圆合成孔径声呐多点定位运动补偿

圆合成孔径声呐(CSAS)的成像性能受平台运动误差影响而下降,利用单侧回波可估计CSAS基阵的斜距误差,但单侧回波在小测绘带时无法估计升沉误差,针对此问题,提出了一种利用单侧回波信号的声呐平台三维运动估计和补偿方法。首先,对CSAS在不同观测角度的目标回波取极大值获得目标回波的到达时间;其次,基于多个点目标的到达时间建立CSAS三维定位模型;然后利用列文伯格-马夸尔特方法对声呐三维坐标进行估计;最后将位置估计结果与时域反投影成像方法结合实现对目标的成像.仿真结果表明:该方法能精确估计声呐平台运动误差,其空间坐标的估计误差小于仿真信号波长的1/8,从而精确补偿了CSAS在不同空间采样点上的阵元回波时间差,显著提高了目标成像质量。湖上试验结果表明,该算法能够实现对CSAS的运动误差补偿。仿真和试验结果均验证了方法的可行性和有效性。     

双侧回波联合的合成孔径声呐运动补偿算法

利用单侧回波可估计合成孔径声呐基阵的斜距误差,但无法区分横荡误差和升沉误差。针对此问题,提出了一种双侧回波联合的运动补偿方法。该方法首先根据双侧基阵运动误差的几何关系,建立了双侧基阵的运动误差模型,再结合偏移相位中心算法估计基阵的横荡误差和升沉误差,最后利用所估计的运动误差对不同掠射角上的回波进行运动补偿。仿真结果表明:该方法能精确估计双侧基阵的运动误差,其估计值与实际值的偏差为10-4 m左右,估计结果的标准差接近克拉美罗下界;对回波进行运动补偿后,能获得比基于单侧回波运动补偿方法更好的成像效果。水下球串目标的湖试数据的成像结果显示,与基于单侧回波的运动补偿方法相比,所提方法能更好地抑制图像的散焦现象。     

脉冲压缩与互相关联合的合成孔径声呐回波时延补偿

针对合成孔径声呐中阵元相位不一致导致互相关时延补偿算法对成像质量提升效果有限的问题,提出了一种脉冲压缩与互相关联合的回波时延补偿算法.该算法利用脉冲压缩回波的互相关对原始回波相位畸变进行校正,实现粗补偿;联合脉冲压缩与偏移相位中心算法实现精细时延补偿,对不同合成孔径位置各阵元回波时延差实现了较为准确的估计,增强了成像效果。试验数据经该算法处理后,回波时延得到较为精确的补偿,地貌成像结果的亮度、对比度等统计特性得到不同程度的提高,且纹理细节增多;典型线缆目标的成像聚焦加深,成像长度误差约由5%减小为0.8%。试验结果显示,该算法对互相关时延补偿方法改进效果明显,验证了算法的可行性、有效性。     

机载合成孔径激光雷达相位误差补偿研究

为了研究大气湍流对合成孔径激光雷达(SAL)成像的影响,基于Monte-Carlo随机因子,对满足Kolmogorov统计规律的大气湍流相位屏进行数值模拟,计算了不同湍流、不同波长情况下的机载SAL成像结果,数值分析了不同斜距、不同波长条件下合成孔径长度与大气相干长度比值随大气湍流强度的变化关系。结果表明大气湍流效应严重影响了SAL的方位向成像,随着湍流强度的增大,SAL图像散焦越来越严重,直至目标无法分辨。同一湍流强度下,光束波长越长,SAL成像效果越好。对于湍流效应造成的SAL图像失真,采用改进的秩一相位误差估计(IROPE)法对SAL图像进行补偿,当大气相干长度大于实孔径长度时,IROPE算法能够有效改善图像的聚焦效果,提升SAL成像分辨率。     

一种适用于大测绘带合成孔径声呐的运动补偿方法

当合成孔径声呐测绘带较大时,运动误差的空变效应严重,经典的相位中心重叠算法难以适用。为此,提出了一种适用于大测绘带合成孔径声呐的运动补偿方法。首先使用混合调制的拉格朗日时延估计算法对前后两帧回波的时延进行估计,之后使用线性回归方法拟合出运动误差,最后利用运动误差的估计值对回波进行逐点精确补偿。仿真数据的结果表明,该算法能够获得比相位中心重叠算法更好的运动估计结果,运动补偿后成像分辨率接近理论分辨率。使用该算法分别对高、低频合成孔径声呐的湖试数据进行了处理,水下地貌和小目标的成像质量均有明显提高。     

结合稳健中国余数定理的合成孔径声呐多子带运动补偿算法

针对运动误差过大导致基于相位的时延估计发生模糊的问题,提出了一种多子带处理和稳健中国余数定理结合的合成孔径声呐运动补偿方法。该方法利用前后两帧回波在多个子频带上的相位差获得模糊时延估计,再根据模糊时延之间的关联性,应用稳健中国余数定理估计真实的时延,最后通过所估计的时延对原始回波进行校正。湖试数据处理结果表明该方法能精确补偿运动误差对成像的影响,进行运动补偿后,包裹目标成像结果的方位向虚假目标被有效消除,且目标的轮廓也变得更加清晰;对线缆目标的成像结果进行斜距向剖面分析,剖面图的-3 dB宽度由运动补偿前的9.05个像素点缩小为运动补偿后的2.06个像素点,线缆目标的聚焦程度明显增强。     

斜视合成孔径声呐成像研究

在论述斜视合成孔径成像及其进展的基础上,分析了正侧视情况下延时相加的模型及斜视对它的影响,将延时相加法分为“有效孔径处理”和“盲处理”两种实现方法,并提出斜视模式有效孔径计算数学模型。斜视出现时,参与方位向波束形成的有效孔径的定位会出现错误,使图像产生失真。斜视模型可对有效孔径正确定位,从而得到正确的图像。仿真实验及湖试结果验证了模型的有效性。     

合成孔径声呐数字仿真的研究

讨论了合成孔径声呐系统一些参数的选取方法。对合成孔径声呐的数字仿真方法作了初步研究,主要包括回波信号的产生、合成孔径声呐信号处理的一般方法。     

测深侧扫声呐差分相位估计

假设海底是一产生散射声波的薄层,获得了测深侧扫声呐(BSSS)的声呐阵时空相关函数的表达式。由此获得了两个重要结果:(1)获得了测深侧扫声呐差分相位估计的均值和方差的表达式;(2)在时空相关函数相位上除kdsin (θ-θ_m)外,附加了一项ξ(ξ被称为相位误差因子),此项在声呐正下方附近引起很大的测深误差。在上述基础上给出了差分相位法重要参数选择的标准,减小ξ的影响,使BSSS在相当宽的角度内获得好的结果。在上述理论指导下,研制了测深侧扫声呐,获得的实验数据与理论计算结果符合良好,证明了理论的正确性。     

合成孔径声呐成像自聚焦方法研究

合成孔径声呐(Synthetic Aperture Sonar,简称SAS)载体的随机运动、声波传播媒质不稳定等会影响成像的质量。大的运动误差可由运动补偿修正,但残余运动误差和媒质的影响需要自聚焦方法来修正。本文推导出小的SWAY误差下脉冲压缩图象域内运动误差模型,并将合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,简称SAR)中的PATCH-PGA方法用于SAS自聚焦,仿真实验和湖试结果表明了该方法的有效性。     

用多子阵空间互相关矩阵估计合成孔径声呐基阵速度

受接收子阵长度的影响,单纯依靠重叠相位中心的合成孔径声呐(Synthetic Aperture Sonar,SAS)基阵速度估计方法的精度较低。为此,提出一种利用多子阵空间互相关矩阵的方法以提高速度估计精度。通过SAS多子阵回波数据构造空间互相关矩阵(Spatial Mutual Correlation Matrix,SMCM),利用Radon变换和SMCM系数分布精确估计重叠相位中心对直线(Line of Displaced Phase Center Pairs,LDPCP)参数,并利用重叠相位中心对速度关系式估计SAS基阵速度。对高低频SAS试验数据应用的结果表明:该方法可有效地消除接收子阵长度的影响,将基阵速度估计的精度提高3~5倍,满足高频和低频SAS系统成像的要求。     

一种机载合成孔径激光雷达相位误差补偿方法

准确理解大气湍流扰动相位对光束传输特性的影响机制,并以此为基础发展有效的相位误差补偿算法是实现合成孔径激光雷达(SAL)高质量成像的关键之一.从激光光束的相位结构函数入手,提出了一种新的大气湍流相位屏产生方法--结构函数法,建立了满足Kolmogorov统计规律的大气湍流数值模型,计算了不同强度湍流作用下机载SAL的成像结果.通过将其与秩一相位估计法联合使用,克服了秩一法对初始值敏感的缺点,提高了补偿算法的精度和效率.实验表明,与谱反演法相比,结构函数法的计算结果更接近于理论值,同时计箅复杂度由O(N2)降至O(N).改进的秩一法能够较为有效地改善一定强度范围内大气湍流引起的SAL图像失真,而且补偿后图像的信噪比相比传统的秩一法提高了大约5 dB,计算时间也缩短了约30%.     

多维波形编码合成孔径声呐技术研究

为了提高测绘效率,提出了两种基于多维波形编码技术的高分辨率宽测绘带合成孔径成像声呐体制,包括使用多发射阵的频分多输入多输出成像方式和方位向波形编码序列的成像方式,并论述了相应的成像处理流程。最后根据高速平台下的成像需求,设计了一种频分双发多收的合成孔径声呐系统,它可以将原有的单发多收系统的测绘效率提高一倍。考虑到水声信号的随机起伏性,利用已有的单发多收系统的实测数据,对多维波形编码技术在水声领域的可行性进行了实际验证。成像结果表明,经水底散射后的相邻频带的回波信号的空间相关性可以满足双发多收体制的合成孔径声呐的成像要求。     

结合Sage-Husa滤波的合成孔径声呐多传感器组合运动补偿算法

在运动测量设备噪声统计特性不确定的情况下,提出结合Sage-Husa滤波的合成孔径声呐多传感器组合运动补偿方法。使用Sage-Husa卡尔曼滤波处理多种异类运动传感器的数据,自适应估计声呐速度的最优值,计算实际航迹与理想航迹之间的横荡误差和升沉误差,最后通过时延校正原始回波数据。仿真结果表明,Sage-Husa滤波对运动误差估计精度至少提高37%,运动补偿后,目标峰值旁瓣比和积分旁瓣比有所降低,峰值旁瓣比接近理论值.湖试数据处理结果表明,目标能量分散的情况有所改善,能量集中在主瓣,散焦得到抑制。Sage-Husa滤波在多传感器系统噪声先验知识缺失的条件下,能减小运动数据估计误差,提高运动补偿的准确性。     

基于聚类的相位相关运动估计方法

针对相机运动引起的图像序列运动的问题,提出了一种基于聚类的相位相关块匹配运动估计算法。利用Harris算子分别在相邻帧图像上检测角点,以参考图像角点为中心选取一个矩形块,将块匹配法与相位相关相结合来计算图像间的运动矢量。最后,对获得的多个块的平移量,进行空间聚类从而选取运动估计比较准确的点。实验结果表明：该算法配准精度能达到亚像素,稳定性较好。     

基于改进距离-多普勒算法的合成孔径声呐斜视成像研究

在深入研究了合成孔径声呐(SAS)中距离-多普勒(R-D)成像算法的基础上,针对SAS的斜视和大面积测绘的应用,放弃菲涅耳假设得到了一个在正侧视和斜视情形下同时适用的改进R-D算法。避免了二次距离压缩(SRC),同时提高了斜视下的成像效果。并且该算法易于结合自聚焦环节实现运动补偿。最后以仿真结果证明了改进算法的有效性。     

基于卷积-逆投影法的逆合成孔径声呐成像研究

介绍了基于卷积-逆投影算法的逆合成孔径声呐成像的基础上,针对水声环境中的声呐系统与目标特性进行了仿真研究,结果表明改进的近场条件下卷积-逆投影算法适合对实际的水中目标成像.     

逆合成孔径激光雷达机动目标运动补偿成像算法

逆合成孔径激光雷达(ISAL)成像运动补偿中,包络对齐的精度直接影响了相位误差估计精度.当目标速度和加速度较大时,距离包络严重倾斜且相位误差较大,图像无法进行良好聚焦.针对上述问题,在高精度成像模型的基础上提出了一种基于Nelder-Mead单纯形法和粒子群优化的全局联合运动误差补偿算法.首先,利用单纯形法估计目标速度,完成包络对齐.然后,将包络对齐过程获得的目标速度作为相位误差估计中参数初始化的约束条件.最后,用粒子群优化算法对各运动参数进行全局搜索并得到最优解,实现高精度运动参数估计及高阶相位误差补偿,得到聚焦良好的二维图像.实验结果表明,本算法的参数估计误差主要分布在±0.2％以内,参数估计精度和抗噪声性能均优于传统ISAL成像算法.     

基于运动补偿和抗差估计的回波光子实时检测方法

根据漫反射激光测距回波的误差特性,提出了一种基于运动补偿和抗差估计的回波光子实时检测方法。通过运动补偿增加了光子积累数量,可提供可靠的初值。在此基础上,采用抗差估计策略剔除观测粗差,有效实现了回波光子的实时在线检测。实验结果表明,在低信噪比情况下,该方法能够有效地抑制噪声影响,并能有效解决漫反射激光测距的实时信号检测问题。     

基于两次谱分析的时延估计方法研究

时延估计是目标定位跟踪系统的关键技术之一,在水声、雷达、声探测等领域广泛应用。时延估计的基本方法是互相关法和相位谱法。互相关法时延估计分辨率与信号带宽近似成反比,因此很难估计多目标时延。相位谱时延估计只能估计单目标时延,并且存在相位解绕问题。本文提出了两次谱分析时延估计方法,即将互功率谱函数再次进行谱估计,二次谱峰值位置间距即为时延估计,这种方法既能够估计单目标时延,又能够估计多目标时延,并且不用相位解绕。仿真计算验证了两次谱时延估计方法的可行性。