多波束合成孔径声呐成像技术研究

论文摘要

多波束测深声呐是当代海洋开发、地形测绘、资源探寻的重要设备,在我国开展高分辨率多波束成像声呐技术的研究具有广阔的应用前景和重要的战略意义。目前多波束测深声呐受波束脚印大小的影响,其航向上的分辨率较低,这从根本上限制了多波束测深声呐对水下目标及海底地形探测的精度及声呐成像质量。而合成孔径技术能够采用小物理孔径基阵,依靠信号处理虚拟合成大孔径基阵来获得方位向高分辨率。本文在深入研究合成孔径声呐（Synthetic Aperture Sonar, SAS）原理及成像算法的基础上,主要致力于合成孔径技术与多波束测深声呐的结合,即重点研究多波束合成孔径声呐成像技术,最后对运动补偿技术进行了研究。首先从合成孔径声呐成像技术入手,说明了合成孔径声呐具有高方位向分辨率的原因,给出了点目标SAS回波数据的计算机仿真过程,并重点介绍了常规单接收基元SAS二维成像算法。论文对多接收基元SAS成像算法进行了深入的研究,分析了停-走-停模型下多接收基元SAS系统误差的来源,给出了非停-走-停模型下的逐点及逐线算法的成像方案,并通过计算机仿真实验对比了新、旧成像方案的成像质量。研究结果表明,新的多接收基元SAS成像方案在考虑了脉冲收发期间载体的相对运动后,成像效果有着明显地改善。基于合成孔径声呐的高航向分辨率,为了提高多波束测深声呐的航向分辨率,本文重点对多波束合成孔径声呐成像技术进行了研究。提出了基于新型阵列结构的多波束SAS成像方案与方位向多频-多波束SAS成像方案,并深入研究了逐点成像算法在两种新方案中的应用。仿真实验结果表明,上述两种成像方法都能够解决测绘速率与方位模糊之间的矛盾,航向分辨率较多波束测深声呐有了显著的提高,且较常规SAS的成像结果能够得到更多的目标信息与更高的输出信噪比。声呐载体偏离于其直线航迹而产生的运动误差需要被准确估计出且在回波信号中给予相应地补偿。本文对基于回波信号的运动补偿方法进行了研究,其中单接收阵SAS运动补偿方法需要对距离徙动进行拟合估计,导致其估计精度不够且适用范围有限,而等效相位中心法不仅可以对运动误差在侧移和偏航进行二维估计,而且其精度高、适用范围大。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外合成孔径声呐发展概况及发展趋势
• 1.2.1 SAS发展历程及国内外发展概况
• 1.2.2 SAS的发展趋势
• 1.3 论文研究工作及内容安排
• 第2章 合成孔径声呐的基本概念与原理
• 2.1 水下声成像相关技术介绍
• 2.1.1 回声探测与定位
• 2.1.2 脉冲压缩及LFM信号
• 2.1.3 侧扫声呐的分辨率
• 2.2 合成孔径声呐理论的简述
• 2.2.1 方位分辨率
• 2.2.2 方位向采样限制
• 2.2.3 多子阵SAS简介
• 2.3 合成孔径声呐回波数据模型
• 2.4 本章小结
• 第3章 合成孔径声呐成像算法研究
• 3.1 合成孔径声呐成像的基本原理
• 3.2 单接收基元SAS成像算法
• 3.2.1 逐点成像算法
• 3.2.2 距离-多普勒（Range-Doppler）算法
• 3.2.3 波数域算法
• 3.2.4 线性调频尺度算法（Chirp-Scaling算法）
• 3.3 多接收基元SAS成像算法研究
• 3.3.1 多接收基元SAS几何模型
• 3.3.2 多接收基元SAS逐点成像算法
• 3.3.3 多接收基元SAS逐线成像算法
• 3.4 本章小节
• 第4章 多波束SAS成像技术研究
• 4.1 多波束测深声呐的工作原理
• 4.1.1 多波束测深原理
• 4.1.2 多波束测深声呐的航向分辨率
• 4.2 多波束SAS基本原理及主要问题
• 4.3 基于新型阵列结构的多波束SAS成像
• 4.3.1 阵列结构及成像模型
• 4.3.2 逐点成像算法
• 4.3.3 计算机仿真
• 4.3.4 逐线成像算法
• 4.4 方位向多频-多波束SAS成像
• 4.4.1 方位向多频-多波束SAS基本原理
• 4.4.2 数学模型及逐点成像算法
• 4.4.3 计算机仿真
• 4.5 本章小结
• 第5章 运动补偿方法研究
• 5.1 载体运动误差模型
• 5.2 单接收阵SAS运动补偿方法
• 5.2.1 补偿过程
• 5.2.2 计算机仿真及性能分析
• 5.3 等效相位中心运动补偿方法
• 5.3.1 DPCA基本原理
• 5.3.2 DPCA方法运动补偿过程
• 5.3.3 计算机仿真及性能分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢