專利名稱：水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的二維散射特性測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于水下目標(biāo)二維散射特性測(cè)量領(lǐng)域，涉及一種利用合成孔徑原理 來測(cè)量水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的二維散射特性測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
目前，水下目標(biāo)的散射特性測(cè)量研究主要采用基于真實(shí)孔徑的方法。該方 法在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，存在如下問題
(1) 為了提高水下目標(biāo)散射特性的測(cè)量分辨率，需要建立大尺寸的真實(shí)孔徑 聲納陣列，帶來成本上的提高和布放的困難；
(2) 真實(shí)孔徑方法難以獲得遠(yuǎn)距離目標(biāo)的二維高分辨率散射特性。 采用合成孔徑技術(shù)，可以很好地解決上述問題。目前，采用合成孔徑技術(shù)
對(duì)水下目標(biāo)成像-"t要有兩種方法，包括合成孔經(jīng)聲納和逆合成孔徑聲納。
合成孔徑聲納利用聲納基陣沿空間做勻速直線運(yùn)動(dòng)形成大的孔徑，水下目 標(biāo)靜止不動(dòng)，對(duì)接收到的回波信號(hào)進(jìn)行相干處理，獲得目標(biāo)的高分辨二維散射 特性。合成孔徑聲納主要用于海底測(cè)繪、沉底掩埋物探測(cè)等。由于目標(biāo)在水中 懸停很難做到，因而合成孔徑聲納在實(shí)際水下目標(biāo)二維散射特性測(cè)量中難以應(yīng) 用。
逆合成孔徑聲納利用目標(biāo)的自身運(yùn)動(dòng)形成孔徑，目標(biāo)做非合作的運(yùn)動(dòng)，其 運(yùn)動(dòng)特性及參數(shù)未知，通常需要對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行基于回波的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，將其補(bǔ) 償為轉(zhuǎn)臺(tái)成像模型，即利用靜止聲納基陣對(duì)圍繞某參考點(diǎn)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)進(jìn) 行成像。該方法需要高信噪比，難以走向?qū)嵱谩?br>
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決上述背景技術(shù)存在的不足，提出一種基于合成孔
徑原理的水下合作運(yùn)動(dòng)目標(biāo)二維散射特性測(cè)量方法，使其能方便準(zhǔn)確地測(cè)量水 下裝備的散射特性，從而達(dá)到縮減水下裝備的聲散射強(qiáng)度。 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下方案
水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的二維散射特性測(cè)量方法，其特征是主動(dòng)聲納接收陣和發(fā)射 陣固定不動(dòng)，發(fā)射陣發(fā)射信號(hào)，接收陣接收運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)速度已知的水下直 線運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的回波，對(duì)接收到的回波信號(hào)進(jìn)行合成孔徑成像處理，得到目標(biāo)在 距離和方位維的二維高分辨率散射特性。
在上述方案中，在合成孔徑成像處理過程中，首先對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行脈沖壓 縮得到距離像，然后對(duì)脈沖壓縮后的回波信號(hào)進(jìn)行方位向聚焦處理得到方位像， 從而得到目標(biāo)的二維散射特性。
在上述方案中，在對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行合成孔徑成像處理前，利用運(yùn)動(dòng)傳感器 測(cè)量目標(biāo)的升沉、側(cè)移、縱蕩、俯仰、偏航和橫滾運(yùn)動(dòng)誤差，根據(jù)測(cè)得的運(yùn)動(dòng) 誤差并結(jié)合目標(biāo)的幾何外形，對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行徑向運(yùn)動(dòng)誤差補(bǔ)償和角度運(yùn)動(dòng)誤 差補(bǔ)償。
本發(fā)明采用逐點(diǎn)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行徑向運(yùn)動(dòng)誤差補(bǔ)償和角度運(yùn) 動(dòng)誤差補(bǔ)償。
上述徑向運(yùn)動(dòng)誤差補(bǔ)償和角度運(yùn)動(dòng)誤差補(bǔ)償是將回波信號(hào)補(bǔ)償為目標(biāo)做勻 速直線運(yùn)動(dòng)下的回波信號(hào)。目標(biāo)的徑向運(yùn)動(dòng)誤差和角度運(yùn)動(dòng)誤差可用六個(gè)自由 度來描述，包括升沉、側(cè)移、縱蕩、俯仰、偏航和橫滾，如圖2所示。圖中， I、 II、 III、 W、 V、 VI分別表示升沉、側(cè)移、縱蕩、俯仰、偏航和橫滾。徑 向運(yùn)動(dòng)誤差主要由升沉、側(cè)移和縱蕩線運(yùn)動(dòng)引起，角度運(yùn)動(dòng)誤差主要由俯仰、 偏航和橫滾角運(yùn)動(dòng)引起。
上述徑向運(yùn)動(dòng)誤差補(bǔ)償和角度運(yùn)動(dòng)誤差補(bǔ)償采用基于運(yùn)動(dòng)傳感器或運(yùn)動(dòng)誤
差測(cè)量裝置的逐點(diǎn)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法。通過運(yùn)動(dòng)誤差測(cè)量裝置，如姿態(tài)傳感器等， 可以測(cè)得目標(biāo)上某點(diǎn)在任意時(shí)刻的姿態(tài)角，通過運(yùn)動(dòng)傳感器，如目標(biāo)自身所配 置的慣導(dǎo)設(shè)備等，可以測(cè)得目標(biāo)上參考點(diǎn)在任意時(shí)刻的位置坐標(biāo)。結(jié)合目標(biāo)的 幾何外形及所測(cè)得的目標(biāo)上參考點(diǎn)瞬時(shí)姿態(tài)角和位置坐標(biāo)，對(duì)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)做必
要的補(bǔ)償。
卜.述基于運(yùn)動(dòng)傳感器或運(yùn)動(dòng)誤差測(cè)量裝置的逐點(diǎn)運(yùn)動(dòng)誤差補(bǔ)償方法，示意
圖如圖3所示，圖中l(wèi)表示聲納基陣，2表示目標(biāo)，3表示接收陣，4表示發(fā)射 陣，/t表示接收陣元。以目標(biāo)上某散射點(diǎn)M為例，針對(duì)發(fā)射信號(hào)為窄帶信號(hào)的 情形，該運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法補(bǔ)償因目標(biāo)的徑向運(yùn)動(dòng)誤差和角度運(yùn)動(dòng)誤差而引起的相 位誤差，具體公式為
其中，zl^是應(yīng)補(bǔ)償?shù)囊蚰繕?biāo)徑向運(yùn)動(dòng)誤差和角度運(yùn)動(dòng)誤差而引起的相位誤 差，。。和《分別是結(jié)合運(yùn)動(dòng)傳感器得到的某時(shí)刻發(fā)射陣元和第A:個(gè)接收陣元到 目標(biāo)上散射點(diǎn)M的距離值，r,和《分別是該時(shí)刻發(fā)射陣元和第&個(gè)接收陣元到 勻速直線運(yùn)動(dòng)目標(biāo)上散射點(diǎn)M的距離值，A是發(fā)射信號(hào)波長(zhǎng)，A21。
本發(fā)明的具體步驟為-
1、 聲納接收陣和發(fā)射陣固定不動(dòng)，發(fā)射陣發(fā)射大帶寬信號(hào)；
2、 待測(cè)量目標(biāo)以近似直線運(yùn)動(dòng)方式通過聲納發(fā)射陣波束和接收陣波束覆蓋 的區(qū)域；
3、 聲納接收陣接收目標(biāo)的回波信號(hào)，經(jīng)過放大和濾波后傳到數(shù)據(jù)采集卡；
4、 數(shù)據(jù)采集卡接收到同步信號(hào)后，經(jīng)過固定的延時(shí)以一定的采集頻率采集 等長(zhǎng)的目標(biāo)回波信號(hào)，并存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)；
5、 數(shù)據(jù)采集的同時(shí)，采集運(yùn)動(dòng)傳感器或運(yùn)動(dòng)誤差測(cè)量裝置的數(shù)據(jù)；
6、計(jì)算機(jī)對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償和成像處理，得到目標(biāo)的二維散射特性。 本發(fā)明利用小尺寸基陣可以得到水下目標(biāo)的二維高分辨率散射特性，具有
設(shè)備簡(jiǎn)單，水下部分布放方便的優(yōu)點(diǎn)。
該方法可用于水下裝備的散射特性測(cè)量。在水下裝各的研制論證階段，對(duì)
其二維散射特性進(jìn)行測(cè)量，指示出強(qiáng)散射點(diǎn)的二維位置，通過對(duì)強(qiáng)散射點(diǎn)的散
射強(qiáng)度進(jìn)行控制，從而達(dá)到縮減全艇的聲散射強(qiáng)度。


圖l本發(fā)明示意圖。
圖2目標(biāo)的6自由度運(yùn)動(dòng)。
圖3逐點(diǎn)運(yùn)動(dòng)誤差補(bǔ)償方法示意圖。
圖4 實(shí)施例示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明示意圖如圖l所示，圖中，l表示聲納基陣，2表示目標(biāo)。 本實(shí)施例采用單接收陣，聲納基陣固定，目標(biāo)以速率F作勻速直線運(yùn)動(dòng)的 同時(shí)存在三維角運(yùn)動(dòng)，包括俯仰、偏航和橫滾。目標(biāo)的直線運(yùn)動(dòng)方向與聲納基 陣平行。假設(shè)聲納基陣收發(fā)共置，其與目標(biāo)的最短距離為〃，基陣與目標(biāo)的幾何
位置示意圖如圖4所示，圖中，i表示聲納基陣，2表示目標(biāo)，i、 n和ni分別
表示俯仰、偏航和橫滾。
以目標(biāo)上某散射點(diǎn)尸為例，該實(shí)施例的具體流程如下 (1)設(shè)計(jì)信號(hào)源，按照預(yù)定的脈沖重復(fù)間隔尸^產(chǎn)生門控信號(hào)和線性調(diào)頻脈 沖窄帶信號(hào)，其表達(dá)式為
(r) = ""(7)expC/2;r/0r + 乂"尺一) (2)
其中，re"(q)表示矩形脈沖，r是脈沖寬度，r是時(shí)間變量，/。是載頻，《是
調(diào)頻斜率，exp(U)表示指數(shù)函數(shù)，y'表示虛數(shù)單位。
(2) 將線性調(diào)頻信號(hào)經(jīng)過功率放大器后傳到聲納發(fā)射陣；
(3) 聲納發(fā)射陣發(fā)射線性調(diào)頻脈沖信號(hào)，照射前述運(yùn)動(dòng)目標(biāo)；
(4) 聲納接收陣接收散射點(diǎn)P的回波信號(hào)，經(jīng)過放大和濾波后傳到數(shù)據(jù)采集
卡；
(5) 數(shù)據(jù)采集卡接收到同歩信號(hào)后，經(jīng)過固定的延時(shí)以一定的采集頻率采集 等長(zhǎng)的目標(biāo)回波信號(hào)，并存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)，目標(biāo)回波^(^。的表達(dá)式為
"(w)".—I^￡)exp[yW—層c) (3)
其中，」是回波信號(hào)幅度，i^,"是散射點(diǎn)P到聲納基陣的瞬時(shí)距離，^表示時(shí) 刻，C是聲速。
(6) 數(shù)據(jù)采集的同時(shí)，采集運(yùn)動(dòng)誤差測(cè)量裝置測(cè)得的數(shù)據(jù)；
(7) 對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償和信號(hào)處理，得到目標(biāo)的二維散射特性。 在本實(shí)施例中，在對(duì)接收到的回波信號(hào)進(jìn)行處理時(shí)，首先利用匹配濾波方
法對(duì)相干解調(diào)后的回波信號(hào)做脈沖壓縮處理，得到脈沖壓縮后的回波信號(hào) ^(Z,r;r)為
"r力二 乂 sinc(;r燈[r -^i^]}exp[-y.學(xué)刑W)] (4)
其中，乂是脈沖壓縮后的回波信號(hào)幅度最大值，sinc(QNsin(q)/(q)。
其次由于目標(biāo)散射點(diǎn)的三維角運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的相位誤差，使得方位向無法聚焦， 必須做運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，具體分析如下-
假設(shè)目標(biāo)的三維角運(yùn)動(dòng)依次為偏航、俯仰和橫滾。如圖4，建立聲納坐標(biāo)系 (M，V,W)和目標(biāo)坐標(biāo)系(X，少，Z)。聲納基陣位于聲納坐標(biāo)系原點(diǎn)o，目標(biāo)上散射點(diǎn)戶 在目標(biāo)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為(x,乂z)。 f^0時(shí)刻，目標(biāo)坐標(biāo)系的原點(diǎn)(9以及目標(biāo)上散
射點(diǎn)尸在聲納坐標(biāo)系中的坐標(biāo)分別為("。,W,W。)、 (W十X，W+乂Wo+Z)。在任意時(shí)刻。
目標(biāo)坐標(biāo)系的原點(diǎn)6>在聲納坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為(^0)^(0,,0))= (^+W,^，司，H 為常量，散射點(diǎn)尸在聲納坐標(biāo)系中的坐標(biāo)(屮),v(0，w(0)為
<formula>formula see original document page 8</formula>
其中，WW(f)是該時(shí)刻的旋轉(zhuǎn)矩陣，i O/(,) = y"H{《(f)]./^C/7[A(0]Jo//[《(0]，《(0、 《W和《(0分別是偏航、俯仰和橫滾三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)分量所轉(zhuǎn)過的角度，^W[《(f)]、
投A[《(0]和^//[《別分別是該時(shí)刻偏航、俯仰和橫滾三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)分量的旋轉(zhuǎn)矩陣，
滿足
<formula>formula see original document page 8</formula>
"22") = sin(《(0) sin(《(/)) sin(《(/》+ cos(《(/)) cos(《(/)) 0) = sin(《(0) sin( & (0) cos(^ (0) — cos(《(0) sin(《0)) "31(f) = -sin"))
a33 (0 = cos(《(Y)) cos(《(0) 為簡(jiǎn)單起見，令^ = 0， W(,) = F。假設(shè)在/時(shí)刻發(fā)射信號(hào)，則經(jīng)過A/時(shí)間， 即在f + A時(shí)刻，接收陣接收到散射點(diǎn)尸的回波信號(hào)，此時(shí)，該散射點(diǎn)在聲納坐 標(biāo)系中的坐標(biāo)("0 + A0，+ A0, w(/ + △/))為
<formula>formula see original document page 9</formula>
此處，認(rèn)為A,是由目標(biāo)的勻速直線運(yùn)動(dòng)引起的，經(jīng)過簡(jiǎn)單的幾何關(guān)系推導(dǎo)，
可，
守<formula>formula see original document page 9</formula>
將式(11)代入式(10)就可以得到散射點(diǎn)的瞬時(shí)坐標(biāo)，從而該散射點(diǎn)距離聲納
，妾4夂P車的足巨離+ + AO]2 + + AO]2 + + AO]2 °結(jié)合式(4)，令
/ (/，, ) = i (/ + ，對(duì)應(yīng)相位為0 = —維。。
從前面的推導(dǎo)可以看出，用于后續(xù)方位向聚焦處理的相位項(xiàng)exp(W)由目標(biāo) 的勻速直線運(yùn)動(dòng)和三維角運(yùn)動(dòng)兩部分引起。其中，目標(biāo)勻速直線運(yùn)動(dòng)部分引起
的相位項(xiàng)對(duì)方位向聚焦處理是有用的，而三維角運(yùn)動(dòng)引起的相位項(xiàng)對(duì)方位向聚 焦處理是無益的，甚至?xí)?yán)重影響方位向的聚焦處理，使方位向散焦。因此必 須對(duì)脈沖壓縮后的回波信號(hào)做運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。
本實(shí)施例采用基于運(yùn)動(dòng)誤差測(cè)量裝置的逐點(diǎn)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法，對(duì)角運(yùn)動(dòng)引起 的相位誤差進(jìn)行補(bǔ)償，將相位補(bǔ)償為勻速直線運(yùn)動(dòng)下的相位，如式(12)所示，
李爭(zhēng)[，),;r)] (12)
其中，A-是應(yīng)補(bǔ)償?shù)囊蚰繕?biāo)角度運(yùn)動(dòng)誤差而引起的相位誤差，《"O是結(jié)合運(yùn) 動(dòng)誤差測(cè)量裝置得到的散射點(diǎn)到聲納基陣距離的測(cè)量值，《"r)是勻速直線運(yùn)動(dòng)
下散射點(diǎn)到聲納基陣的距離值。
運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償后的回波信號(hào)如式(13)所示，
&(,,^)= "r;0.eXp{y^^[i e(,(13)
最后對(duì)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償后的回波信號(hào)做方位向聚焦處理，如式(14)，得到目標(biāo)的二 維散射特性/一,x)，
_[々(^;r)exp[j'，.A/ C)]^ (14)
其中，i 0;r)是積分路徑，r。
權(quán)利要求
1.水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的二維散射特性測(cè)量方法，其特征是主動(dòng)聲納接收陣和發(fā)射陣固定不動(dòng)，發(fā)射陣發(fā)射信號(hào)，接收陣接收運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)速度已知的水下直線運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的回波，對(duì)接收到的回波信號(hào)進(jìn)行合成孔徑成像處理，得到目標(biāo)在距離和方位維的二維高分辨率散射特性。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的二維散射特性測(cè)量方法，其特征 是在合成孔徑成像處理過程中，首先對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行脈沖壓縮得到距離像，然 后對(duì)脈沖壓縮后的回波信號(hào)進(jìn)行方位向聚焦處理得到方位像，從而得到目標(biāo)的 二維散射特性。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的二維散射特性測(cè)量方法，其特征 是在對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行合成孔徑成像處理前，利用運(yùn)動(dòng)傳感器測(cè)量目標(biāo)的升沉、 側(cè)移、縱蕩、俯仰、偏航和橫滾運(yùn)動(dòng)誤差，根據(jù)測(cè)得的運(yùn)動(dòng)誤差并結(jié)合目標(biāo)的 幾何外形，對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行徑向運(yùn)動(dòng)誤差補(bǔ)償和角度運(yùn)動(dòng)誤差補(bǔ)償。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的二維散射特性測(cè)量方法， 其特征是采用逐點(diǎn)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行徑向運(yùn)動(dòng)誤差補(bǔ)償和角度運(yùn)動(dòng) 誤差補(bǔ)償。
全文摘要
本發(fā)明屬于目標(biāo)二維散射特性測(cè)量領(lǐng)域，涉及一種水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的二維散射特性測(cè)量方法，其特征是主動(dòng)聲納接收陣和發(fā)射陣固定不動(dòng)，發(fā)射陣發(fā)射信號(hào)，接收陣接收運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)速度已知的水下直線運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的回波，對(duì)接收到的回波信號(hào)進(jìn)行合成孔徑成像處理，得到目標(biāo)在距離和方位維的二維高分辨率散射特性。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是利用小尺寸基陣可以得到水下目標(biāo)二維高分辨率散射特性，設(shè)備簡(jiǎn)單，水下部分容易布放。
文檔編號(hào)G01S7/539GK101369021SQ20081019718
公開日2009年2月18日 申請(qǐng)日期2008年10月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月9日
發(fā)明者劉丹丹, 唐勁松, 森 張, 穎 曹, 李桂娟, 錚 王, 陳云飛, 魏國(guó)珩 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍海軍工程大學(xué)