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《浙江大学》 2012年
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MIMO合成孔径声纳处理目标检测与定位

孙锋  
【摘要】:合成孔径声纳(Synthetic Aperture Sonar-SAS)成像是水下目标探测与定位的一种有效手段是。常规单基地SAS成像基于点目标假设,不考虑合成孔径内目标散射模式(Target Scattering Patten-TSP)起伏,仅仅接收目标后向散射回波。当目标被建模为分布型目标时,它引起的目标起伏是影响主动声纳性能的讨厌参量,并不能通过常规SAS成像利用的相干积累去克服;同时,由于TSP有限主瓣宽度造成的声影区,限制了合成孔径长度。 收发异置的双基地声纳可以从不同角度观察目标,充分挖掘目标散射模式的角度依赖特性,在对水下人造目标检测与定位方面,相对仅仅观测后向散射的单基地声纳有明显的优势。兑现这些优势的前提之一是对水下目标散射模式进行分析与建模,并应用到信号处理算法中。双基地思想与多进多出(Multiple Input Multiple Output-MIMO).思想同样体现了一个“多”字,均正视水声目标存在空间衰落并加以利用,可以理解为MIMO声纳的一个特例。 本论文以"MIMO合成孔径声纳处理目标检测与定位”为主题,旨在解决合成孔径处理面对分布型目标时所遇到的若干问题,以获得水下目标以及地貌的高分辨成像,为水下目标检测与定位提供依据。研究内容包括信号处理算法与SAS系统实现两部分,其中浅水低频SAS信号处理算法研究是本论文的主体内容,包括快速双基地SAS成像算法、宽角度条件下SAS成像算法、MIMO-SAS联合处理算法以及SAS成像质量增强方法等。 SAS成像算法是合成孔径信号处理的重要部分,也是计算量最为集中的部分。双基地SAS系统由于收发分置,发射-目标-接收空间几何关系较收发合置时相对复杂,这给成像算法带来了一定挑战。常规时延求和(Time Delay and Sum-TDS)成像算法计算量大,无法满足实时性需求;而快速成像算法大多集中于频域,并对合成孔径基阵运动轨迹有一定的要求。论文参考现有星载双基地合成孔径雷达系统中的成像技术以及单基地合成孔径声纳成像技术,发展了具有足够运动轨迹失配补偿能力的双基地SAS成像算法:分解反投影(Factorized Back Projection-FBP)双基地成像,可以作为相同成像条件下常规TDS算法的等效快速实现,并通过大量仿真以及湖上试验验证了其有效性。 由于大多数人造目标具有对称的几何外形,在大观察角度内对声信号的散射强度呈现较强的各向异性,使得目标回波强度在合成孔径内产生起伏,直接导致基于点目标假设的传统合成孔径成像算法已经不能完全适用。论文分析了目标散射模式各向异性对传统SAS成像的影响,并在对简单形状目标TSP建模的基础上提出了广义似然比检测(Generalized Likelihood Ratio Test-GLRT)-合成孔径处理方法:GLRT-SAS,其核心思想为精确航向维匹配滤波。该方法在成像的同时准确估计目标姿态参数,可以用于区分水下人造目标与自然目标,。 合成孔径航向维高分辨力的获取主要依赖对不同时刻基阵信号的相干处理,在不考虑信号幅度起伏的情况下可以认为其核心算法为相位匹配。回波信号的未知相位误差,会使航向维波束形成出现主瓣偏移、主瓣加宽以及旁瓣提升等现象,从而降低合成孔径成像质量。论文分析了双基地SAS系统运动轨迹失配、收发不同步等相位误差因素对合成孔径成像的影响,并提出了各自的对抗方法。 在浅水环境中由于上下边界受限,声信号在传播过程中会经过水底、水面多次反射形成多径信号,其中以一次水面反射多途信号最为显著,如果不能将目标信号与多途有效分离,会使成像输出出现“重影”、对比度下降等问题。论文在宽容性宽带自适应波束形成以及时变指向基础上,构建了小孔径垂直阵处理算法,正视水面反射信号存在并将其利用,不仅进行宽带多径抵消(Wideband Multipath Rejection-WMR),而且进行宽带多径提取(Wideband Multipath ReCovery-WMRC),以进一步增强合成孔径输出质量。 合成孔径技术核心是对各脉冲信号进行相干处理,获取相干增益。目标散射模式水平各向异性特征之一为有限主瓣宽度,固定的发射源照射目标时会产生一定的声影区,这在一定程度上限制了相干增益获取。MIMO声纳不仅可以通过收发阵元分离,发射不同波形获取波形分集,从而获取非相干增益。论文在对分布式MIMO声纳介绍的基础上,构建相干与非相干联合处理框架,将MIMO技术与合成孔径技术结合,可以比常规SAS成像在航向以及距离向获得更高分辨力,有助于水下目标探测与定位。 论文研究过程中设计并实现了一套固定发射源配合AUV载接收阵低频SAS原型系统,包括声纳整体硬件和实时控制与数据采集软件两部分。同时,作为低成本、小体积AUV,“海豚一号”搭载的导航设备体积、功耗以及精度均受到限制。论文发展了一套针对“海豚一号”的组合导航算法,包括电子罗盘校准算法、依据基阵信号相关性的微导航算法,以及融合各传感器数据的扩展Kalman滤波算法,可以实现对AUV的精确定位。在水池测试和湖上试验实际使用中,该声纳原型系统工作稳定,获取大量试验数据验证论文各种信号处理算法的性能。
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:TB566

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