是不可能的) 。但是，合成孔径声纳的缺点是在指定合成孔径长度内，回波 数据必须保持相位的相干性，也就是说若没有相位的相干性，合成孔径声纳 的图像将会严重恶化。为了防止图像的恶化，平台运动方向的方位采样将受 到严格的要求。 1 3 海洋介质对合成孔径声纳成像的影响 海洋中降低声波相干性的因素主要有以下几种机制：海洋中的内波、声 传播过程中海水涌动、潮汐、微观热源、浅海表面运动等等，它们都造成了 声波在时间上或空间上相干性的降低，致使成像系统的有效孔径长度受到相 干长度的限制：孔径长度需要小于空间相干长度，信号处理窗口需要小于时 间相干长度。由于相干长度的限制，一些在深海中工作的长孔径在浅海中工 作时会造成s a s 成像性能的减弱，因此，无论是实孔径还是合成孔径，它们 的有效长度都要深入研究。 由于海洋介质对合成孔径声纳的重要影响，长期以来，国外针对海洋中 降低声波相干性的各种因素作了大量的试验。浅海介质对合成孔径声纳相干 性的影响将从几个典型试验进行说明。以下几组试验介绍了试验概况和试验 结果，充分说明了海水介质的不稳定性对声传播的影响。 1 3 1 海水介质时间稳定性的研究现状 表1 1 概括了迄今为止国外所作的测量海洋介质时间稳定性的大量试验， 包含了深海、浅海环境下用实孔径和虚拟孔径所做的试验。 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 表1 1 国外关于测量海水介质时空稳定性试验结果 工作频 距离相位变化测量时 相位变化 试验者 率相位变化率 窒 口z ) ( m ) 标准差河 7 作频率 c 1 1 r i s t o t l1 0 0 k 0 0 4 r a d2 0 r a i n5 3 l x l 0 年5 , 3 1 x 1 0 。“ 4 8 1 9 5 21 0 0 k o 3 l r a d2 r a i n4 1 1 x1 0 44 1 1 1 0 9 g o u g i l 小于等于 3 0 9 x1 0 4 h a y e s 1 5 - 3 0 k1 3 0 6 0s e c4 6 3 1 0 4 1 0 。1 5 4 1 0 _ 8 1 9 8 9 s t o w e 1 0 k2 5 0 0 3 5 。6 0s e c1 6 2 x1 0 1 6 2 x1 0 4 1 9 7 4 w i l l i a m s1 0 7 4 9 5 1 4 8 4 5 09 2 x 1 0 2 3 1 0 4 0 0 4 9 。 1 9 7 6k l i ls e c3 0 2 x1 0 47 5 6 x1 0 - 7 w i l l i a m s 2 7 0 1 2 0 01 2 0 一4 8 02 0 8 x 1 矿5 2 1 l 矿 b a t t c s t i m 4 0 09 0 。 k r ns e c5 1 2 x1 0 41 3 1 0 “ 1 9 7 6 f t t z g e r a l d 1 0 0 46 5 - 7 1k m1 5 。 1 0 0 0s e c 4 1 7 x1 0 。4 1 5 l 矿 1 9 7 6 s p i n d d 1 5 周期 大于3 小1 ，3 9 x1 0 43 4 2 1 0 4 p o 断4 0 62 1 0 k m 7 5 周期时 6 9 4 x1 0 41 7 1 l o - 6 1 9 7 4 d y e r 1 9 8 7 2 5 2 0 01 0 0 k m0 2 - 2 4 1 0 4 5 5 0 1 2 5 0 2 8 x l o j6 ，9 1 0 c l a r k 1 9 7 44 0 6 k m4 0 x l o j9 9 x l 驴 g c o r g c s 5 7 9 1 m m 1 3 1 0 43 9 1 0 6 1 9 9 43 9 1 0 49 9 x 1 0 6 2 x 1 0 4 b i r d s t a l i5 75 5 l m m3 5 1 0 - 5 r a y t h e o n 1 0 0 3 0 0 3 0 06 6 x1 0 - 9 1 9 9 4k p a r v u l e s c a l 4 0 03 6 5k m6 2 5 x1 0 - 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 3 2 典型试验分析 下面将介绍由c h r i s t o f f 等人做的五个不同的试验，分别从试验地点的环 境、工作频率、试验模型以及试验结果等几个方面进行说明。 1 9 8 2 年，c h r i s t o f f 等人在s t a n d r e w sb a y 做试验来测量介质在时间上的 稳定性。这个试验持续了两年的时间，收发装置距离海底的高度也作了几 次不同的调整。试验最后说明了距离海底近的声传播受内波影响会小一些， 相位起伏也会小一些。 试验地点是这样个环境，水深1 2 m ，上下浮动0 6 m ：没有水上交通的 扰动；通过声速测量得知水体分两层，上层水体有潮汐、风、降雨，下层水 体稳定，受潮汐和海面情况影响很小。工作频率选在1 0 0 k h z ，和典型的合成 孔径声纳的工作频率一致。 试验模型是收发分置，相隔4 8 m ，接收装置在离海底3 m - 9 m 之间。将发 射机放在装在混凝土块上的4 m 长的铝柱的顶端，混凝土块放在海底，铝柱 是垂直放置的，整个系统锚定。接收水听器安装在装有滑行装置的轻便架子 上，能做水平运动来采集合成孔径声纳数据，架子和一个刚性盒子连在一起 可以沉在不同的高度。 试验结果：接收装置在距离海底3 m 处，测量时间2 0 分钟，相位起伏的 标准方差是0 0 4 弧度，幅度起伏的均方差是1 6 。接收装置在距离海底9 m 处，测量时间在1 2 2 s 一1 4 2 s 时间段内，相位起伏的标准方差是0 3 1 弧度，比 上一种情况增大一个数量级。 由试验可以看出，工作在上述频段和收发短距离情况下，介质的稳定性 对合成孔径声纳的影响不是很大，但是对于运动速度较慢的载体，采集数据 的水听器接近海表面时，将会受环境稳定性较大的影响。 1 9 8 9 年，g o u g h 等人在苏格兰一个海湾做了测量相位稳定性的试验“， 取1 分钟和1 5 分钟的时间段观测相位值，得到在平均相位上下有l o 度相位 起伏的结果，作者把此相位误差归结为试验仪器精确性的不足，说明相位不 稳定性要优于l o 度。 试验所在的海湾有大量的潮汐涌( 在码头可到6 k n ) ，下过雨后，有大量 的淡水注入；在平均潮汐高度情况下，从码头到离码头7 0 m ，水深由5 m 逐 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 渐增加到2 0 m 。使用连续发射调频信号，0 8 s 的时间内在1 5 k h z 到3 0 k h z 之 间线性扫频，解调后的回声信号分为2 0 段，每段4 0 m s 。 试验模型：7 0 m 距离远处水下放置一个桶架，码头到桶架由电缆相连， 声纳安置在固定的位置，大约在码头到桶架一半路程处，一个充满空气的浮 桶被大块的混泥土固定在海底，保证潮汐情况下是稳定的。一个球体距电缆 中心6 6 m ，放在水中7 m - 1 0 m 处，此球作为目标来反射声信号。 在一分钟的时间段内，获得7 5 个在2 0 个不同频带的相位测量。选其中 的平均频率是2 4 k h z 的一个频带，在1 5 分钟的时间段内测量相位在时间上 的起伏。在一分钟的测量时间内，在平均相位附近有l o 度的相位偏离，即有 1 0 度的相位误差。在1 5 k h z - 3 0 k h z 的频段内，相位的起伏与频率无关，表 明了相位起伏是因受实验测量精度的影响而不是受介质稳定性的影响。 1 9 9 2 年，r a y t h o n 公司c i a n y 等人做试验来观测传播介质对高频合成孔 径声纳成像的相干性处理的影响唧，试验准确得描述了介质在时间和空问上 的相干特性。合成孔径声纳满足在3 3 m 处有5 c m 的分辨率，声基阵固定并且 在没有运动的情况下满足孔径设计的长度，工作频率为1 0 0 k h z 3 0 0 k h z 。 试验在一个沿岸港口进行，港口有以下特点 1 ) 距离海岸7 4 0 0 m 处海水深度可达2 0 m ，日常操作可以在岸上进行 2 )接近g u l f 海湾有涌流，确保有大范围的环境条件。 3 )布阵的方便性 试验的主要部分是一个置锚板上横列定向形式的基阵和一个三脚架结构 声纳发射器。置锚板主要是由铝做成，上面放置有：1 ) 1 0 个位置上不均匀 分布的水听器；2 ) 4 个测量环境的c a d 传感器，用1 9 h z 的频率采集随时间 变化的温度，传导率以及水压，这些值可以转换成声速和介质吸收的估计；3 ) 1 2 个张力测量尺：4 ) 6 个光学探测器测量每个水听器横向距离偏差；5 ) 辅 助的检漏仪和温度传感器来校正错误的测量结果。接收系统和发射系统相隔 3 2 5 m ，三角架转动8 6 度，使发射的声脉冲处于基阵的垂直等分线上。数据 采集达6 5 小时，在一天中的不同时段测量，海面气候变化，从无风到有风， 并有大范围的涌流；数据采集期间，从海面到海底投下c t d 传感器，测量声 速垂直剖面。 接收信号要经过以下几个步骤的处理： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 环境数据处理：声速估计由c t d 数据得到，最后估计结果要经过5 h z 带宽的低通滤波处理。 2 单p i n g 声脉冲处理：2 0 路上接收到的每一p i n g 脉冲进行幅度和相位 的估计。 3 多p i n g 声脉冲处理：每一路上按单p i n g 相位和幅度估计的方式来估 计接下来的每一p i n g ，形成一个时间序列。补偿不是由介质引起的相位测量 起伏。 4 多p i n g 统计特性处理：时间上幅度和相位的统计特性由单个水听器 的一系列随时闻变化的相位和幅度数据来得到。 试验结果显示，低频率信号的相位起伏大体符合在3 3 m 处达到5 c m 分辨 率的要求，同时相位和幅度的起伏随着涌流的增强而增大，多p i n g 数据统计 特性处理结果表明，若使空间时间的相位和幅度波动符合以上分辨率的要 求，那环境要受到以下条件的限制：接近0 的涌流，或者涌流在强度和方向 上是稳定不变的。 1 9 9 6 年，h e n y e y 等人在w o o d sh o l e 南部的大陆架做试验测量内波和湍 流对水平孔径声纳的影响”。浅海环境中，内波和湍流对合成孔径声纳系统 的影响是不同的，两者在空间上有不同的相关长度，因此对相位变化的影响 也是不相同的。 试验地点选在w o o d sh o l e 南部的大陆架，水深6 0 8 0 m ，有专门提供的 水文条件，由声速剖面得知在夏季水体分两层，上层温暖，声速高，下层水 温较低。距离海底1 0 m 一1 1 6 m 之间的声线是平的，上层的声线在海面下2 0 m 处有急剧的转弯。 声源和接收装置放置在两个架子上，置于水下7 0 m 处，距离海底1 0 m ， 相距6 0 0 m ；这两个架子都能在没有运动的情况下提供一个1 0 m 长的孔径声 纳系统，两者面对面放置，发射4 k h z ，2 0 k h z ，7 5k h z ，1 5 0k h z 四个频率 的信号。 湍流和内波对s a s 系统的影响是不同的，湍流有短的空间相关长度，它 的影响主要表现在信号相位的变化上；而内波会有较大的散射尺寸，相关长 度更大，工作者感兴趣的是沿着孔径观察到的相位的弯曲。沿着水体下层传 播的声信号在湍流的影响下，相位起伏很小，而且可能只有高频才能检测到； 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 沿着上层水体传播的声信号相位起伏会大一些，说明湍流是高频系统工作在 声线有急剧的转折区域的一个限制因素。 1 9 9 6 年，w i l l i a m s 等人在北美东海岸做了“测量内波对水平基阵高频声 传播的影响”的试验”。选择适用于合成孔径声纳的工作频率6 k h z ，2 0 k h z ， 7 5 k h z ，1 2 9k h z ，分上下两个声传播路径测量内波对合成孔径声纳成像的影 响。实验结果表明，如果没有自聚焦系统，即使有良好的实验环境，内波引 起的相位起伏对声成像也会有严重的影响。 试验地点的海洋环境已经有早期的记录，并有专门的测量，水深7 0 m 。 声源和接收基阵放置在海底的两个塔架上，塔架锚定，接收基阵由水平基阵 和竖直基阵组成，距离海底至少9 m ，水平接收基阵距离海底1 4 m ，收发装置 相距8 1 5 5 m ，保证收发之间的水体中有高低两条传播路径( 两条主要声线) 。 每个塔上有1 2 个接收传感器和4 个发射传感器，水平基阵和垂直基阵分别有 6 个接收传感器，发射传感器安装在垂直基阵上，水平基阵的第一个接收传 感器到以后五个传感器的距离从0 1 9 4 m 变化到9 8 8 8 m ，六个传感器非均匀 分布。发射信号中心频率分别是6 k h z ，2 0 k h z ，7 5 k h z 和1 2 9k h z ，实验中 工作频率主要集中在7 5k h z 。信号带宽1 5k h z ，信噪比为3 0 d b 。每4 0 分钟 得到一组包含1 2 个序列的信号，发射信号的时间间隔由5 0 s 变化到8 0 0 s 。 从以上描述可以看到，大量国外试验集中在测量介质在时间上的稳定性， 且已取得很好的成果。各个试验都着重观测了内波以及湍流对合成孔径声纳 成像的影响，方法是测量相位和幅度的起伏；并且都有对实验地点环境的详 细描述，例如海水深度，水文条件等。 1 4 论文主要内容 文章在绪论部分介绍了合成孔径声纳成像原理和声传播介质对合成孔径 声纳成像的影响，以及国外测量不稳定介质在时间上的相干性的典型试验以 及现状，阐述了本文的研究目的和意义。 论文内容主要包含理论，仿真以及实验三部分。首先介绍了合成孔径声 纳的成像算法，在引出合成孔径声纳成像的数学模型以及目标响应的数学表 达式的基础上，具体研究了基于时域、频域、波束域几种典型的合成孔径声 纳成像算法，例如相干累加算法、距离多普勒算法嗍、c h i r ps c a l i n g 成像算 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 法”1 以及波数域算法等，并对算法进行了仿真。然后，针对海水介质对合成 孔径声纳相干性的影响，讨论了海水介质在时间上和空间上的相干性，及其 对合成孔径声纳的虚拟孔径长度和成像分辨率的限制，同时，相干性理论以 及合成孔径声纳相干性测量方法在第三章中被提出。试验主要包含水池试验 和松花湖试验，水池试验进行了混响背景下的s a s 成像以及h l s a s 测深，并 在此基础上分析合成孔径声纳成像的抗混响能力，将混响背景归一化之后， 试图观察物体成像的阴影；2 0 0 6 年8 月在吉林松花湖进行的湖试，验证了合 成孔径声纳工作地点水下声传播介质的不稳定性可能对合成孔径声纳成像造 成的影响，试验通过湖水介质近距离信道的宽带时空相关特性测量，来解读 水下传播介质对合成孔径声纳成像的影响，具体介绍了试验概况，并显示了 试验数据处理结果。最后，在文章的结论部分对全文进行总结。 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章合成孑l 径声纳成像算法研究 在合成孔径声纳技术中，成像算法是非常重要的个环节。以前合成孔 径声纳成像技术的应用研究主要集中在时间域上的时间延迟和波束形成算 法，或者通过一些相关的变换( 如快速傅利叶变换( f f d ) 来完成在频域等价 的变换，这种算法虽然精确但是效率很低。在这一章中，将介绍几种效率较 高的合成孔径声纳成像算法。 2 1 合成孑l 径声纳成像模型 合成孔径声纳成像系统的目标是我们所感兴趣区域的声反射率或电磁反 射率的估计，其中有四种模型得到合成孔径声纳系统广泛的应用，如图2 1 所示。条带式成像是合成孔径声纳系统的一种常规成像模式，其中声纳波束 始终指向同一个方向，但是条带式成像模式并没有对成像模型做过多的假设， 所以条带式成像哪州模式的图像重构相比于聚束式成像阳1 模式要难得多。到 目前为止，已有的合成孔径声纳系统还没有使用聚束式成像模式的。本章所 介绍的成像算法都是在正侧视条带式成像模式下进行的。 2 2 正侧视条带式合成孔径声纳回波数据模型 正侧视条带式合成孔径声纳成像原理如图2 2 所示，在这种成像系统中， 波束照射方向始终垂直于声纳平台的航行方向。 在正侧视条带式合成孔径声纳成像系统中，假设声纳平台垂直斜向下发 射线性调频信号 ， p ( f ) = r e c t ( - - - ) e x p ( j c o o t 4 - j k , m 2 )( 2 - 1 ) 其中是信号中心频率，k 。是信号调频率，t 是信号的脉宽，r e c t ( t r 。) 定义如下： f 旭“正) ： 1 ， q 【0 ， 9 h 三 j oj 2 ( 2 - 2 ) 其它 哈尔滨工程大学硕士学位论文 信号经目标反射后，得到原始回波信号表达式： e e ( t ，“) 2li f f ( x ，y ) ( a ( t ，x ，y 一“) + ，p o 一2 r f o ) d x d y ( 2 - 3 ) 表达式中( x ，y ) 是目标区域复散射分布，l f 表示接收换能器在合成孔径 方向上的位置，a ( t ，x ，y ) 是换能器指向性函数，r 。表示t 时刻接收换能器的位 置( o , u ) 到成像区域内某一点目标( x ，j ，) 的距离， r ，( ，x ，力= x 2 + ( j ，一甜) 2 ( 2 - 4 ) 对于成像区域内某一确定目标( x m , y 。) ，回波信号经过解调之后得到式 ( 2 5 ) 删叫- 2 r , i c ) * t r e c t ( 上学)( 2 5 ) e x p ( j g k 。( t 一2 r , c ) 2 、e x p ( 一j 2 c o o r t c ) e e 。表示去掉载频的未经压缩的基带回波信号。 在e e 。，o ，甜) 的表达式中，e x p ( j k 。7 r ( t - 2 r ，力2 ) 代表方位向的线性调频信 号，e x p ( 一j 2 置c o o i c ) 代表距离向的线性调频信号，合成孔径声纳成像即可通 过二维的匹配滤波( 压缩) 来实现。 2 3 条带式合成孔径声纳成像算法 合成孔径声纳成像算法可以被广泛的分为四个方向：基于空间时间域、 距离多普勒域、波数域和基于予孔径处理。应用于每一种系统模型的数学表 示是十分广泛和各式各样的，通过应用多种空间信号处理技术，合成孔径声 纳成像算法中的每一种算法在数学框架上的描述都是相关和统一的，为了阐 明各种算法，在每一种算法中所进行的坐标变换的映射操作是非常重要的步 骤。h a w k i n s 等人已对合成孔径声纳的成像算法做出了详细的总结叫，在这 一节我们将对各种条带式合成孔径声纳成像算法依次进行相应的介绍。 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 翅圳 ( a )( b ) ( c )( d ) 图2 1 合成孔径声纳成像模型：( a ) 正侧视条带式成 像模式( b ) 斜视条带式成像模式( c ) 正侧视聚焦式成 像模式( d ) 斜视聚焦式成像模式 图2 2 条带式合成孔径声纳成像几何原理图 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 3 1 时域相干累加( c a ) 算法 相干累加算法旧对图像区域中的每一个象素点进行聚焦波束形成。即 在虚拟孔径长度内，不同位置的基元采集某一象素点的回波信号形成这一象 素点的回波，将不同航迹位置采集到的回波按不同的回波轨迹相干得累加在 一起而得到s a s 图像。距离向压缩通过匹配滤波来实现，方位向的压缩通过 逐点对回波进行相位补偿从而实现聚焦波束形成来得到。 接收回波s ，o ；功，目标空间点且标( x 。，y 。) 的重建图像为 ；( ，y o ) = 瓦1 弘+ 吾x ( x _ x o ) 2 + y o d x i d r ( 2 - 6 ) 算法实现： 假设发射声波的形式定义为线性调频信号，信号经过解调并进行匹配滤 波之后，得到如图2 3 所示的时间一空间域的数据分布。线性调频信号经过 匹配滤波后得到的声波脉峰尖锐，式( 2 7 ) 表示了经过距离向压缩后得到距 离向的分辨率。 屏= 堡= 寺( 2 - 7 ) 2 屏一西 理想点目标回波经过距离向压缩后，在方位向沿回波曲线进行信号的相 干累加，得到方位向的分辨率。具体来说，首先需要计算成像区域的每一个 点目标相对于换能器的双声程的时延f 。， f 脚= ( r r + r e ) c ( 2 - 8 ) 其中， r r = ( _ 一砀) 2 + ( 乃一耳) 2 + ( 一z t ) 2 ( 2 - 9 ) r e = ( 一一) 2 + 一) 2 + ( 刁一z e ) 2 ( 2 - 1 0 ) 然后沿孔径方向对回波信号进行时延的补偿，最后相干累加得到目标的 像，最终用公式表示为： 瓴，y ，z f ) = i e e ( t 枷( ) ，) ，y ) e x p ( 一i 2 矿。( y ) ) 方 ( 2 1 1 ) 相干累加算法直接工作于载频，优点是算法较为精确，易于运动补偿。 1 2 啥尔滨工程大学硕士学位论文 但是因为每一个象素点的聚焦参数( 时延与相移) 均不相同，图像合成运算 量很大，当场景较大时，效率远远低于频域算法。 图2 3 三个目标距离向压缩回波强度图 图2 5 两个目标成像强度图 图2 4 相干累加算法数据采集示意图 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 3 2 距离一多普勒( r a n g e d o p p l e r ) 算法 距离多普勒算法”是s a r 成像处理中最常用的算法之一，其基本思想 源于一个二维相关操作可以通过一个快速的方位频域( 多普勒波数) 的卷积 和一个时域( 距离向) 卷积来有效地完成方位压缩和距离向的徙动校正“”。 垂直于航迹方向上距离相同的点目标在距离多普勒域对应于同一条回波弯 曲曲线，因此在距离一多普勒域可直接完成相同距离上所有点的弯曲校正，并 用相同的参考信号完成波束聚焦，因此这种算法是逐行处理的，加快了成像 速度。r d 算法通过插值来完成距离徙动校正。 距离徙动是因为合成孔径边缘处的基元和中心位置的基元到目标的距离 不同，造成大的目标斜距差，使回波形状成弯曲状，回波出现弧度即距离弯 曲。为了完成方位向的成像处理，需要方位向的压缩处理沿着距离迁移的轨 迹进行，由于同一距离不同方位上分布着许多目标，它们的距离迁移轨迹重 叠，无法在时域完成距离徙动校正，若回波轨迹是一条直线，则方位向的聚 焦就容易实现。距离徙动较正的目的就是把曲线轨迹校正成平行于x 轴的直 线。 算法流程及实现 原始回波 数据 距离向脉 冲压缩 聚焦后复 图像 方位向傅 利叶变换 方位向反 傅利叶变 距离弯曲 校正 方位向压 缩 1 ) 假设声纳发射线性调频脉冲， p ( o ：胛c t ( t ) e x p ( j m o t + j k m 2 ) z 接收信号为 j o ) ：旭c t f 二三) e x p ( j c o o ( f f ) + 弦万( f f ) ：) f 。 去载频得式( 2 1 4 ) ： 1 4 ( 2 - 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 砸胁甜) e x p ( y c o o ( t 叼( 2 - 1 4 )f 。 ( 2 1 4 ) + j k ，r ( t f ) 2 ) - e x p ( - j c o o t ) 其中，r = 了i 五j 万屑+ o 。一y ) 2 ，r = 0 万i 瓦二了尹。正是由 于在不同航迹位置处的r 值不同造成了回波在距离向的弯曲，由r 的表达式 可以看出距离徙动是距离向与方位向共同作用的结果，它们之间存在耦合。 图2 6 原始回波强度图 2 ) 距离向压缩，方位向进行傅利叶变换，得到压缩的基带数据在距离 多普勒域的表达。 因为方位向与距离向存在耦合，因此不能直接得到方位向的傅利叶变换 结果，运用相位驻定原理，计算得到二维的频域表达式，再进行距离向的傅 利叶反变换。回波的频域表达式如下： 舾= 辰删( 鑫_ ) 唧( - ，写筹一，厣可 式( 2 1 5 ) 包括距离向的信息与方位向的信息，其中五是基带频率，吒为 方位向波数，k 为声纳中心频率。 通过匹配滤波进行距离向压缩，然后进行距离向的傅利叶反变换得到距 离向压缩的回波数据在距离多普勒域的表达： e e q ，吒) “6 ( ，一= 衄， 。，k 。) ) e x p ( ，4 七2 一舒矗) ( 2 - 1 6 ) 对于位于处的参考点目标，它徙动的距离是a r , ( ，屯) = e ( 屯) ， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 其中 讹，= b 赤一 p e ( 七。) 是决定轨迹弯曲程度的弯曲因子，表达式如式( 2 1 7 ) 。它是方位 向波数的函数。 图2 7 位于三个不同距离上五个点目标的 压缩回波在距离多普勒域强度图 3 ) 距离弯曲校正 数据变换到距离- 多普勒域后，将数据阵中( 屯，兄+ c r r ) 点的数据移动到 ( 屯，民) 点就可以完成校正。假设为参考点的距离向坐标，弯曲轨迹的距离 向表示如下： ( 七。) = x n + 毛c ( 屯) ( 2 - 1 8 ) 然后执行坐标变换，其作用是去掉距离变量和方位变量的耦合性，也就 是徙动校正，即 e e ( x ，后，) = r e e ( t ，吒) ( 2 1 9 ) 其中坐标变换r q 由式( 2 2 0 ) 定义， 非兰( 矗一衄以 ) ) ( 2 - 2 0 ) 【k y = 吒 该坐标变换的作用是通过距离一多普勒域坐标变换操作把距离徙动曲线 拉直。 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 8 回波在距离- 多普勒域完成距离徙动的校正强度图 4 ) 方位向压缩 与距离向压缩相同，对方位向进行匹配滤波。根据插值后的回波表达式 得到匹配滤波器的表达式； r ： n n ( x ，k y ) = e x p ( j 4 4 k 2 一七：了) ( 2 - 2 1 ) 其中，两个正交方向的波数与声纳中心频率存在t 2 + | i 2 _ ( 2 k o ) 2 的关系， 得到在距离多普勒域方位向压缩后的回波表达式： ( x ，k y ) = e e ( x ，k ，) l v t v ( x ，忌，) ( 2 - 2 2 ) 进行方位向的傅利叶反变换，得到目标图像。 距离多普勒算法是s a s 成像算法中最常用的一种，运算量小，但算法 精度降低。当距离徙动较大时，运算量增加，有效性下降。 图2 9 五个点目标成像强度图 2 3 3 变换线性调频尺度算法( c h i r p s c a l i n g 算法) c h i r p s c a l i n g 算法”利用了线性调频信号的特性，当距离多普勒域上的 回波数据与一个调频斜率较小的线性调频信号相乘后，不同距离单元上的距 1 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 离徙动轨迹形状将变成一致，使它们都等于某一选定的参考距离处的徙动轨 迹。在二维频域中，所有的距离徙动轨迹都是单值的，距离徙动可以成批进 行校正。这种算法不用插值计算，只用复相乘即可实现距离向和方位向的压 缩，且分别以方位向的傅利叶变换和傅利叶反变换作为算法开始和结束，这 也是和距离多普勒算法的不同之处。 变换线性调频尺度的原理： 一个具有大的时间带宽积的线性调频信号，调频率t ，相位中心位于 f = 毛，( 相位中心处的相位为零) ，一维信号表达式为e x p ( 一弦屯( f f ，) 2 ) ， 若用另一个调频速率为c t 的线性调频信号磊= e x p ( 一办t t f 2 ) 去乘，那么此 信号的结构就会发生变化，得到类似于原始信号的线性调频信号，如式( 2 2 3 ) 所示： e x p ( 一，力t ( f q ) 2 ) e x p ( - j 昭，t r 2 ) ：e x p ( - ，庇。( 1 + c s ) ( f f ，) ：一，厩，( - ) 】：) ( 2 乏3 ) l 十c ， 其中：f = f 1 新的相位中心5 - j = k , ( # l ) r 1 2 新的中心相位。 l 十 c h i r p s c a l i n g 算法要求变换线性调频尺度，目的是将不同距离的点目标 回波轨迹处理成一致的形状。在二维频域中沿距离向的移动相当于在距离 多普勒域沿距离向乘以一个线性相位项，方位向同一频率处轨迹移动的大小 随着距离的变化而不同，变换线性调频尺度操作可使不同距离上目标的徙动 轨迹变成一致，在频域中便可乘上一个相应的相位项( 匹配滤波) 来完成距 离徙动校正。 算法流程及实现 原始回波数据( 时域表示) 进行方位向的f f l - 通过变换线性调 频尺度使所有的回波轨迹形状一致距离向f 兀- 一距离徙动的成批校正 和距离向压缩进行距离向i f f t _ 方位向聚焦和相位校正方位向 的i f f l _ 一得到复图像 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 ) 原始【旦| 波数据表不： 发射线性调频信号 ( f ) ：e x p ( j 刀 w o f + j 石疋f 2 ) ，k ：旦 z c 接收到的回波信号 ( f ) ：e x p u 万( f 一丝) + ，石k ( f 一丝) ：) of 去载频，回波变成基带信号 ( f ) ：e x p ( f l r k , ( t 一马：) e x p ( - j ，r w o 马 佗2 4 ) ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) 图2 1 0 五个点目标的原始回波强度图 2 ) 方位向的f f t 距离向与方位向只有在方位向的零点才是正交的，在其它位置距离向与 方位向是耦合的。与r d 算法相同，先进行二维傅利叶变换得到二维的频域 表达式，如下式 刚毗卜拯钺? 甜意)乃 e x p ( - j 铽r 。b 2 一- ，厣彳) 距离向傅利叶反变换得到距离多普勒域的表达式，如式( 2 2 8 ) ( 省略 具体推导过程) 1 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 批蜃一半) e x p ( j x k , ( k ；x ) o 一2 足( 屯；) c ) 2 】 ( 2 2 8 ) e x p ( 一，雁再引 足( 屯；) 2 由l 2 。, o c ) 2 矗( 1 + e ) ( 2 _ 2 9 ) 1 一f 上r 修改后的调频率： e 是弯曲因子。 k = i = 二_ 历一 ( 2 3 0 ) 。( 等赫) 。 图2 1 1 距离多普勒域回波强度图 3 ) 变换线性调频尺度使回波轨迹形状一致： 选择一个距离向处的参考点，假设k ( 丸，x 阿) “e ( 屯，) ，则调频率 为e ( 屯，x 。) e 的线性调频信号如式( 2 3 1 ) 所示： 日( 屯，) = e x p ( j ，r k ( 屯，) e ( 吒) ( f t o c k ，) ) 2 ) ( 2 - 3 1 ) 其中t o ( k , ，) = 2 ( 1 + e ( 屯) ) ，c 。用式( 2 - 3 1 ) 中的线性调频信号去乘 e e ( t ，毛。) 得 哈尔溟工程大学硕士学位论文 e e ，o ，吒) = e e ( t ，吒) 日( 丸，x 。) ：，7 竽删( 丝型丛业) v ，w of 。 e x p ( _ ，( 萼足，( 吒，x 可) h 一( + e ( 吒如町) 】2 ) ) 2 - 3 2 e x p ( _ ，寺k e ( 一) 2 k , j v l z w o k u ，矛 ) 可以看出，第一个e x p ( 9 表示的线性调频信号的相位中心在 x n = + e ( 吒) ，不同距离毛上目标的距离徙动曲线与参考距离的徙 动曲线形状一致。 4 ) 距离向傅利叶变换 距离向进行傅利叶变换得到回波在二维频域