多波束合成孔徑聲納模型仿真與成像技術(shù)研究.pdf

1、目前國內(nèi)外在成像聲納技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)主要是以多波束測深聲納、側(cè)掃聲納以及側(cè)掃合成孔徑聲納為主。其中多波束測深聲納雖然測深精度高，能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)區(qū)域的全覆蓋測繪但是其受波束腳印大小的影響，航跡向上的分辨力較低。傳統(tǒng)的側(cè)掃聲納和側(cè)掃合成孔徑聲納雖然能夠?qū)崿F(xiàn)海底地形地貌的成像，但是其并不具備高精度測深能力并且受自身聲納原理的影響，無法解決正下方的測繪隙區(qū)問題。基于此，本文在結(jié)合多波束測深聲納技術(shù)和合成孔徑聲納技術(shù)的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地提出基于國產(chǎn)多波束測深

2、聲納的多波束合成孔徑聲納原理及成像技術(shù)驗證方案，主要針對多波束合成孔徑聲納的模型仿真、三維仿真數(shù)據(jù)生成方法、空間域成像算法、運動誤差估計以及水池試驗論證幾個方面展開研究，具體的研究內(nèi)容包括：
　　1、基于多波束合成孔徑聲納的原理提出線陣多波束合成孔徑聲納的理論仿真模型。論文分析指出要實現(xiàn)航跡向的合成孔徑以及水平距離向的波束形成就需要一個能兼顧合成孔徑技術(shù)以及多波束測深技術(shù)的聲納模型，而直接應(yīng)用多波束測深聲納原理和合成孔徑聲納原理簡

3、單結(jié)合，必將導(dǎo)致多波束合成孔徑聲納的設(shè)計復(fù)雜，體積規(guī)模龐大。論文首先提出線陣多波束合成孔徑聲納的理論仿真模型，在此基礎(chǔ)上，為了有效地提高測繪速度同時不降低航跡向分辨力提出利用多子陣技術(shù)、頻率分集技術(shù)、脈沖壓縮技術(shù)、單相位中心多發(fā)射波束技術(shù)以及雙發(fā)射式技術(shù)等優(yōu)化的多波束合成孔徑聲納理論仿真模型，降低多波束合成孔徑聲納基陣規(guī)模，滿足多波束合成孔徑聲納的空間域合成孔徑成像需求。
　　2、提出基于立體模型的多波束合成孔徑聲納三維形貌恢復(fù)仿

4、真數(shù)據(jù)生成法。論文在研究線陣多波束合成孔徑聲納理論仿真模型的基礎(chǔ)上，提出點目標(biāo)三維仿真數(shù)據(jù)生成法并分析指出其三維仿真數(shù)據(jù)生成方法可以分解為構(gòu)圖、陰影計算、時延表回波仿真、成像四個步驟。而這幾個步驟中構(gòu)圖與陰影計算十分龐大，使得點目標(biāo)三維仿真數(shù)據(jù)生成法較繁瑣。論文結(jié)合計算機視覺處理技術(shù)提出基于立體模型的多波束合成孔徑聲納三維形貌恢復(fù)仿真數(shù)據(jù)生成法。利用已知合成孔徑圖像的表面灰度值反向求解目標(biāo)曲率，直接生成多波束合成孔徑聲納可使用的三維數(shù)據(jù)

5、點坐標(biāo)，替代點目標(biāo)三維仿真數(shù)據(jù)生成法中的構(gòu)圖和陰影計算兩個步驟，有效地解決了點目標(biāo)三維仿真數(shù)據(jù)生成法繁瑣的問題。最后論文使用合成孔徑成像的方法對基于立體模型的多波束合成孔徑聲納三維形貌恢復(fù)仿真數(shù)據(jù)生成法構(gòu)造的數(shù)據(jù)進行解算，驗證算法的有效性。
　　3、提出多波束合成孔徑聲納空間域成像方法及其優(yōu)化方法。論文首先分析柵瓣問題對多波束合成孔徑聲納成像的影響，分析航跡向柵瓣的出現(xiàn)機理以及對多波束合成孔徑聲納成像的影響，論述寬帶低Q、頻率分集

6、等航跡向抑制柵瓣方法，并運用在線陣多波束合成孔徑聲納優(yōu)化理論仿真模型設(shè)計上。然后探討多波束合成孔徑聲納的成像方法，利用其空間域優(yōu)勢提出高精確度多波束合成孔徑聲納空間域逐點成像算法，并從點目標(biāo)和多目標(biāo)兩個角度分析多波束合成孔徑聲納空間域逐點成像算法的成像結(jié)果與側(cè)掃合成孔徑聲納成像結(jié)果以及多波束測深聲納成像結(jié)果的異同，分析多波束合成孔徑聲納的航跡向分辨力、水平距離向分辨力以及測深能力。從對比中總結(jié)多波束合成孔徑聲納的成像特點和優(yōu)勢。然后針對

7、多波束合成孔徑聲納的空間域逐點成像計算處理比較消耗時間的問題提出優(yōu)化的空間域逐線法，并分析空間域逐線算法的受限性，指出其需要更為準(zhǔn)確的航跡向的均勻采樣以及更為精確的載體定位支持。最后論文提出優(yōu)化的空間域快速后向散射成像法，在空間域逐點算法的基礎(chǔ)上進行子孔徑極坐標(biāo)劃分，利用子孔徑分割與圖像合并節(jié)約計算量，并使用其仿真結(jié)果同多波束合成孔徑空間域逐點成像算法的成像結(jié)果做對比，驗證算法的有效性。
　　4、針對現(xiàn)有的等效相位中心法存在的二維

8、運動近似誤差和估計誤差積累問題，圖像匹配法存在的分辨誤差問題，分別提出結(jié)合n階AR數(shù)學(xué)模型和卡爾曼濾波法的多波束等效相位中心法和子孔徑圖像配準(zhǔn)法。首先論文對主要影響合成孔徑聲納航跡向合成的運動誤差方式進行探討，分析航偏，側(cè)移以及橫滾載體運動誤差估計方式的特點。然后論文分析由于側(cè)掃合成孔徑聲納原理帶來的常規(guī)等效相位中心法忽略來波角度造成的二維運動近似誤差問題，提出利用多波束測深聲納技術(shù)在航跡向每個采樣點解算來波角度的多波束等效相位中心法，

9、并結(jié)合基于n階AR模型預(yù)測和卡爾曼濾波對估計誤差積累進行修正，降低多波束等效相位中心運動誤差估計法的估計誤差積累量，提高估計精度。然后針對傳統(tǒng)的圖像匹配運動誤差估計法應(yīng)用中存在的分辨誤差問題，在分析子孔徑計算的分辨力同圖像匹配之間的關(guān)系的基礎(chǔ)上，提出使用快速后向散射算法的中間步驟進行圖像相關(guān)匹配運算的橫滾載體運動誤差估計方法。最后通過仿真驗證其算法的有效性。
　　5、結(jié)合水池試驗結(jié)果驗證線陣多波束合成孔徑模型及理論的正確性，并與側(cè)