淺水低頻合成孔徑聲納-信號(hào)處理及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn).pdf

1、水下小目標(biāo)聲探測(cè)的核心問(wèn)題之一在于解決探測(cè)距離與分辨力的矛盾。傳統(tǒng)基于物理陣的高分辨力通常采用高頻來(lái)實(shí)現(xiàn)，而長(zhǎng)距離探測(cè)要求使用低頻。合成孔徑聲納(SAS)作為一項(xiàng)實(shí)現(xiàn)高分辨力成像的新興手段，其成像分辨力具有與距離、頻率無(wú)關(guān)的顯著特點(diǎn)，使得低頻小孔徑聲納獲取高的空間分辨力成為可能。同時(shí)自主水下航行器(AUV)技術(shù)愈趨成熟，為實(shí)現(xiàn)合成孔徑處理提供了嶄新的機(jī)會(huì)。
　　 本論文研究圍繞浙江大學(xué)985二期建設(shè)項(xiàng)目“水下自主航行器平臺(tái)淺水低

2、頻合成孔徑聲納系統(tǒng)”進(jìn)行，以在淺水低頻條件下獲取高質(zhì)量的水底高分辨力成像為主要研究目標(biāo)。研究?jī)?nèi)容包括信號(hào)處理算法與SAS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)兩部分，其中淺水低頻SAS信號(hào)處理算法研究是本論文的主體內(nèi)容，包括寬帶多徑抵消處理(WMR)、分解反投影(FBP)快速合成孔徑成像以及相關(guān)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)取?br>　　 在淺水低頻條件下，聲信號(hào)的多徑傳播會(huì)導(dǎo)致合成孔徑聲納成像質(zhì)量的下降，具體表現(xiàn)為出現(xiàn)重影偽目標(biāo)及圖像對(duì)比度下降。采用具有一定垂直孔徑的聲納接收陣，進(jìn)

3、行垂直維陣處理，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多徑傳播信號(hào)的方位分辨及抵消。為了在低頻段實(shí)現(xiàn)高的時(shí)延分辨力，需采用寬帶信號(hào)，然而目前多徑抵消算法大多基于窄帶條件。同時(shí)由于受小型航行器平臺(tái)搭載空間限制，聲納只能采用小垂直孔徑接收陣，要獲取垂直維高的方向分辨力需采用自適應(yīng)陣處理算法，并要求其對(duì)環(huán)境擾動(dòng)有一定的寬容性。本論文基于寬帶波束形成算法，提出了一種寬帶多徑抵消處理結(jié)構(gòu)，并在已有窄帶寬容Capon波束形成(RCB)基礎(chǔ)上，提出了一種基于寬帶預(yù)導(dǎo)向協(xié)方差矩陣

4、(SCM)、具有快速收斂能力的寬帶寬容Capon波束形成算法，稱(chēng)為寬帶預(yù)導(dǎo)向?qū)捜軨apon波束形成(SRCB)。仿真和湖試數(shù)據(jù)處理結(jié)果表明，基于SRCB實(shí)現(xiàn)的寬帶多徑抵消處理相對(duì)常規(guī)時(shí)延求和波束形成(DSB)和常規(guī)寬帶寬容Capon波束形成(WRCB)具有更好的方向分辨性能和干擾抵消能力。
　　 合成孔徑成像算法是SAS信號(hào)處理的核心算法之一，為運(yùn)算量最集中的部分。SAS成像算法研究主要考慮減少處理運(yùn)算量和對(duì)任意運(yùn)動(dòng)軌跡適用的靈

5、活性兩方面。FBP成像算法由于其時(shí)域?qū)崿F(xiàn)的靈活性以及相對(duì)常規(guī)時(shí)延求和(TDS)成像較高的計(jì)算效率，近幾年來(lái)得到了廣泛的關(guān)注。本論文提出了一種改進(jìn)的FBP算法，并進(jìn)行了距離誤差理論分析。與已有算法相比，該FBP算法不局限于SAS勻速直線運(yùn)動(dòng)假設(shè)，適用于任意運(yùn)動(dòng)軌跡。直線SAS成像和圓弧SAS成像仿真以及湖試數(shù)據(jù)處理結(jié)果都驗(yàn)證了該FBP算法的有效性。
　　 由于SAS成像對(duì)運(yùn)動(dòng)失配很靈敏，需進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。論文SAS系統(tǒng)配備了DVL、

6、電子羅盤(pán)及深度傳感器，基于其導(dǎo)航數(shù)據(jù)即可對(duì)三維運(yùn)動(dòng)軌跡及姿態(tài)進(jìn)行較準(zhǔn)確的估計(jì)。SAS的運(yùn)動(dòng)失配分為軌跡失配與Doppler失配兩類(lèi)。由于論文SAS成像算法采用了具有任意軌跡適用性的FBP算法，運(yùn)動(dòng)軌跡失配補(bǔ)償只需用估計(jì)的真實(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡替代預(yù)先假定軌跡即可。對(duì)于運(yùn)動(dòng)Doppler失配，目前多數(shù)研究認(rèn)為影響較小，且只能實(shí)現(xiàn)部分補(bǔ)償。通過(guò)SAS信號(hào)到達(dá)時(shí)延分析可以發(fā)現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)軌跡失配較小的條件下，Doppler失配對(duì)SAS輸出成像結(jié)果影響很小。這

7、與已有研究結(jié)果一致。然而當(dāng)同時(shí)存在嚴(yán)重運(yùn)動(dòng)軌跡失配時(shí)，運(yùn)動(dòng)Doppler失配會(huì)導(dǎo)致SAS成像質(zhì)量大幅下降，需進(jìn)行有效補(bǔ)償。本論文提出了一種能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)SAS運(yùn)動(dòng)Doppler失配進(jìn)行精確補(bǔ)償?shù)乃惴?。該算法可以與FBP成像算法有效結(jié)合，實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償及合成孔徑成像。
　　 論文研究過(guò)程中設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套AUV平臺(tái)淺水低頻SAS原型系統(tǒng)，包括聲納整體硬件和實(shí)時(shí)控制與數(shù)據(jù)采集軟件兩部分。通過(guò)一次水池測(cè)試和兩次湖上試驗(yàn)實(shí)際使用，該聲納原