[发明专利]水下运动目标的二维散射特性测量方法

说明书

技术领域

本发明属于水下目标二维散射特性测量领域，涉及一种利用合成孔径原理来测量水下运动目标的二维散射特性测量方法。

背景技术

目前，水下目标的散射特性测量研究主要采用基于真实孔径的方法。该方法在实际应用时，存在如下问题：

(1)为了提高水下目标散射特性的测量分辨率，需要建立大尺寸的真实孔径声纳阵列，带来成本上的提高和布放的困难；

(2)真实孔径方法难以获得远距离目标的二维高分辨率散射特性。

采用合成孔径技术，可以很好地解决上述问题。目前，采用合成孔径技术对水下目标成像主要有两种方法，包括合成孔经声纳和逆合成孔径声纳。

合成孔径声纳利用声纳基阵沿空间做匀速直线运动形成大的孔径，水下目标静止不动，对接收到的回波信号进行相干处理，获得目标的高分辨二维散射特性。合成孔径声纳主要用于海底测绘、沉底掩埋物探测等。由于目标在水中悬停很难做到，因而合成孔径声纳在实际水下目标二维散射特性测量中难以应用。

逆合成孔径声纳利用目标的自身运动形成孔径，目标做非合作的运动，其运动特性及参数未知，通常需要对回波信号进行基于回波的运动补偿，将其补偿为转台成像模型，即利用静止声纳基阵对围绕某参考点做旋转运动的目标进行成像。该方法需要高信噪比，难以走向实用。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述背景技术存在的不足，提出一种基于合成孔径原理的水下合作运动目标二维散射特性测量方法，使其能方便准确地测量水下装备的散射特性，从而达到缩减水下装备的声散射强度。

为实现上述目的，本发明采用如下方案：

水下运动目标的二维散射特性测量方法，其特征是主动声纳接收阵和发射阵固定不动，发射阵发射信号，接收阵接收运动方向和运动速度已知的水下直线运动目标的回波，对接收到的回波信号进行合成孔径成像处理，得到目标在距离和方位维的二维高分辨率散射特性。

在上述方案中，在合成孔径成像处理过程中，首先对回波信号进行脉冲压缩得到距离像，然后对脉冲压缩后的回波信号进行方位向聚焦处理得到方位像，从而得到目标的二维散射特性。

在上述方案中，在对回波信号进行合成孔径成像处理前，利用运动传感器测量目标的升沉、侧移、纵荡、俯仰、偏航和横滚运动误差，根据测得的运动误差并结合目标的几何外形，对回波信号进行径向运动误差补偿和角度运动误差补偿。

本发明采用逐点运动补偿方法对回波信号进行径向运动误差补偿和角度运动误差补偿。

上述径向运动误差补偿和角度运动误差补偿是将回波信号补偿为目标做匀速直线运动下的回波信号。目标的径向运动误差和角度运动误差可用六个自由度来描述，包括升沉、侧移、纵荡、俯仰、偏航和横滚，如图2所示。图中，I、II、III、IV、V、VI分别表示升沉、侧移、纵荡、俯仰、偏航和横滚。径向运动误差主要由升沉、侧移和纵荡线运动引起，角度运动误差主要由俯仰、偏航和横滚角运动引起。

上述径向运动误差补偿和角度运动误差补偿采用基于运动传感器或运动误差测量装置的逐点运动补偿方法。通过运动误差测量装置，如姿态传感器等，可以测得目标上某点在任意时刻的姿态角，通过运动传感器，如目标自身所配置的惯导设备等，可以测得目标上参考点在任意时刻的位置坐标。结合目标的几何外形及所测得的目标上参考点瞬时姿态角和位置坐标，对目标的运动做必要的补偿。

上述基于运动传感器或运动误差测量装置的逐点运动误差补偿方法，示意图如图3所示，图中1表示声纳基阵，2表示目标，3表示接收阵，4表示发射阵，k表示接收阵元。以目标上某散射点M为例，针对发射信号为窄带信号的情形，该运动补偿方法补偿因目标的径向运动误差和角度运动误差而引起的相位误差，具体公式为：

其中，Φ是应补偿的因目标径向运动误差和角度运动误差而引起的相位误差，r_le和分别是结合运动传感器得到的某时刻发射阵元和第k个接收阵元到目标上散射点M的距离值，r₁和分别是该时刻发射阵元和第k个接收阵元到匀速直线运动目标上散射点M的距离值，λ是发射信号波长，k≥1。

本发明的具体步骤为：

1、声纳接收阵和发射阵固定不动，发射阵发射大带宽信号；

2、待测量目标以近似直线运动方式通过声纳发射阵波束和接收阵波束覆盖的区域；

3、声纳接收阵接收目标的回波信号，经过放大和滤波后传到数据采集卡；

4、数据采集卡接收到同步信号后，经过固定的延时以一定的采集频率采集等长的目标回波信号，并存储到计算机；