淺水低頻合成孔徑聲納-信號處理及系統(tǒng)實現(xiàn).pdf

1、水下小目標聲探測的核心問題之一在于解決探測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實現(xiàn)，而長距離探測要求使用低頻。合成孔徑聲納(SAS)作為一項實現(xiàn)高分辨力成像的新興手段，其成像分辨力具有與距離、頻率無關(guān)的顯著特點，使得低頻小孔徑聲納獲取高的空間分辨力成為可能。同時自主水下航行器(AUV)技術(shù)愈趨成熟，為實現(xiàn)合成孔徑處理提供了嶄新的機會。
　　 本論文研究圍繞浙江大學985二期建設項目“水下自主航行器平臺淺水低

2、頻合成孔徑聲納系統(tǒng)”進行，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。研究內(nèi)容包括信號處理算法與SAS系統(tǒng)實現(xiàn)兩部分，其中淺水低頻SAS信號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)運動補償?shù)取?br>　　 在淺水低頻條件下，聲信號的多徑傳播會導致合成孔徑聲納成像質(zhì)量的下降，具體表現(xiàn)為出現(xiàn)重影偽目標及圖像對比度下降。采用具有一定垂直孔徑的聲納接收陣，進

3、行垂直維陣處理，可以實現(xiàn)對多徑傳播信號的方位分辨及抵消。為了在低頻段實現(xiàn)高的時延分辨力，需采用寬帶信號，然而目前多徑抵消算法大多基于窄帶條件。同時由于受小型航行器平臺搭載空間限制，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陣處理算法，并要求其對環(huán)境擾動有一定的寬容性。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)基礎上，提出了一種基于寬帶預導向協(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，稱為寬帶預導向?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實現(xiàn)的寬帶多徑抵消處理相對常規(guī)時延求和波束形成(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信號處理的核心算法之一，為運算量最集中的部分。SAS成像算法研究主要考慮減少處理運算量和對任意運動軌跡適用的靈

5、活性兩方面。FBP成像算法由于其時域?qū)崿F(xiàn)的靈活性以及相對常規(guī)時延求和(TDS)成像較高的計算效率，近幾年來得到了廣泛的關(guān)注。本論文提出了一種改進的FBP算法，并進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勻速直線運動假設，適用于任意運動軌跡。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)果都驗證了該FBP算法的有效性。
　　 由于SAS成像對運動失配很靈敏，需進行運動補償。論文SAS系統(tǒng)配備了DVL、

6、電子羅盤及深度傳感器，基于其導航數(shù)據(jù)即可對三維運動軌跡及姿態(tài)進行較準確的估計。SAS的運動失配分為軌跡失配與Doppler失配兩類。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，運動軌跡失配補償只需用估計的真實運動軌跡替代預先假定軌跡即可。對于運動Doppler失配，目前多數(shù)研究認為影響較小，且只能實現(xiàn)部分補償。通過SAS信號到達時延分析可以發(fā)現(xiàn)在運動軌跡失配較小的條件下，Doppler失配對SAS輸出成像結(jié)果影響很小。這

7、與已有研究結(jié)果一致。然而當同時存在嚴重運動軌跡失配時，運動Doppler失配會導致SAS成像質(zhì)量大幅下降，需進行有效補償。本論文提出了一種能夠?qū)崿F(xiàn)對SAS運動Doppler失配進行精確補償?shù)乃惴?。該算法可以與FBP成像算法有效結(jié)合，實現(xiàn)快速運動補償及合成孔徑成像。
　　 論文研究過程中設計并實現(xiàn)了一套AUV平臺淺水低頻SAS原型系統(tǒng)，包括聲納整體硬件和實時控制與數(shù)據(jù)采集軟件兩部分。通過一次水池測試和兩次湖上試驗實際使用，該聲納原