合成孔径声呐信号处理技术与实现

发布时间：2020-06-02 15:43

【摘要】：合成孔径声呐(Synthetic Aperture Sonar,SAS)是一种高分辨率成像声呐,通过小孔径尺寸的基阵的匀速直线运动,对接收到的原始回波信号做相干累加操作,从而合成为大尺寸虚拟孔径,进而实现了方位向上的高分辨率,并且方位向上的分辨率只受实际基阵孔径尺寸大小的影响,不与目标距离和发射信号频率有关。合成孔径技术的实质是利用时间累加来获得空间增益。SAS载体有严格的运动要求,无人水下航行器(Unmanned Underwater Vehicle,UUV)是智能作业的水下平台,具有可自主航行的特点,它运行较为平稳,是SAS系统的理想载体。近年来,基于UUV的SAS系统是合成孔径声呐领域的研究热点,在水下探测、深海测绘等诸多方面有着广泛应用。本文重点研究基于UUV平台的SAS信号处理技术,主要包括原始数据采集、成像算法、UUV平台运动模型研究及误差分析、运动补偿的处理、成像质量改善等方面的内容。首先,本文研究了 SAS技术的基本原理,对系统中所需参数的限制条件进行了充分研究。采用模块化的思想,对基于UUV的SAS电子舱分系统的硬件架构进行设计,主要包括了基于FPGA的信号处理机核心控制模块、信号发射和接收模块的具体实现方式。制定了发射周期、信号脉宽等系统控制方案。研究了几种经典的成像算法,包括时域延时求和算法、距离-多普勒算法、波数域算法等。对比分析各算法适用条件与性能优劣,改进后制定了本系统算法处理机的设计方案。合成孔径技术信号处理的运算量大、系统实现复杂。如何提高成像的计算效率是改善系统工作性能的关键。本系统中将采集到的原始回波信号构建为一个图像矩阵,不同回波数据的图像矩阵做相干累加操作,完成孔径的合成。经过仿真分析表明矩阵运算比传统的向量运算计算效率高,成像速度快,有效的改善了 SAS成像系统的性能。声呐载体在航行过程中,不可避免地会出现与理想航迹上的偏离,这些运动上的误差会带来成像质量的下降。本系统中运用一种移位成像的运动补偿算法,克服了相位误差方位空变性的影响,从而实现了较为精准的误差补偿,提高了成像质量。并且将成像算法改进,使其适用于多子阵SAS系统中。最后通过实验所得的数据进行仿真验证,分析得出本套基于UUV的SAS系统各项指标均已达到成像要求,可对远处物体实现高分辨率成像。并且对本系统的研究内容进行了总结,提出了需要进一步完善和研究的问题。
【图文】：

水雷,反水雷,目标成像,海洋研究

杭州电子科技大学硕士学位论文威邋ＨＩＳＡＳ邋１０３０［２１］［２２］逡逑威国防研究所（ＦＨ）和Ｋｏｎｇｓｂｅｒｇ海洋研究院联合研制的一种具有高分辨统，已搭建在ＨＵＧＩＮ邋１０００邋ＡＵＶ上进行过多次海上实验。其中，系统工作０ｋＨｚ，，方位向分辨率和距离向分辨率均为３ｃｍ，测绘速度为每秒７３０ｍ２。主、反水雷作战等任务。逡逑

成像,加拿大,实时成像,工作频段

．■邋—ＭＢ涔逦於逦？逦ｍ逦ｚｉ逦ｍ逦ｎ逦ｍ逦ｍ逦ｎ逦■？逦％逡逑ｍｎ？！０逡逑图１．４圆柱形物体成像结果逡逑（３）加拿大邋Ａｑｕａｐｉｘ邋ＭＩＮＳＡＳ［２４］逡逑由加拿大Ｋｒａｋｅｎ邋Ｓｏｎａｒ邋Ｓｙｓｔｅｍｓ公司研制而成的一种可在水下３０００ｍ深进行正小型化干涉ＳＡＳ，其最大优势在于其耐压程度高，可以获得三维测深信息，并且使理器（ＧＰＵ）作为信号处理平台，可以实时成像。该系统工作频段在２８０ｋＨｚ－３２０ｋＨｚ，和方位向分辨率大约为３ｃｍ，该系统的测绘速度较低，约为每小时０．９５ｋｍ２。逡逑
【学位授予单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U666.7

【参考文献】