MIMO合成孔徑聲納處理目標檢測與定位.pdf

1、合成孔徑聲納(Synthetic Aperture Sonar-SAS)成像是水下目標探測與定位的一種有效手段是。常規(guī)單基地SAS成像基于點目標假設(shè)，不考慮合成孔徑內(nèi)目標散射模式(Target Scattering Patten-TSP)起伏，僅僅接收目標后向散射回波。當目標被建模為分布型目標時，它引起的目標起伏是影響主動聲納性能的討厭參量，并不能通過常規(guī)SAS成像利用的相干積累去克服；同時，由于TSP有限主瓣寬度造成的聲影區(qū)，限制了合

2、成孔徑長度。
　　 收發(fā)異置的雙基地聲納可以從不同角度觀察目標，充分挖掘目標散射模式的角度依賴特性，在對水下人造目標檢測與定位方面，相對僅僅觀測后向散射的單基地聲納有明顯的優(yōu)勢。兌現(xiàn)這些優(yōu)勢的前提之一是對水下目標散射模式進行分析與建模，并應(yīng)用到信號處理算法中。雙基地思想與多進多出(Multiple Input MultipleOutput-MIMO)思想同樣體現(xiàn)了一個“多”字，均正視水聲目標存在空間衰落并加以利用，可以理解為MI

3、MO聲納的一個特例。
　　 本論文以“MIMO合成孔徑聲納處理目標檢測與定位”為主題，旨在解決合成孔徑處理面對分布型目標時所遇到的若干問題，以獲得水下目標以及地貌的高分辨成像，為水下目標檢測與定位提供依據(jù)。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，包括快速雙基地SAS成像算法、寬角度條件下SAS成像算法、MIMO-SAS聯(lián)合處理算法以及SAS成像質(zhì)量增強方法等。

4、　　 SAS成像算法是合成孔徑信號處理的重要部分，也是計算量最為集中的部分。雙基地SAS系統(tǒng)由于收發(fā)分置，發(fā)射-目標-接收空間幾何關(guān)系較收發(fā)合置時相對復(fù)雜，這給成像算法帶來了一定挑戰(zhàn)。常規(guī)時延求和(Time Delay and Sum-TDS)成像算法計算量大，無法滿足實時性需求；而快速成像算法大多集中于頻域，并對合成孔徑基陣運動軌跡有一定的要求。論文參考現(xiàn)有星載雙基地合成孔徑雷達系統(tǒng)中的成像技術(shù)以及單基地合成孔徑聲納成像技術(shù)，發(fā)展了

5、具有足夠運動軌跡失配補償能力的雙基地SAS成像算法：分解反投影(Factorized Back Projection-FBP)雙基地成像，可以作為相同成像條件下常規(guī)TDS算法的等效快速實現(xiàn)，并通過大量仿真以及湖上試驗驗證了其有效性。
　　 由于大多數(shù)人造目標具有對稱的幾何外形，在大觀察角度內(nèi)對聲信號的散射強度呈現(xiàn)較強的各向異性，使得目標回波強度在合成孔徑內(nèi)產(chǎn)生起伏，直接導(dǎo)致基于點目標假設(shè)的傳統(tǒng)合成孔徑成像算法已經(jīng)不能完全適用。論

6、文分析了目標散射模式各向異性對傳統(tǒng)SAS成像的影響，并在對簡單形狀目標TSP建模的基礎(chǔ)上提出了廣義似然比檢測(Generalized Likelihood Ratio Test-GLRT)-合成孔徑處理方法：GLRT-SAS，其核心思想為精確航向維匹配濾波。該方法在成像的同時準確估計目標姿態(tài)參數(shù)，可以用于區(qū)分水下人造目標與自然目標。
　　 合成孔徑航向維高分辨力的獲取主要依賴對不同時刻基陣信號的相干處理，在不考慮信號幅度起伏的情

7、況下可以認為其核心算法為相位匹配?；夭ㄐ盘柕奈粗辔徽`差，會使航向維波束形成出現(xiàn)主瓣偏移、主瓣加寬以及旁瓣提升等現(xiàn)象，從而降低合成孔徑成像質(zhì)量。論文分析了雙基地SAS系統(tǒng)運動軌跡失配、收發(fā)不同步等相位誤差因素對合成孔徑成像的影響，并提出了各自的對抗方法。
　　 在淺水環(huán)境中由于上下邊界受限，聲信號在傳播過程中會經(jīng)過水底、水面多次反射形成多徑信號，其中以一次水面反射多途信號最為顯著，如果不能將目標信號與多途有效分離，會使成像輸出出

8、現(xiàn)“重影”、對比度下降等問題。論文在寬容性寬帶自適應(yīng)波束形成以及時變指向基礎(chǔ)上，構(gòu)建了小孔徑垂直陣處理算法，正視水面反射信號存在并將其利用，不僅進行寬帶多徑抵消(Wideband Multipath Rejection-WMR)，而且進行寬帶多徑提取(Wideband Multipath ReCovery-WMRC)，以進一步增強合成孔徑輸出質(zhì)量。
　　 合成孔徑技術(shù)核心是對各脈沖信號進行相干處理，獲取相干增益。目標散射模式水平

9、各向異性特征之一為有限主瓣寬度，固定的發(fā)射源照射目標時會產(chǎn)生一定的聲影區(qū)，這在一定程度上限制了相干增益獲取。MIMO聲納不僅可以通過收發(fā)陣元分離，發(fā)射不同波形獲取波形分集，從而獲取非相干增益。論文在對分布式MIMO聲納介紹的基礎(chǔ)上，構(gòu)建相干與非相干聯(lián)合處理框架，將MIMO技術(shù)與合成孔徑技術(shù)結(jié)合，可以比常規(guī)SAS成像在航向以及距離向獲得更高分辨力，有助于水下目標探測與定位。
　　 論文研究過程中設(shè)計并實現(xiàn)了一套固定發(fā)射源配合AUV

10、載接收陣低頻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。同時，作為低成本、小體積AUV，“海豚一號”搭載的導(dǎo)航設(shè)備體積、功耗以及精度均受到限制。論文發(fā)展了一套針對“海豚一號”的組合導(dǎo)航算法，包括電子羅盤校準算法、依據(jù)基陣信號相關(guān)性的微導(dǎo)航算法，以及融合各傳感器數(shù)據(jù)的擴展Kalman濾波算法，可以實現(xiàn)對AUV的精確定位。在水池測試和湖上試驗實際使用中，該聲納原型系統(tǒng)工作穩(wěn)定，獲取大量試驗數(shù)據(jù)驗證論文各種信號處理算法的性