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合成孔径声纳聚焦成像算法研究

田丰  
【摘要】: 合成孔径声纳是一种新型高分辨水下成像声纳,其基本原理是利用小孔径基阵的移动,通过对不同位置接收信号的相关处理,来获得移动方向(方位方向)上较大的虚拟合成孔径。合成孔径技术相对于常规声纳技术的突出优势在于,它只利用小孔径的物理声阵,就可以得到与径向距离和频率都无关的高方位分辨率。该技术在卫星雷达和机载雷达上均获得了巨大成功。然而,合成孔径声纳作为一种水下成像设备,受水下复杂条件的影响,有不同于合成孔径雷达的特点。首先是声传播信道的非理想性比合成孔径雷达中电磁波传播的严重;其次是声纳拖体的运动稳定性比合成孔径雷达要差得多;再者因为声速大大低于电磁波在空间的传播速度,,从而大大限制了拖体的运动速度。低的船速加上潮汐和水流的影响将会导致声纳大幅度的偏离所需的轨迹。所以要使合成孔径技术实用于声纳必须克服以上几个困难。通过解决其关键技术(提高成象分辨率和进行相位误差补偿)来提高它的实用性,充分发挥合成孔径声纳低成本、高分辨率的优越性能。 本文首先详细介绍了合成孔径技术的基本原理,讨论了聚焦式合成孔径声纳的工作方式,分析了合成孔径声纳的方位分辨率和距离分辨率,然后对聚焦式SAS常用的几种成像算法进行了论述。 目标点成像分辨率的提高是SAS成像领域的一个重要课题。在常用的聚焦式SAS成像算法的方位和距离压缩处理中,需要对数据进行二维傅里叶变换,由于在二维频域上信号宽度有限,使得时域信号在二维上的包络表现为两个Sinc函数的乘积,旁瓣干扰较为严重。因此成像后处理中的旁瓣抑制技术对于目标点成像质量的提高有着重要的意义。本文将介绍一种提高事后成像场景的自适应算法——空间变迹法,空间变迹法(SVA)作为一种超分辨率图像处理技术,能够在抑制旁瓣的同时保持良好的主瓣分辨率。将空间变迹法引入合成孔径声纳成像,比传统的加窗处理能获得更好的成像效果。本文对标准空间变迹法进行了推广,提出了非标准奈奎斯特采样率下的通用算法,然后使用迭代外推法对其进行了改进,并在聚焦式SAS的一维和二维成像处理中进行了应用,获得了较好的旁瓣抑制效果和目标成像质量的提高。文中对涉及的算法均给出了仿真和详细的分析,为实际应用提供了依据。该研究结果可用于海洋开发中的探测、成像、定位等多种应用方向。


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