水下小目标合成孔径声呐层析成像技术研究

水下小目标精细成像对于正确识别水下目标具有重要意义。目前,多波束成像声呐和条带合成孔径声呐是获取水下小目标图像的主要手段。水下目标的判别主要利用了目标图像的亮点特征,即使是同一目标从不同方位观测时得到的结果也可能差异较大,这给快速识别确认目标带来了困难。为解决该问题,提出了利用圆周合成孔径声呐对水下小目标进行水声层析成像信号处理方法,提高了声呐的多角度融合观测能力。仿真及试验数据处理结果表明,合成孔径声呐层析成像方法能够获得目标外形轮廓精细特征,有利于水下小目标的正确识别。     

相关测速声呐模型参数矩阵化求解方法

相关测速声呐的基本原理是“波形不变性”。该原理指出：发射具有一定时间间隔的信号，接收回波相关性最大的两个基元之间的间距与载体移动速度成正比。相关测速算法首先通过回波数据构建数据相关矩阵，然后利用速度估计算法将理论相关模型和回波数据构建的相关矩阵进行拟合得到最优参数信息，进而解算出载体速度信息。文章以简化最优参数求解流程为目标，提出了基于矩阵推导的参数拟合运算方法。该方法通过将底混响时空相关函数模型中的目标参量进行分离，进而将函数转变为矩阵形式，随后通过矩阵QR分解等手段，根据局部最小二乘法推导目标参数的求解公式，并直接求解出目标参数的解析解。仿真和湖上试验数据验证了该方法可以作为一种速度解算方法的可行性，并且具有运算复杂度低的优点。     

多接收阵合成孔径声纳数据滤波重构算法

在合成孔径声纳(Synthetic Aperture Sonar,SAS)成像中,多接收阵模式通常采用等效相位中心(Displaced Phase Center,DPC)近似处理方法,它实质上是将多接收阵回波数据与单接收阵回波数据的区别看成系统误差,在成像处理前或成像处理过程中补偿掉该系统误差,但是该系统误差具有空变特...     

合成孔径声呐Chirp Scaling成像算法

在合成孔径声呐领域中经典的成像处理方法是距离-多普勒算法。距离-多普勒算法的主要缺点是在进行方位处理时需要进行距离二次脉压和在进行距离徙动校正时需要进行插值处理,这样将导致运算量迅速增加,并且降低了成像精度。而ChirpScaling算法是在二维频域中精确实现距离门徙动校正和二次距离压缩,避免了插值运算,用该算法处理了仿真点目标的回波数据,结果表明该算法既能够实现更加精确的成像又能够避免插值运算而提高运算效能。     

一种运动误差精确补偿的矩阵求和合成孔径成像算法

根据回波数据对波束范围内各目标合成孔径成像的贡献,将其变换为一个图像矩阵,不同回波数据的图像矩阵相干叠加,完成合成孔径处理。首次采用矩阵运算,相比于传统逐点延时求和向量运算,成像效率提高了一倍。提出了一种移位成像运动误差补偿算法,克服了传统补偿算法存在的相位误差方位空变性的影响,实现运动误差的精确补偿。仿真和试验数据处理结果都表明该算法具有成像效率高和运动误差补偿精确的优点。     

基于Hough变换的声呐航迹检测算法

为了提高声呐对目标航迹的检测性能，从单部声呐的时间融合的角度出发，提出了一种基于Hough变换的声呐信号检测算法．该算法把航迹上的观测点变换为参数空间的对应曲线，充分利用了一段时间内的目标观测数据，在低信噪比下也能从背景噪声中提取出目标的航迹特征，该算法有效地提高了声呐信号的检测概率，对部分信息和数据的缺失不敏感．仿真实验证明了算法的正确性。     

基于声呐历程累积图像的弱回波目标检测方法

针对浅海随机噪声与混响背景下蛙人等弱回波强度、慢速小目标的检测问题,提出一种基于声呐历程累积图像的目标检测方法。首先根据声呐图像时域、空域相关性,采用背景空时归一化处理技术,抑制声呐背景中的静态混响、突发性噪声等强回波干扰。声呐历程累积图像集成了多帧声呐图像的信息,目标回波亮点由于运动连续性形成亮线特征,利用该特征,采用Radon恒虚警率(Radon Constant False Alarm Rate,Radon-CFAR)检测声呐历程累积图像中的目标短时运动轨迹,能够检测到低信噪比的目标。分析了空时归一化处理和检测算法的性能,并通过海试数据验证了该算法的有效性,可以检测到低信噪比的蛙人目标回波。     

基于重叠互相关器的合成孔径水池实验研究

在过去十几年里,为了增加拖曳线列阵系统的空间增益、提高方位分辨率,各种合成孔径技术应运而生。针对AUV舷侧阵系统水下目标远程探测的研究需要,给出了基于重叠互相关器的合成孔径处理算法(OCSAP),这种方法是在假设AUV旁侧阵匀速直线航行前提下,通过在波束域利用FFT变换合成孔径,并且在连续的时间间隔内对子孔径信号进行相关处理来实现的。在对该算法进行计算机仿真研究的基础上,在消声水池中进行了8阵元合成48阵元以及单阵元合成8阵元的逆合成孔径实验研究,两种实验结果均验证了OCSAP算法的有效性和可行性。实验结果表明合成孔径处理与常规物理孔径处理相比具有较好的鲁棒性,并且在接收信号时域相关长度大于合成孔径所需时间的水下或海洋环境里,合成阵增益与等长的物理阵增益基本相等。     

基于跟踪起始准则的多基地声呐阵位优化算法

针对水下区域监视多基地声呐（如浮标等）发射、接收节点阵位布置问题,提出了一种基于跟踪起始准则的多基地声呐阵位优化算法。该算法首先在分布式和集中式两种多基地融合处理模式下,推导了目标跟踪起始概率计算准则,然后,基于区域目标成功跟踪起始覆盖率,建立了多基地声呐阵位优化数学模型,并采用粒子群算法来优化求解该非凸数学模型,从而得到全局最优的多基地声呐发射-接收阵位。仿真结果表明,在两种多基地融合处理模式下,优化后多基地声呐节点阵位,其区域目标跟踪起始覆盖率比典型经验方案有较大提高。     

融入频域先验信息压缩感知方法的主动声呐回波信号处理

针对弱信噪比时的水下主动声呐回波信号处理问题,从主动声呐入射信号和目标回波信号的先验信息出发,与压缩感知理论相结合,提出了融入频域先验信息的压缩感知方法（Compressed Sensing based on Fequency Prior Information,CSFPI）。针对主动声呐入射信号,获取其频域先验信息,将其作为“原子”融入信号的稀疏分解过程,构建完备频域先验稀疏矩阵。主动声呐回波信号可以等效为携带目标信息入射信号的线性叠加,将该特性与传统正交匹配追踪（Orthogonal Matching Pursuit,OMP）算法结合,形成基于“块”的正交匹配信号重构算法。采用CSFPI方法处理仿真信号来验证理论方法的正确性。进一步,通过主动声呐发射接收装置获取湖上实测数据,用CSFPI方法进行处理。当压缩比为50%、信噪比低至-5 dB时,重构信号的匹配率高于70%。实验结果表明了CSFPI算法在处理低信噪比声呐信号时的有效性。     

一种单矢量水听器通道增益一致性分析方法

单只矢量水听器通道增益一致性对空间谱估计结果有很大的影响。通过理论推导证明,当单矢量水听器声压通道增益不同于两路振速通道时,最小方差无失真响应(Minimum Variance Distortionless Response, MVDR)算法空间谱谱峰变宽,并且可能产生伪峰;当一路振速通道增益不同于另外两路通道时,MVDR算法空间谱估计值与真实值存在偏差,且可能存在伪峰,仿真分析验证了理论推导的正确性。根据分析结果,结合通道增益一致性对多重信号分类(MultipleSignal Classification, MUSIC)算法的影响,提出了一种判断单矢量水听器各通道增益一致性的分析方法。     

由矢量水听器阵列反演浅海地声参数

基于矢量水听器能够比传统的声压水听器提供更多的声场信息,文章提供了一种利用矢量水听器阵列（AVS）进行浅海地声参数反演的方法。首先,对声场矢量的传播规律进行了研究;其次,利用矢量匹配场（MFP）方法进行了海底声速的反演：最后利用声压和质点垂直振速的传播损失差反演了海底吸收。基于矢量水听器的海底参数反演方法主要具有下述优点：一是利用矢量匹配场反演海底声速能够有效减小参数估计误差：二是利用声场矢量传播损失差进行海底吸收反演能够排除信号源级起伏对反演的干扰。实验结果表明,基于矢量水听器阵列的海底参数反演能够很好的进行声场传播预报工作。     

基于潜标的海洋环境噪声测量系统

对海洋环境噪声测量系统技术进行了研究,设计和实现了一种基于潜标的海洋环境噪声测量系统,并进行了海上试验.该系统采用潜标的布放方式,利用矢量水听器测量浅海海洋环境噪声场的低频噪声.矢量水听器同步测量声场空间一点处的声压和质点振速三个正交分量, 测量信号经预处理后,对信号进行数模变换,得到的噪声数据可以在潜标中自记录或通过水面浮标传输到岸站存储.对噪声测量方法进行的分析和海上试验的结果表明,该系统稳定可靠,能正确地拾取海洋环境噪声.     

测量超声场声强用组合式水听器的设计方案

介绍1种可用于测量超声波声场强度的新型水听器。它是由声压型水听器与振速水听器在结构上组合为一体而构成,文中描述了这种水听器的基本结构型式,工作原理及特性。     

应用匹配场实现单矢量水听器的三维定位

将匹配场原理应用到单矢量水听器上实现声源的三维定位,根据声压、质点振速表达式进行推导,获得Bartlett相关表达式并进行分析和仿真。对仿真结果进行分析后指出:声压方法可以获得距离、深度估计,但无法区分角度;声压、轴向振速、法向振速组合可以区分角度并且分辨左右弦,但是同声压方法相比,距离深度分辨严重下降;而垂直振速、轴向振速、法向振速组合可以区分角度并且分辨左右弦,并且在距离、深度上比声压方法稍有提高。所以在单矢量水听器下,为了同时获得距离、深度、角度的估计,需要应用垂直振速、轴向振速、法向振速组合方法。     

单矢量水听器二维DOA估计算法

为了减小传统声压阵的布阵规模,提高传统声压阵的测量精度,利用矢量水听器的阵列流形特性,使用阵列信号处理的原理进行二维DOA估计。将单个矢量水听器理解成一个声压水听器和三个振速水听器组成的阵列,在无需知道信号先验知识的条件下,分别采用MUSIC算法和ESPRIT算法对多个不相关的单频窄带信号的二维DOA进行了估计。仿真结果表明:在高信噪比情况下,两种算法的精度都很高,优于5阵元的声压平行线阵。利用单矢量水听器能够对信号的二维到达角进行有效估计,远小于传统声压阵的布阵规模。     

矢量拖曳阵水听器流噪声探讨

拖曳阵声纳的左右舷模糊是实际应用中需要解决的问题。采用矢量水听器可以较好地解决此问题。采用波数．频率谱方法讨论同振柱形矢量水听器的流噪声。根据圆柱套管外壁湍流边界层的特点和同振柱形矢量水听器的工作原理,导出矢量水听器的声压通道和振速通道的噪声功率谱。通过数值积分法估计了流噪声功率谱与护套尺寸、水听器尺寸和拖曳速度等参数的关系。针对同振柱形矢量水听器的特点,所得结果有实际参考价值。     

基于单矢量水听器空间谱增强的MUSIC算法

针对单矢量水听器多重信号分类(Multiple Signal Classification,MUSIC)算法在低信噪比条件下,存在谱峰宽度变宽、估计精度变低等性能恶化的问题,提出一种基于单矢量水听器空间谱增强的改进MUSIC算法。该算法的基本原理是:单声源入射到单只矢量水听器上时,加一参考信号源,若两者方位相同,则同方位叠加使空间谱增强;若两者方位不相同,则两方位合成,使空间谱估计产生偏差。因此,改变参考信号源的方位,当参考信号源的方位与信号源的方位一致时,将使谱峰得到增强,此时空间谱达到最大值,其对应的角度即为信号源的方位角。仿真分析及实验数据处理结果表明,与常规MUSIC算法相比,该算法具有更尖锐的谱峰、更高的估计精度,能够实现更好的空间谱估计。     

一种基于PFA的多子阵聚束合成孔径声呐成像方法

文章提出了一种基于极坐标格式算法（Polar Format Algorithm,PFA）进行聚束多子阵合成孔径声呐成像的改进方法,建立了非“停-走-停”条件下的斜视成像模型,推导了信号由时域到波数域的解析表达式,给出了信号处理流程。该方法首先使用场景中心点的精确距离史对平台运动误差进行补偿,并通过极坐标算法处理得到粗聚焦的图像。其次,为了解决非场景中心点的残余空变相位误差的补偿问题,对粗聚焦图像进行分块自聚焦处理,使场景边缘点的聚焦效果得到改善。最后,经过子图拼接及几何校正后得到完整的精聚焦图像。仿真及分析结果表明,该方法提高了方位向性能指标,同时也能准确补偿平台运动误差,可以很好地应用于多子阵声呐成像。该方法在大运动误差、大斜视情况下仍具有较好的鲁棒性。     

Wideband multipath rejection for shallow water synthetic aperture sonar imaging

Synthetic aperture sonar (SAS) is an emerging technology for seafloor imaging, which has an appealing property of range- and frequency-independent spatial processing resolution. However, for a low-frequency SAS system operated in shallow water environments, there are often strong sea surface and bottom reflected multipath components that interfere with the desired echo signals. Based upon a small vertically displaced hydrophone array, several spatial processing algorithms have been proposed for multipath reduction. Most of these algorithms, however, are only applicable to narrowband signals, whereas wideband signals are usually used in low-to-medium-frequency SAS systems in order to achieve a high range resolution. This paper presents a steered robust Capon beamforming (SRCB) approach, and applies the approach, together with the data-independent delay-and-sum beamforming and the conventional wideband robust Capon beamforming, to wideband multipath rejection for shallow water SAS imaging. Numerical simulations of the proposed SAS processing have verified the performance improvements on output image quality over conventional processing in terms of both ghost target strength reduction and contrast enhancement.