多子阵干涉合成孔径声呐

在完成了轨道式干涉合成孔径声呐(InSAS)原理样机的基础上,研制开发了一种新型的水面拖曳式干涉合成孔径声呐系统。成像算法采用非停走停运动误差补偿的多子阵逐线算法。试验数据表明该系统稳定可靠,并成功获取了干涉合成孔径图像,其距离和方位分辨率分别达到了5 cm和10 cm,测深精度优于国际海道测量组织(IHO)标准。     

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。     

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。     

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。     

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。     

相关测速声呐阵元坐标估计算法研究

针对相关声呐接收阵元实际坐标与设计坐标不一致引起的测速误差,提出阵元坐标估计算法,以提高相关声呐的测速准确度。基于混响时空相关函数模型,对相关测速声呐时空相关函数特性进行了理论分析,提出了选择用延时0处的数据空间相关函数与理论空间相关函数进行阵元坐标估计的局域最小二乘拟合算法,并采用序列二次规划法解决了阵元坐标估计算法的最优化问题。海上试验数据的处理结果表明,该算法可以对阵元坐标进行有效估计,使用估计的阵元坐标后,相关测速声呐测速准确度提高了67%。     

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。     

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。     

Research on non-uniform sampling problem when adapting wavenumber algorithm to multiple-receiver synthetic aperture sonar

The azimuth sampling of multiple-receiver SAS systems is non-uniform,which causes standard wavenumber algorithm（ω—κ） can＇t be applied to multiple-receiver SAS image reconstruction.To solve the problem,two methods are presented,which can adapt the standardω—κalgorithm to multiple-receiver SAS system.One method named Non-uniform Separate Fourier Transform（NSFFT） converts the Fourier Transform（FT） of the non-uniform samples in azimuth direction into several uniform FTs on the assumption that the sonar array moves along a linear track in a uniform velocity.The other method,however,calculates the azimuth non-uniform sampling FT by non-uniform fast FT（NFFT）.Detail analyses are presented on two methods＇ theoretical principles.For validation,both methods are applied to reconstruct images of simulation datasets and lake-trial datasets.Results show that both methods can be applied to image reconstruction of multiple-receiver SAS.The NSFFT method has the advantage of higher computing efficiency but produces degraded images when velocities of the sonar array vary in a large range.By contrast,the NFFT method is able to deal with arbitrary-velocity variation but has a heavier computing load.In conclusion,both methods have pros and cons and the choice of two methods is determined by the application situation.     

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.     

A passive synthetic aperture phase correction algorithm for the asymmetric twin-line array sonar

A passive synthetic aperture based on phase correction algorithm for solving the port-starboard discrimination problem in the non-aligned towed twin-line array sonar,is de- scribed.This method creates a virtual array through applying the estimated phase correction into one array of twin-line arrays.Because the synthetic virtual array is aligned with the other array in twin-line arrays,the right port-starboard discriminated results can be obtained by array processing based on the new synthetic twin-line array.The effect of proposed method has been shown by simulated and sea-trials results in towed twin-line array sonar.With low extra computational loads,the proposed method is easy to apply to the practice.     

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。     

被动合成孔径的非对称双线阵相位校正方法研究

提出了一种基于被动合成孔径的相位校正方法,有效地解决了因为首阵元未对齐(非对称)而引起的双线阵左右舷误判问题。利用被动合成孔径的方法,将其中一个单阵通过相位校正合成为一个虚拟单线阵,新的虚拟单线阵和另一个实际的单线阵构成首阵元对齐的双线阵,恢复了双线阵的对称性,因此可以纠正非对称双线阵导致的左右舷误判。通过数值仿真和海试试验数据的对比分析,说明这种算法可以解决非对称双线阵左右舷误判问题,且方法简单易于实际应用。