（水声工程专业论文）基于运动补偿的合成孔径声纳波束形成算法研究.pdf

析了其各种不同的加窗性能 将改进的加窗方法应用在针对多强点目标场景的 分块p g a 算法中 减少了算法的迭代次数并提高了相位误差的估计精度 论文最后对全文的工作进行总结 指出有待进一步研究的问题 关键词 合成孔径声纳 运动补偿 相位梯度自聚焦 i i a b s t r a c t s y n t h e t i ca p e r t u r es o n a ri sak i n do fi m a g i n gs o n a rw i t hh i 曲r e s o l u t i o n i t s y n t h e s i z e sa l la p e r t u r eb ys t o r i n gs 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 g p 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 s 嬲i ft h e yh a db e e no b t a i n e df r o ma m u l t i e l e m e n t a r r a ye n a b l e s a h i g ha z i m u t hr e s o l u t i o nt ob eo b t a i n e df r o ma p h y s i c a l l ys m a l la r r a y o n eo ft h eo u t s t a n d i n ga d v a n t a g eo fs a si st h a tt h es o n a rc a n f o c u st h et a r g e ti nt h ew a t e ra ta n yd i s t a n c eb yu s i n gc o m p l i c a t e db e a m f o r m i n g t e c h n i q u e s m e a n w h i l e t h ea z i m u t hr e s o l u t i o ni si n d e p e n d e n to ft h et r a n s m i t t i n g f r e q u e n c ya n dt h ed i s t a n c eb e t w e e nt h es o n a ra n dt h et a r g e t s t h es o p h i s t i c a t e d i m a g i n ga l g o r i t h ma n dt h es t r i c td e m a n do ft h em o t i o ns t a t ei sn e c e s s a r yt of u l f i l lt h e f u n c t i o no fs a s m o t i o nc o m p e n s a t i o nb a s e do nr e c e i v i n gd a t ai so n eo ft h ek e yt e c h n i q u e si nt h e s a si m a g i n ga l g o r i t h m b e c a u s et h em o t i o ne r r o rc a u s e db yt h ed e p a r t u r eo ft h e i d e a ls e ar o u t ei sr e f l e c t e db yt h er e c e i v i n gd a t a t h ed i r e c tu s eo ft h ed a t ac a n tl e a d t oah i 曲q u a l i f i e di m a g e a c c o r d i n gt ot h i s i ti sn e c e s s a r yt oe s t i m a t ea n dt o c o m p e n s a t et h ep h a s ee r r o rb yt h er e c e i v i n gd a t a t h i st h e s i ss t u d i e st h em o t i o n c o m p e n s a t i o na l g o r i t h mw h i c hb a s e do nt h er e c e i v i n gd a t a t h et h e s i sf i r s t l yr e v i e w st h eh i s t o r yo fs a s sd e v e l o p i n ga n di t sa c t u a ls t a t e t h e ni n t r o d u c e st h eb a s i cp r i n c i p l eo fs a s i no r d e rt oi l l u m i n a t et h ek e yp r o b l e mo f s a sa n di n t r o d u c et h em a i nw o r ko ft h i sp a p e r t h ei m a g i n gp r o c e s so fs a si s a n a l y z e d s e c o n d l y t h et h e s i ss t u d i e sd e e p l yt h em o t i o ne r r o ro fs a sb a s e do nt h e r e c e i v i n gs i g n a l b e c a u s eo fc o m p a r i n gw i t hs a r t h eu n s t a b i l i t yo ft h ep l a t f o r ma n d t h ec o m p l e x i t yo ft h ep r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i co fs o u n di no c e a nw h i c hr e s u l ti nt h e m o t i o ne l l o rp r o b l e mo fs a si sm o r es e r i o u s t h et h e s i ss i m u l a t et h er e c e i v i n gd a t a o ft h es i n g l es t r o n gs c a t t e r t h ec a t e g o r yo fp h a s ee r r o ra n dt h er a n g eo fi t s c o m p e n s a t i o n a lf r e q u e n c yi s a l s od i s c u s s e d d u et ot h ec o m p e n s a t i o ns h o u l db e b a s e do nt h er e c e i v i n gd a t ao ft h ew h o l e t a r g e ta r e ai n s t e a do ft h es i n g l es t r o n gs c a t t e r i i i t h ei n f l u e n c eo ft h ep o s i t i o ne l i o ro ft h ep h a s ec e n t e ro ft h es a s sa r r a yo nt h e r e c e i v i n gd a t ai ss t u d i e di nt h i sp a p e r b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h em o t i o na r r o r t h et h e s i sd i s c u s s e dh o wt o c o m p e n s a t et h em o t i o n e r r o ri na z i m u t ha n dr a n g ed i r e c t i o nb yt h ed o p p l e rp a r a m e t e r t h es i m u l a t i o n0 nt h ec o m p e n s a t i o no ft h ev a r i a t i o n a lv e l o c i t yi na l o n g t r a c ki s c o m p l e t e di nt h i sp a p e r t h ee s t i m a t i o no ft h ed o p p l e rp a r a m e t e ri st h ek e yt e c h n i q u ei nt h em o t i o n c o m p e n s a t i o na l g o r i t h m t h em e t h o df o rt h ee s t i m a t i o no ft h ed o p p l e rc e n t r o i da n d t h ep r o b l e ma b o u tt h ed o p p l e rc e n t r o i da m b i g u i t yi si n t r o d u c e d a ni m p r o v e d m e t h o db a s e do nt h et i m e f r e q u e n c yf i l t e r i n gf o rt h ed o p p l e rc e n t r o i da m b i g u i t y r e s o l v i n ga l g o r i t h mi sp r o p o s e di nt h i sp a p e r t h ei m p r o v e da l g o r i t h mp r o m o t et h e a c c u r a c yo ft h ea l g o r i t h me f f e c t i v e l y o nt h eo t h e rh a n d t h ep e r f o r m a n c eo ft h e w i n d o ww i d t ho ft h ep g aa l g o r i t h mw h i c hi sa p p l i e di nt h es a si sa n a l y z e di nt h e p a p e r t h e nt h ei m p r o v e dw a yt os e l e c tw i n d o ww i d t h i sa p p l i e dt ot h ep g aa l g o r i t h m b a s e do ns t r o n gt a r g e t s t h ei m p r o v e da l g o r i t h mr e d u c et h ei t e r a t i v es t e p sa n d p r o m o t et h ea c c u r a c yo ft h ep g aa l g o r i t h m a tl a s tt h ea u t h o rs u m m a r i z e st h ew h o l ew o r ko ft h i st h e s i sa n dp o i n t so u tt h e p r o b l e m st ob es o l v e di nt h ef u t u r e 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 m o t i o nc o m p e n s a t i o n p h a s eg r a d i e n t a u t o f o c i l i v 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 除了文中特另j j j n 以标注和致谢的地方以外 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或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意 研究生 签名 墟日期 至盟 学位论文使用授权书 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 权保留并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 缩印和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 研究生 签名 邋导师 签名 武汉理t 大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1s a s 的发展历史及国内外现状 声呐的基本功能是利用水下声波判断海洋中物体的存在 位置及类型 近 年来 声呐不断采用新理论 新技术和新器件 使声呐技术的发展进入新的阶 段 合成孔径声纳 s y n t h e t i ca p e r t u r es o n a r 以下简称s a s 是在借鉴合成孔径雷 达 s y n t h e t i ca p e r t u r er a d a r 以下简称s a r 技术的基础上发展起来的一种高分辨 率成像声呐 它能够对水下地形地貌和水中物体成像 因此在海底矿物资源的 开发 水下作业监测以及海底地形匹配导航等方面获得了广泛应用 i s a s 与s a r 之间存在密切的联系 从2 0 世纪5 0 年代开始 合成孔径理论 开始运用在雷达上 并取得巨大成功 相继诞生了分辨率很高的雷达 这些机 载和空载的合成孔径雷达在许多方面越来越显示出其重要作用 成为军事侦查 和微波遥感的有力工具 2 这促使人们想到将同样的理论运用到声呐中 使其能 够获得高质量的水下图像 合成孔径声纳的概念便由此诞生 合成孔径声纳的原理研究从2 0 世纪6 0 年代开始 起初 它的大多数原理 和技术是直接从合成孔径雷达借用来的 使用的是窄带系统 早期的研究工作 主要集中在理论上 较少有实用的系统出现 特别是在2 0 世纪6 0 至7 0 年代 s a s 的相关研究发展缓慢 主要原因有两点 i 一是水声信道的不稳定导致不同 回波信号的相干性受到破坏 而回波信号的相干性正是合成孔径成像的关键 这主要是因为同空气中电磁波的工作环境相比 声波在水下的工作条件非常恶 劣 水声信道的多径效应和时变性更加强烈 是一种更为 敌意 的介质 所 以当时的主流观点认为 水声信道太不稳定 不适合合成孔径处理 二是声波 的传播速度比电磁波慢得多 二者相差2 0 万倍 一般来说 声呐需要l o 秒以 上才能确定目标的存在 而雷达只需毫秒量级 较长的判别时间加剧了介质及 目标时变 空变特性造成的影响 对合成孔径声呐来说 声波的低速特性限制 了方位向的空间采样率 极大的限制了s a s 载体的运行速度 进而限制了测绘 速率的提高 武汉理工大学硕士学位论文 虽然s a s 的研究在这段时期遇到了困难 但经过科研人员的努力 依然出 现了一些成果 其中包括美国r a y t h e o n 公司于1 9 6 7 年提出关于s a s 可行性的 报告 w a l s h 于1 9 6 9 年申请了第一个s a s 专利 3 1 到了2 0 世纪8 0 年代 经过 一系列水声传播实验的研究 结果表明 i 水声信道的影响并不像预想的那么严 重 尽管水声信道是随时间变化的 水声回波信号在较短时间内仍具有较好的 相干性 水声信号的相干性能够满足合成孔径成像的要求 另一方面 一些学 者提出了采用多子阵的方法来解决声波传播速度慢导致的信号空间采样率低和 s a s 载体运动速度受限制等问题 这些重要思想的提出有力的促进了s a s 关键 技术的突破 在s a s 发展的关键问题得到突破后 相应的研究工作开始活跃起来 l 到 2 0 世纪9 0 年代 出现了实验样机系统 s a s 系统的作用距离不断增加 从几十 米到几百米 甚至到十几公里远 分辨率也从米 分米发展到厘米量级 新西 兰c a n t e r b u r y 大学于1 9 9 3 年推出的 w i s a s 是第一个合成孔径声纳 海试样机系统 欧州的s a m is a s 于1 9 9 5 到1 9 9 6 年间进行了海上试验 获得 了较远距离上的大范围海底测绘图 法国的新型合成孔径声纳i m b a t 3 0 0 0 是 商用型号 主要用于水下地形地貌勘测和石油开采 美国在s a s 研究领域处于 领先地位 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 美国d t i 公司最新推出分辨率为1 0 c m 的p r o s a s 系统 可以安装在a u v 或r o v 上 一些公开文献上发表的实时s a s 应用系统如下表f 4 所示 表1 1 国外主要实时s a s 系统参数表 i 距离 接 参辫 中心频 带宽波长 方位向分 向分发射收测距研制 名薪 率 k n z k u z 锄 辨率 e m 辨率 单元单 m 国家 e r a 兀 d a r p a s a s 5 01 0 3 l l 7 5i1 65 0 5 0 0 美国 w l 新西 s a s 3 02 0 51 55ll5 5 s a m i 欧共 8 61 8 7 51 0 01 3ll1 0 0 5 0 0 s a s 体 c e r o s 1 2 5 81 23 1 2 51 0l1 61 2 美国 s a s 2 武汉理j 大学硕士学位论文 1 9 9 7 年7 月 我国正式将合成孔径声纳成像技术纳入 8 6 3 计划项目 由 中科院声学所主持 对合成孔径声纳的关键技术进行攻关和研制 并先后成功 进行了合成孔径声纳样机的湖试和海试 取得大量一手资料和经验 其中 在 1 9 9 8 年进行的合成孔径声呐湖试中 5 采用在轨道上运行声呐阵列的方法 对 悬浮在水中的点目标进行了成像分辨率试验 取得了优于3 0 c m 分辨率的结果 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并获得成功 近年来 中科院声学所在成功研制合成孔径声纳海试样机和湖试样机的基 础上 通过改进和完善 完成了一套应用型合成孔径声纳系统 新型合成孔径 声纳系统采用中 低频两个频段 用于水下悬浮 沉底和浅掩埋物的探测以及 高分辨率的水下地形地貌成像 系统操作和维护更加简便 综合探测能力进一 步增强 可见 经过十多年的发展 我国在s a s 理论及关键技术方面取得了很 大进展 在实际应用方面完成了一系列试验 达到了与国际同步的发展水平 1 2s a s 基本原理 合成孔径声呐的概念是采用相干声呐系统和单个移动的阵元模拟真实声呐 阵列中所有阵元的功能 单个的声呐接收阵元依次占据合成阵列空间的位置 如图f 2 1 1 所示 l s 图1 1合成阵列的结构示意图 合成阵列罩 在每个阵元位置上接收的信号 其幅度和相位都被存储起来 武汉理工人学硕士学位论文 这些被存储的数据经过处理 再成像为被声纳所照射区域的图像 典型的合成孔径声纳结构是侧视 6 声纳的分辨率分为距离向分辨率和方位 向分辨率 距离向分辨率是指声波传播方向的距离分辨能力 方位向分辨率是 指与声波传播方向垂直的方向的角度分辨能力 图1 2 为合成阵列信号往返示意 图 目标 图1 2 合成阵列信号往返示意图 若忽略空间损失和阵元的方向图 则阵列的输出电压可表示为 2 4 ie x p j 2 n 2 d s i n o 1 1 式 1 1 中 圪为实际阵列的电压之和 即输出幅度 4 是第 1 个阵元的幅 将上式的结果进行求和 得阵列方向图为 1 2 g c p 专i t p 歹等一 n 口 e 等t 一一 d 蛔护i 主芋 三 矧c 2 4 武汉理工大学硕士学位论文 o o 5 等 1 3 厶 式 1 3 中 l n d 为实际阵列的总长度 实际阵列孔径 若阵列对目标的 垂直斜距为尺 则其方位向分辨率为 2 竿 i 4 厶 与实际阵列不同的是 在合成孔径声呐中用一个阵元代替上述的 个阵元 让这个阵元在一条直线上移动 如图1 1 所示 阵元发出第一个脉冲并接收从目 标散射回来的第一个回波脉冲 把它存储起来后 就按理想的直线移动一定的 距离到第二个位置 阵元在第二个位置上再发射一个同样的脉冲波 这个脉冲 波与第一个脉冲波之间有一个由延时而引起的相位差 并把第二个脉冲回波接 收后也存储起来 依次类推 一直到这个阵元移动的直线长度相当于实际阵列 的总长度时为止 这时候把存储起来的所有回波 也是 个 都取出来 同样 按矢量相加 2 1 在忽略空间损失和阵元方向图情况下 其输出为 2 匕 4c x p 一 2 万 见 以s i n o 2 i 5 n l 式 1 5 中 为合成阵列的输出电压 其与式 1 1 的区别在于每个阵元所 接收的回波信号是由同一个阵元的照射产生的 图1 3 显示了实际阵列和合成阵 列的双路径波束方向图的区别 图1 3 实际阵列和合成阵列的方向图 5 武汉理t 大学硕十学位论文 由上图看出 合成阵列的有效半功率点波瓣宽度近似于相同长度的实际阵 列的一半 即 五 优 6 2 岛 1 6 式 1 6 中 厶为合成孔径的有效长度 它是当目标还在阵元波瓣宽度之内 时声呐航行的距离 如图1 4 所示 厶 图1 4 侧视s a s 的几何示意图 式 1 6 中的因子2 代表合成阵列系统的特征 出现的原因是由于合成孔径 在各阵元位置以自发自收工作 相邻两阵元位置的双程波程差为2 d s i n 纠名 即 比实际阵列作为单独接收时大一倍 阵元间隔长度对相位差的影响加倍 相当 于使其等效阵列长度大了一倍 变为2 厶 可见合成孔径处理起到了波束锐化的 效果 从图1 4 中还可以看到合成阵列的旁瓣比实际阵列稍高一点 设单个阵元的水平孔径为d 合成孔径的长度为 丘 万2 r 1 7 合成孔径阵列的方位向分辨率为 正 吃尺 1 8 将式 1 6 与 1 7 代入式 1 8 得到 5 5 去尺 警彖毛q 1 9 从式 1 9 可以看出 2 1 合成孑l 径声纳的方位向分辨率与距离无关 这 6 武汉理工大学硕士学位论文 是由于合成阵列的长度与距离成线性关系 因而长距离目标比短距离目标的合 成孔径更大 2 它的方位向分辨率不随波长而变 也就是与频率无关 这是 因为虽然式 1 6 所示的合成波束宽度随波长的加长而展宽 但是由于长的波长 比短的波长的合成天线长度更长 从而抵消了合成波束的展宽 使得方位分辨 率保持不变 3 如果将单个阵元做得更小些 则分辨率就会更好些 这正好 与实际阵列的方位向分辨率的关系相反 因为单个天线做得越小 则其波束就 越宽 因而合成天线的长度就更长 但是 单个阵元也不可能无限减小 因为 它需要足够的增益和孔径 以确保合适的信噪比 通过上述的讨论 可以把合成孔径声纳的原理总结为 以一个小基阵在不 同时刻 不同位置使用同一波形进行信号收发 来模拟一个大孔径声呐在同一 时刻 同一位置进行收发 然后依靠相位重构来实现相干成像 1 3s a s 成像过程及关键问题 合成孔径声纳的基本任务是获得目标测绘带的图像 这就要求合成孔径声 纳能够准确地重建目标的后向散射系数特性 根据1 2 节关于阵列输入输出形式 及方向图的讨论 可以看出准确的成像需要复杂的波束形成技术来实现 这种 通过波束形成技术使水下目标图像聚焦的过程称为s a s 的成像处理过程 将声 呐获得的回波数据经成像处理就能得到测绘带场景的二维声呐图像 s a s 的成像过程可以看成是从回波信号中提取目标区域的后向散射系数o r 的二维分布的过程 信号的接收过程实际上是从目标空间到信号空间的变换 而信号处理 成像处理的过程就是从回波信号空间出发重建目标空间 得到声 呐图像 因此 可以从信号与系统的角度来建立s a s 成像处理的模型 7 用a 表示方位向位置 表示距离向位置 将目标的后向散射系数表示成 仃 口 r 声呐图像表示为e a 则合成孔径声纳可以等效为一个二维滤波网 络 成像过程可以表示为 7 彦 口 s f 掌吃 f 1 1 1 0 式 1 1 0 中 j f 表示接收到的回波信号 j j l f 表示合成孔径声呐系统的冲 击响应函数 成像处理过程就是回波信号通过一个线性系统得到目标后向散射 系数特性的过程 成像的关键就是采用何种波束形成算法构建这个线性系统 常用的合成孔径声纳发射信号是线性调频脉冲串 它的形式为 7 武汉理上大学硕十学位论文 巾 p t n p r t r e c t t 靠 p r t e x p j 2 z r f t 玎 p r t r k t 拧 p r t 2 1 1 1 式 1 1 1 中 x 为调频斜率 z 为载频 咫丁为脉冲重复周期 实际接收到的回波信号s f 仍为一脉冲串 它包含两种时间概念阴 一种是 距离维信号的 快 时间变化 决定了声呐距离向的分辨特性 一种是方位维 信号的 慢 时间变化 随 慢 变化时间而变的声呐平台的运动决定了声呐 的方位向分辨特性 二者可以分开处理阴 5 f 中包含的快变化和慢变化分别由 a 决定 将s f 看做 a 的函数 则回波信号可表示为川 如力 扩 职弘 删卜 r e c f 弦 吖 d lv j e x p 竿 卜巾 r 掣 卜 口 z d a d r 1 1 2 l zc j 将上式中的s a 表示为 s a t r a o 五 口 1 1 3 其中 h a 形 口 彬 r r e c t lz r r a l e x p j 等 一 口 等 一 口 2 1 1 4 式 1 1 3 中 o 表示二维卷积 即回波s a 可以认为是目标后向散射系数 通过一个二维线性系统h a 在一定条件下 距离维时间的 快 变化与方位 维时问的 慢 变化可以分开处理 所以二维线性系统的冲激响应函数h a 可 以分解为方位向和距离向冲激响应的卷积 7 1 即 h a h o a p 一 口 1 1 5 整个成像的过程可以表示为下式 彦 口 s t h a t a a p h a o t 口 1 1 6 以上是从信号与系统的角度对合成孔径成像处理进行的分析 可以看出合 成孔径声呐的成像实际上是一个二维解卷积过程 各种成像算法都是希望通过 这个处理最大程度地 无失真地得到a a 由模糊函数的理论可以得出 武汉理工大学硕士学位论文 h a r o 几 口 r 的包络在距离向和方位向均为s i n c 函数 如图1 5 所示 a z i m u t h r a n g g 图1 5 点目标三维成像结果 由圈中看出 出于函数旁瓣的存在影响了成像质量 因此通过 d r 得到 的估值彦扣 r 不可避免的存在失真 通常情况下 经过对 r 的加权处理 可以将旁瓣压得很小 同时还须补偿载体运动偏离理想航迹带来的相位误差 才能得到较为良好的图像 虽然二维解卷积可以用二维匹配滤波实现 在理论上能得到最精确解 但 在实际处理中的运算量过大 计算效率低 不适合高分辨率s a s 成像 因此 合成孔径成像算法的思路是将二维处理分解为两个一维处理 使距离向与方位 向解耦合 再分别进行压缩处理 从而降低处理时的运算量栩 在解耦合后 距离向和方位向的处理都可以采用脉冲压缩实现m 为了同时 满足大作用距离和高距离分辨率 在距离向采用线性调频信号 脉冲压缩网络 的参考函数由发射信号的参数决定 方位向信号也近似为线性调频信号 其处 理也是脉冲压缩 但由于载体在实际运动中存在运动误差 如果直接使用理论 参数值会导致匹配滤波器失配 所以压缩网络的参数不能像距离压缩一样直接 从有关参数中获得盯j 这就使得方位压缩的参数需要从回波信号中进行估计 即 采用运动补偿算法解决方位匹配滤波器失配的问题 从上述的讨论可以看出 在成像的基本过程上 合成孔径声纳与合成孔径 雷达是相同的 合成孔径声纳可以借鉴合成孔径雷达中的算法来进行处理 但 一二 2 d d 6 2 口 武汉理工大学硕士学位论文 声呐和雷达的工作环境及参数都存在明显差异 这就导致了合成孔径声纳在对 水下目标成像的过程中有许多特有的问题 这些关键问题的解决与否直接关系 到s a s 成像质量的高低 这些问题概括起来主要有以下几方面 首先 与雷达载机在空中航行这种相对稳定的工作条件相比 声呐的工作 条件要恶劣的多 由于风浪 水流及平台操纵性等因素对声呐载体的影响 将 会造成载体偏离合成孔径成像的理想航迹 匀速直线航迹 并且声呐沿航线的 速度也不能保证匀速运动 为保证有足够高的图象质量 航迹至少要在合成孔 径长度上保持平直 最大偏移不能超过2 4 甚至2 8 引 这是一个极为苛刻的 条件 因此高分辨率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 其次 合成孔径声纳成像处理中的测距 测速矛盾突出 对于一部高分辨 率测扫声纳而言 测绘速率是一个重要的指标 高分辨率合成孔径声纳与普通 测扫声纳的重要区别除了其距离向分辨力在不同距离上保持恒定 且与采用的 信号频率无关外 普通测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 这导致单阵元s a s 的测绘速率难以提高 同时平台 的低速性会导致其稳定性变差 往往不能满足实际工作的需要 因而提高测绘 速率的方法就成为影响s a s 实用的关键技术之一 目前已研究的方法主要是多 子阵方案1 9 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 另一方面 由于声呐载体速度与声速可以比拟 不同于电磁波的速度远大 于s a r 平台速度的情况 当基阵接收到信号时 声呐载体实际已经行进了一段 距离 当测绘带距离较远 载体速度较高时 尤为明显 这种情况给信号处理 带来了困难 可能的解决办法是降低载体的运动速度 近似采用 停一走一停 模式工作 即发射完信号后 迅速降低载体运动速度 待测绘带回波返回后 迅速加速 达到预定位置 但是控制非常困难 另 种方法是通过精确计算收发 时延内基阵的运动 以实现对 停一走 停 模式不成立条件下的成像算法 1 0 1 通过以上的讨论 可以看出s a s 的成像处理过程因为水下环境的复杂性 水声信道的不稳定 声波传播速度的时变性和低速性等特点变得更为复杂 要 想获得高质量的水下图像必须研究适用于s a s 处理的成像算法和运动补偿措 施 l o 武汉理工大学硕十学位论文 1 4 本文的研究背景和主要内容 合成孔径声呐是以小基阵的移动来模拟大基阵进行信号收发并依靠相位重 构来实现相干成像的 由于涉及基阵信号的收发和相位的处理 所以成像的实 现要依靠合成孔径声呐波束形成算法 波束形成算法 1 1 即延时相加算法 它计 算成像区域的每个点到阵元的距离并转化为相应的延时值 得到该点在回波信 号中的延时位置 即不同的相位值 再将回波信号对应位置的信号值叠加到成 像点 从而实现图像的聚焦 s a s 的波束形成算法 1 2 可以分为频域的逐线算法和时域的逐点算法 逐线 算法主要包括距离多普勒算法 r a n g e d o p p l e r r d 波数域算法等 逐点算法 多被应用在多子阵s a s 中 成像精确 但运算量大 当声呐以匀速直线的状态 航行时 利用上述的算法可以得到理想的图像 但在实际中并非如此 通过前 面的讨论可以知道 s a s 进行重构相位所依据的是解几何关系得到的各次收发 的声程差 当运动误差超过波长的八分之一时就会对成像质量产生影响 对于 2 0 k h z 工作频率来说 这对应着约9 r a m 的偏离 在s a s 的运行过程中 由于风 浪及船舶操纵性等因素将会造成声呐载体偏离理想的航迹 并使沿航线的速度 产生变化 使得载体不可能按照理想的匀速直线状态运动 因而必然出现运动 偏差 另外 传播介质的起伏 多途效应等因素也会对图像的质量产生影响 导致声呐图像聚焦效果变差 成像模糊 因此高分辨率s a s 必须在波束形成算 法的基础上采取运动补偿措施来减少甚至消除运动误差影响 以便得到高质量 的图像 为了减小运动误差 人们采取了一些措施 包括对基阵平台进行良好的流 体动力设计 对拖曳式平台采取合理的拖曳方式和减振隔振措旌等等 但由于 水下环境往往非常复杂 呈现非平稳性 所以基阵平台仍然会出现较大的运动 误差 目前 主要的运动补偿方法分为两类 1 1 一类是采用惯性导航设备记录载 体各个时刻的运动状态来对回波数据进行修正 消除运动误差的影响 另一类 是从记录的回波数据中通过信号处理的方法提取运动状态的信息来进行运动误 差的补偿 由于仪器测量精度和参数之间存在相互耦合 在几十秒量级的时间 段上很难达到测量精度要求 而且高精度惯性导航设备也非常昂贵 其费用可 能在总费用中占有很高的比例 因此采用信号处理的方法对回波信号进行相位 误差补偿就成为一种非常重要的运动补偿方式 在实际中 一般将两种补偿方 武汉理工大学硕十学位论文 法结合使用以达到满意的效果 随着s a s 技术的发展和应用要求的提高 基于回波数据的运动补偿算法已 成为s a s 成像过程中不可或缺的重要步骤 本文主要研究基于运动补偿的波束 形成算法 成像算法 即从回波信号中提取相位误差信息并进行相应处理 从 而获得实际的多普勒参数 再结合具体的成像算法实现图像的聚焦 论文在分 析s a s 运动误差和相应补偿方法的基础上 提出了多普勒中心频率估计算法和 相位梯度自聚焦算法的改进方法 全文共分6 章 总体结构如下 第l 章 绪论 介绍了合成孔径声纳的国内外发展现状和基本原理 分析 了s a s 的成像过程 并由此引出其成像处理的关键问题 然后介绍了本文的研 究背景和研究的主要内容 第2 章 合成孔径声呐的运动误差分析与补偿 分析合成孔径声纳系统的 运动误差和它对成像质量的影响 在进行仿真分析的基础上探讨运动补偿的方 法 第3 章 多普勒质心估计改进算法 介绍了多普勒质心 多普勒中心频率 估计的基本方法和多普勒质心模糊问题 提出了解多普勒质心模糊算法的改进 方法 第4 章 相位梯度自聚焦算法的改进 对多普勒调频率估计方法和相应的 自聚焦算法进行了简要介绍 着重探讨了相位梯度自聚焦 p g a 算法的改进算 法 第5 章 总结与展望 对全文的工作进行总结 指出有待进一步研究的问 题 1 2 武汉理工大学硕十学位论文 第2 章合成孑l 径声呐的运动误差分析与补偿 2 1 引言 s a s 距离和方位向上的高分辨率要靠脉冲压缩技术实现 脉冲压缩的实质 是匹配滤波 为了得到精确的压缩结果 必须采用准确的滤波器参考函数 距 离向参考函数由发射信号决定 在发射 传播和接收过程中变化很小 因此通 过已知的发射信号可以构造准确的参考函数 7 方位向参考函数的获取却必须考 虑声呐载体的实际运动状态以及传播等因素 它的关键参数 多普勒质心 多 普勒中心频率 与多普勒调频率需要从声呐回波信号中去估计 准确的多普勒 参数能有效消除回波中的相位误差 为了能准确估计出声呐实际航行时的多普 勒参数 必须了解声呐的运动状态以及误差的产生过程 因此 本章首先讨论 s a s 的运动状态和其相位误差的分类 然后对基于回波数据的运动误差进行分 析 在此基础上研究了沿法平面和沿航线运动误差的补偿方法及其性能 为本 文后续章节提出的多普勒质心估计和自聚焦算法的改进算法奠定理论基础 2 2s a s 的相位误差分析 合成孔径声纳是一种能获得高质量图像的声波成像设备 它沿理想航迹 匀 速直线 运动所产生的多普勒频率 是获得高质量声呐图像的前提 在s a s 系 统中 理想的点目标回波在方位向近似为线性调频信号的形式 7 1 2 1 如式 2 1 所示 s t e x p j 2 f j r f a r t 2 2 1 可以通过脉冲压缩获得方位向的高分辨率 实际情况下由于海浪 海流 拖船操纵性等因素的影响 声呐载体的运动相对于理想航迹总会出现偏差 从 而导致点目标的方位向回波信号中存在相位误差 实际的方位向回波信号可以 表示为 7 甲 s o e x p j 2 n f j n f j 2 纯o 等 2 2 武汉理工人学硕十学位论文 式 2 2 中 厶和厶是理论上的多普勒中心频率和调频率 乃是合成孔 径时间 政 f 就是声呐偏离理想航迹运动产生的相位误差 相位误差使压缩波形产生畸变 并影响到成像处理时能否聚焦 直接关系 到s a s 系统的空间分辨率 由上一章的讨论可知 当声呐载体的运动偏离理想 航迹超过工作波长的i 8 时 为了防止成像质量的降低 必须对运动误差进行补 档 i z o 如图2 1 所示 声呐载体的运动误差可由六个自由度来描述 图2 1s a s 运动误差的示意图 根据图2 1 所示 声呐载体在实际航行中相对理想航迹的偏离可以概括为 2 1 载体沿航向加速度不为零 即沿航线并不是匀速运动 2 载体垂直于航迹方向的速度不为零 即存在侧摆 3 载体存在绕三个坐标轴的转动 即存在偏航 俯仰和横滚的角运动 大量的实验结果表明 l3 1 对图像重建影响较大的运动误差是侧摆 即声呐 载体的实际航迹存在沿理想航迹垂直方向的偏移 在考虑运动误差补偿时 可 以忽略声呐载体上下起伏以及前后摇摆对回波信号的影响 声呐非理想运动引起的相位误差破坏了回波信号的相位相干性 使方位压 缩的匹配处理失配 对成像质量造成很大影响 如几何失真 分辨率降低 图 像对比度下降 产生虚假目标和信噪比下降等 根据相位误差的变化规律 可 将其分为低频相位误差 高频相位误差和宽带相位误差r 7 1 低频相位误差指误差周期大于合成孔径时间的一类误差 包括一阶 二阶 1 4 武汉理下大学硕士学位论文 和高阶相位误差 其中 一阶相位误差改变多普勒中心频率 厶 使压缩后的波 形沿方位向发生位移 偏移量与相位误差的变化率成正比 如果图像中的所有 点目标的一阶相位误差都相等 则整幅图像产生位移 若各点的一阶相位误差 不等 则图像发生几何失真 这时就影响到图像的识别分析 二阶相位误差的 存在改变了回波信号的多普勒调频率 厶 使方位向匹配滤波器失配 导致压缩 后波形主瓣展宽 图像敖焦 主瓣峰值下降 旁瓣电平增高 图像对比度下降 7 1 因此 一阶和二阶相位误差是影响s a s 图像质量的重要原因 在合成孔径时间罩有较大变化就属于高频相位误差 它主要影响系统脉冲 响应的旁瓣 当旁瓣峰值与目标信号峰值接近时 就会被误认为是目标 宽带 相位误差也叫随机相位误差 可视为一种特殊的高频误差 它主要引起旁瓣能 量增加 图像对比度下降 刀 表2 1 描述了各种典型相位误差及其对成像的主要 影响 1 5 表2 1 典型相位误差对图像质量的影响 相位误差类型 对成像效果的影响 一阶相位 低频相位误差 二阶相位几何畸变 分辨率下降 高阶相位误差 确定型 高频相位误差 对比度下降 目标模糊 产生虚假目标 随机型 宽带相位误差随机型对比度下降 信噪比减小 由上表可以看出 对图像质量影响最大的是低频相位误差 其中一阶相位 误差引起的图像平移导致图像的几何失真 二阶相位误差引起的主瓣展宽导致 图像分辨率下降 因此 与一 二阶误差分别对应的多普勒中心频率 厶和多普 勒调频率厶的误差是s a s 运动补偿需要着重解决的问题 分析可知 对图像影响最大的是低频误差 这样可以对图像的点散布函数 进行有针对性的补偿 为此 需要确定补偿频率的范围值 以便使用最少的计 算量达到最好的补偿效果 本文在下面的分析中 利用强点目标的仿真数据研 究了点散布函数补偿频率的范围 武汉理工大学硕十学位论文 2 3 基于回波数据的s a s 运动误差分析 2 3 1 基于单个强散射点回波数据的s a s 运动误差分析 1 1 2 1 7 1 s a s 利用运动载体上的声呐回波数据实现对场景图像的重建 载体运动的 不正常必然反映在回波数据里 因而可以利用回波数据对载体的运动情况进行 分析 对s a s 运动误差进行分析的示意图如图2 2 所示 1 7 1 图2 2s a s 运动误差斜距平面投影图 首先应考虑载体不稳引起的位置误差 图中虚线是声呐载体的理想航迹 实曲线是声呐录取数据过程中的实际航迹 点尸为场景中的强散射点 点爿是 某 慢时间乞 脉冲信号的发射时间 时刻声呐阵列相位中心的位置 点 是 其在对应的慢时间时刻载体的理想位置 于是可得到该时刻的斜距误差为a r 即 1 7 a r 毛 p 一只0 2 3 由于斜距误差是慢时间乙的函数 故可以表示为从 乞 这样可得对应回 波的相位误差纯 乙 为 纯 乙 4 刀 a r t m g 2 4 式 2 4 中的名为声呐发射脉冲信号的波长 由式 2 4 可知 载体运动误差与 成像场景中目标回波的相位误差成对应关系 而慢时间的相位误差将会引起散 射点的点散布函数变化 为了从点目标的回波数据中提取相位历程 获取相位 误差并对其进行补偿 需要对回波数据在距离压缩相位历史域进行处理 1 7 1 1 6 武汉理t 大学硕士学位论文 由于合成孔径处理所固有的距离徙动效应 从距离压缩之后 方位处理之 前 即距离压缩相位历史域 的回波数据中提取出的单个散射点的轨迹曲线是 按照距离徙动曲线排列的 该曲线是一段随着方位慢时间变化的曲线 它表示 随方位角变化时该散射点与声呐相对位置的变化 在选取分析数据的长度时 主要考虑满足s a s 成像方位积累所需的脉冲数f 16 f 明 由于载体理想匀速直线航行时所得的相位历程可用二次多项式较精确地近 似1 1 7 将上述得到的相位历程破 f 做二次曲线拟合 分别得到一次系数口 二 次系数 以及常数项氟 这条拟合出的二次曲线可以作为声呐载体作理想状 态运行时的相位历程 那么可以得出该散射点的相位误差为原始相位历程与拟 合的二次曲线之差 即为 允 乙 嗔 乙 一 a t 一以 2 5 f l j 2 4 式的关系可以得到斜距误差估计欲 f 对该散射点的相位误差 统 乞 作傅里叶变换可以得到相位误差谱o 厂 它反映了相位误差对不同频率 值的分布情况 由上面的讨论已知道 影响回波脉冲主瓣波形 位置和主瓣宽度 的主要 是低频相位误差 而高频相位误差主要影响波形的细