多波束合成孔徑聲納模型仿真與成像技術(shù)研究.pdf

1、目前國(guó)內(nèi)外在成像聲納技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)主要是以多波束測(cè)深聲納、側(cè)掃聲納以及側(cè)掃合成孔徑聲納為主。其中多波束測(cè)深聲納雖然測(cè)深精度高，能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)區(qū)域的全覆蓋測(cè)繪但是其受波束腳印大小的影響，航跡向上的分辨力較低。傳統(tǒng)的側(cè)掃聲納和側(cè)掃合成孔徑聲納雖然能夠?qū)崿F(xiàn)海底地形地貌的成像，但是其并不具備高精度測(cè)深能力并且受自身聲納原理的影響，無(wú)法解決正下方的測(cè)繪隙區(qū)問(wèn)題。基于此，本文在結(jié)合多波束測(cè)深聲納技術(shù)和合成孔徑聲納技術(shù)的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地提出基于國(guó)產(chǎn)多波束測(cè)深

2、聲納的多波束合成孔徑聲納原理及成像技術(shù)驗(yàn)證方案，主要針對(duì)多波束合成孔徑聲納的模型仿真、三維仿真數(shù)據(jù)生成方法、空間域成像算法、運(yùn)動(dòng)誤差估計(jì)以及水池試驗(yàn)論證幾個(gè)方面展開(kāi)研究，具體的研究?jī)?nèi)容包括：
　　1、基于多波束合成孔徑聲納的原理提出線陣多波束合成孔徑聲納的理論仿真模型。論文分析指出要實(shí)現(xiàn)航跡向的合成孔徑以及水平距離向的波束形成就需要一個(gè)能兼顧合成孔徑技術(shù)以及多波束測(cè)深技術(shù)的聲納模型，而直接應(yīng)用多波束測(cè)深聲納原理和合成孔徑聲納原理簡(jiǎn)

3、單結(jié)合，必將導(dǎo)致多波束合成孔徑聲納的設(shè)計(jì)復(fù)雜，體積規(guī)模龐大。論文首先提出線陣多波束合成孔徑聲納的理論仿真模型，在此基礎(chǔ)上，為了有效地提高測(cè)繪速度同時(shí)不降低航跡向分辨力提出利用多子陣技術(shù)、頻率分集技術(shù)、脈沖壓縮技術(shù)、單相位中心多發(fā)射波束技術(shù)以及雙發(fā)射式技術(shù)等優(yōu)化的多波束合成孔徑聲納理論仿真模型，降低多波束合成孔徑聲納基陣規(guī)模，滿足多波束合成孔徑聲納的空間域合成孔徑成像需求。
　　2、提出基于立體模型的多波束合成孔徑聲納三維形貌恢復(fù)仿

4、真數(shù)據(jù)生成法。論文在研究線陣多波束合成孔徑聲納理論仿真模型的基礎(chǔ)上，提出點(diǎn)目標(biāo)三維仿真數(shù)據(jù)生成法并分析指出其三維仿真數(shù)據(jù)生成方法可以分解為構(gòu)圖、陰影計(jì)算、時(shí)延表回波仿真、成像四個(gè)步驟。而這幾個(gè)步驟中構(gòu)圖與陰影計(jì)算十分龐大，使得點(diǎn)目標(biāo)三維仿真數(shù)據(jù)生成法較繁瑣。論文結(jié)合計(jì)算機(jī)視覺(jué)處理技術(shù)提出基于立體模型的多波束合成孔徑聲納三維形貌恢復(fù)仿真數(shù)據(jù)生成法。利用已知合成孔徑圖像的表面灰度值反向求解目標(biāo)曲率，直接生成多波束合成孔徑聲納可使用的三維數(shù)據(jù)

5、點(diǎn)坐標(biāo)，替代點(diǎn)目標(biāo)三維仿真數(shù)據(jù)生成法中的構(gòu)圖和陰影計(jì)算兩個(gè)步驟，有效地解決了點(diǎn)目標(biāo)三維仿真數(shù)據(jù)生成法繁瑣的問(wèn)題。最后論文使用合成孔徑成像的方法對(duì)基于立體模型的多波束合成孔徑聲納三維形貌恢復(fù)仿真數(shù)據(jù)生成法構(gòu)造的數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，驗(yàn)證算法的有效性。
　　3、提出多波束合成孔徑聲納空間域成像方法及其優(yōu)化方法。論文首先分析柵瓣問(wèn)題對(duì)多波束合成孔徑聲納成像的影響，分析航跡向柵瓣的出現(xiàn)機(jī)理以及對(duì)多波束合成孔徑聲納成像的影響，論述寬帶低Q、頻率分集

6、等航跡向抑制柵瓣方法，并運(yùn)用在線陣多波束合成孔徑聲納優(yōu)化理論仿真模型設(shè)計(jì)上。然后探討多波束合成孔徑聲納的成像方法，利用其空間域優(yōu)勢(shì)提出高精確度多波束合成孔徑聲納空間域逐點(diǎn)成像算法，并從點(diǎn)目標(biāo)和多目標(biāo)兩個(gè)角度分析多波束合成孔徑聲納空間域逐點(diǎn)成像算法的成像結(jié)果與側(cè)掃合成孔徑聲納成像結(jié)果以及多波束測(cè)深聲納成像結(jié)果的異同，分析多波束合成孔徑聲納的航跡向分辨力、水平距離向分辨力以及測(cè)深能力。從對(duì)比中總結(jié)多波束合成孔徑聲納的成像特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。然后針對(duì)

7、多波束合成孔徑聲納的空間域逐點(diǎn)成像計(jì)算處理比較消耗時(shí)間的問(wèn)題提出優(yōu)化的空間域逐線法，并分析空間域逐線算法的受限性，指出其需要更為準(zhǔn)確的航跡向的均勻采樣以及更為精確的載體定位支持。最后論文提出優(yōu)化的空間域快速后向散射成像法，在空間域逐點(diǎn)算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行子孔徑極坐標(biāo)劃分，利用子孔徑分割與圖像合并節(jié)約計(jì)算量，并使用其仿真結(jié)果同多波束合成孔徑空間域逐點(diǎn)成像算法的成像結(jié)果做對(duì)比，驗(yàn)證算法的有效性。
　　4、針對(duì)現(xiàn)有的等效相位中心法存在的二維

8、運(yùn)動(dòng)近似誤差和估計(jì)誤差積累問(wèn)題，圖像匹配法存在的分辨誤差問(wèn)題，分別提出結(jié)合n階AR數(shù)學(xué)模型和卡爾曼濾波法的多波束等效相位中心法和子孔徑圖像配準(zhǔn)法。首先論文對(duì)主要影響合成孔徑聲納航跡向合成的運(yùn)動(dòng)誤差方式進(jìn)行探討，分析航偏，側(cè)移以及橫滾載體運(yùn)動(dòng)誤差估計(jì)方式的特點(diǎn)。然后論文分析由于側(cè)掃合成孔徑聲納原理帶來(lái)的常規(guī)等效相位中心法忽略來(lái)波角度造成的二維運(yùn)動(dòng)近似誤差問(wèn)題，提出利用多波束測(cè)深聲納技術(shù)在航跡向每個(gè)采樣點(diǎn)解算來(lái)波角度的多波束等效相位中心法，

9、并結(jié)合基于n階AR模型預(yù)測(cè)和卡爾曼濾波對(duì)估計(jì)誤差積累進(jìn)行修正，降低多波束等效相位中心運(yùn)動(dòng)誤差估計(jì)法的估計(jì)誤差積累量，提高估計(jì)精度。然后針對(duì)傳統(tǒng)的圖像匹配運(yùn)動(dòng)誤差估計(jì)法應(yīng)用中存在的分辨誤差問(wèn)題，在分析子孔徑計(jì)算的分辨力同圖像匹配之間的關(guān)系的基礎(chǔ)上，提出使用快速后向散射算法的中間步驟進(jìn)行圖像相關(guān)匹配運(yùn)算的橫滾載體運(yùn)動(dòng)誤差估計(jì)方法。最后通過(guò)仿真驗(yàn)證其算法的有效性。
　　5、結(jié)合水池試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證線陣多波束合成孔徑模型及理論的正確性，并與側(cè)