三维成像声纳成像算法仿真研究

论文摘要

随着人们对水下探测需求的增长,传统的二维成像声呐已渐渐不能满足人们的要求,三维成像声呐由于能提供水下目标的三维信息,得到的图像更直观,受到了越来越多关注。而目前常用的水下三维成像方法,需要经过多次多角度重复测量,或者需要较复杂的面阵或声透镜。为此,本文研究一种简化的面阵-L型基阵对水下目标进行三维成像的方法。本文改进了一种基于常规的波束形成技术的三维成像方法。将两条线阵的多波束接收数据,按照一定的顺序一一对应相乘,生成一组新数据,再通过对该数据的处理,提取出目标的三维信息,就可以得到目标的三维图像。同时,还从两个不同角度得到了目标的二维图像,从这两幅图像中,也可以提取出目标的三维信息。多子阵波束Root-MUSIC（MSB-RMU）算法较常规高分辨方位估计方法需要的信噪比条件低,又能使空间分辨力不受阵列孔径的限制。在本文中,利用L型基阵这种特殊的阵列形式,将一维MSB-RMU算法扩展到二维,用于三维成像,还对采用的参数配对方法做了进一步分析,结合成像仿真结果,采用了分组排序的参数配对方法。另外,还采用了一种结合了MSB-RMU算法与二维MUSIC算法的参数自动配对的算法。最后,通过建立的仿真成像场景,对上述几种三维成像方法的成像效果进行了对比分析。采用二维MSB-RMU算法的成像效果要明显好于前两种方法。其中,对强度不相等的信源来说,两种采用高分辨技术的算法的成像效果相似,不过,参数自动配对的DOA估计方法对等强度信源同样有效,而二维MSB-RMU算法则会失效。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 论文背景及意义
• 1.2 成像声呐技术概述
• 1.2.1 侧扫声呐
• 1.2.2 前视声呐
• 1.3 三维成像声呐技术概述及国内外现状
• 1.3.1 三维成像声呐技术概述
• 1.3.2 国内外发展现状
• 1.4 论文主要研究内容
• 第2章 基于常规波束形成技术的三维成像方法
• 2.1 波束形成技术
• 2.1.1 波束形成原理
• 2.1.2 常规多波束形成方法
• 2.2 基于L 型基阵的三维成像方法
• 2.2.1 基阵组成方案
• 2.2.2 成像三维坐标系建立
• 2.2.3 三维成像方法原理
• 2.2.4 回波信号的预处理
• 2.2.5 目标信号到达时间的确定
• 2.3 本章小结
• 第3章 基于高分辨方位估计的三维成像方法
• 3.1 高分辨方位估计基本概念
• 3.1.1 阵列信号模型
• 3.1.2 信号二维到达角几何关系及模型
• 3.2 二维MSB-RMU 算法成像
• 3.2.1 MSB-RMU 算法
• 3.2.2 二维MSB-RMU 算法三维成像
• 3.3 参数配对方法
• 3.3.1 信号强度估计
• 3.3.2 参数配对方法一
• 3.3.3 参数配对方法二
• 3.4 参数自动配对的二维DOA 估计方法
• 3.4.1 基本原理
• 3.4.2 相干源情况下的变形
• 3.5 仿真实验分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 成像算法仿真及结果分析
• 4.1 信号的参数
• 4.2 目标仿真模型及回波信号
• 4.2.1 目标仿真模型
• 4.2.2 目标回波信号仿真
• 4.3 基于常规波束形成技术的三维成像方法仿真
• 4.3.1 单点情况仿真
• 4.3.2 立方体目标仿真
• 4.4 二维MSB-RMU 算法成像仿真
• 4.4.1 单点情况仿真
• 4.4.2 立方体目标仿真
• 4.5 参数自动配对的二维DOA 估计方法成像仿真
• 4.5.1 单点情况仿真
• 4.5.2 立方体目标仿真
• 4.6 仿真结果分析
• 4.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢