[发明专利]一种二维多波束合成孔径声呐目标回波仿真方法

说明书

本发明提供一种二维多波束合成孔径声呐目标回波仿真方法，包括以下步骤：利用旋转矩阵计算非理想航迹情况下的声呐载体运动轨迹，根据二维基阵阵列流型获得不同采样位置处的发射阵元和所有接收阵元的空间位置；根据“声亮点”模型利用表面切线分割立体目标；设定目标沉底区域，按照不同走航位置计算生成水底影区和水底亮点区域；利用扫描亮点位置与各基元之间的声程计算单一亮点回波；将多个亮点回波累加至接收基元，遍历各采样位置获得最终所需的目标回波。本发明能够为二维多波束合成孔径声呐提供立体目标及其影区的回波信号，有助于多波束合成孔径声呐的系统评估及成像算法性能仿真。

技术领域

本发明涉及一种二维多波束合成孔径声呐目标回波仿真方法，属于声呐信号处理领域。

背景技术

近年来对于海洋能源、矿藏的开发和利用，逐渐的成为了国内外研究机构关注的热点问题。声波是目前已知的唯一能够在水下进行长距离探测和信息传播的能量形式，因此水声技术是海洋资源勘察、水下目标探测和海洋工程领域的重要组成部分和有效的探测手段。成像声呐技术就是利用声波的形式，对水下目标进行遥感观测，通过对辐射出和接收到的声波信号进行成像算法处理，得到能够直接显示和观察的二维或三维的声学图像。成像声呐设备已经被广泛的应用到了海洋资源开发利用领域，具有其他声学设备不可替代的应用需求和技术特点。目前，国内外的成像声呐技术已经发展出了多个技术分支，都具有各自的技术特点和成像优势，得到广泛研究和应用的主要包括侧扫声呐、多波束测深声呐以及合成孔径声呐。此外，多波束合成孔径声呐作为一种成像声呐探测新机理，结合了侧扫合成孔径声呐成像算法及多波束测深声呐成像算法的技术优势，能够在航迹向、水平向及深度向三个维度获得高分辨的声呐图像。多波束合成孔径声呐成像算法的核心思想，是在航迹向上通过载体的走航，利用二维面阵的换能器阵列流形虚拟合成大孔径基阵，从而获得航迹向的恒定图像分辨率。

在多波束合成孔径声呐系统的研究中，目标回波信号的仿真模拟是重要的基础研究内容。与之相关的多波束合成孔径成像算法、换能器基阵校准研究、运动姿态估计与补偿仿真研究的开展，均需要目标的回波模型研究作为基础支持。传统的多波束测深声呐多利用均匀直线阵的形式沿水平向布置接收阵元，采用的是一维线阵结构，每次探测获得水平向-深度向平面的二维声呐图像，通过载体的走航拼接形成探测区域的三维成像。多波束测深声呐系统的目标回波仿真主要针对一维线阵结构，在六自由度的运动中某些维度的运动主要影响声波辐射能量的强弱及空间归位，而对成像算法中关键的相位补偿不敏感。因此，在多波束测深声呐系统中通常采取单亮点、单位置处的回波仿真，而对于全航迹、立体目标的仿真能力不足，对于不同位置处照射立体目标及其影区的回波仿真能力相对较差。合成孔径声呐采用单阵元或沿航迹向排列的均匀线阵结构，通过载体的运动虚拟合成大孔径基阵，获得航迹向-斜距向平面的二维声呐图像。合成孔径声呐能够对立体目标及其影区取得精细化的探测结果，然而受限于其探测机理以及基阵形式，类似于多波束测深声呐的目标仿真，其对于六自由度的载体运动也有若干维度的变化不敏感，因此该类方法也不适用于二维面阵结构的多波束合成孔径声呐结构。

二维多波束合成孔径声呐系统采用单发射阵元、多接收阵元的二维面阵结构，对载体六个自由度的运动都较为敏感，因此载体的运动轨迹变化也会影响三维空间的成像效果，上述多波束测深声呐及合成孔径声呐的回波目标仿真方法将不再适用。因此，本发明提出一种二维多波束合成孔径声呐目标回波仿真方法，通过旋转矩阵计算所有阵元在不同采样位置处的空间坐标。利用“声亮点”模型分割立体目标表面，根据载体的不同运动位置计算影区及其沉底区域的分割亮点，从而计算扫描点与阵元间的声程。根据不同位置处的声程计算回波时延，将多个亮点目标回波信号叠加在各阵元上即可获得所需的回波信号。本发明有效的提高了二维多波束合成孔径声呐的目标回波仿真精细化程度，能够为成像算法研究提供有效的仿真数据支持。

发明内容

本发明的目的是为了配合多波束合成孔径声呐探测新机理，为二维多波束合成孔径声呐提供立体目标及其影区的回波信号，有助于多波束合成孔径声呐的系统评估及成像算法性能仿真。

本发明的目的是这样实现的：步骤如下：