(海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院 武漢 430033)
側(cè)掃聲納[1]采用正側(cè)視模式工作,平臺(tái)下方的盲區(qū)不可避免,無法規(guī)避前方障礙物。前視聲納通常與側(cè)掃聲納配套使用用于補(bǔ)盲,提高工作效率。前視聲納也可以單獨(dú)使用,用于對(duì)航行的前方的場(chǎng)景進(jìn)行成像。
目前國(guó)際上通用的前視聲納主要分為三類[2]:?jiǎn)尾ㄊ鴻C(jī)械掃描聲納[3]、多波束預(yù)成掃描聲納、三維成像聲納,前兩者是二維成像聲納。先進(jìn)的前視聲納一般采用多波束預(yù)成掃描聲納,發(fā)射寬波束,接收形成多個(gè)波束。
現(xiàn)有的前視聲納一般采用“停-走-停”模式和相位補(bǔ)償?shù)闹瘘c(diǎn)算法[4]?!巴?走-?!蹦J胶雎粤诵盘?hào)傳播過程中平臺(tái)的運(yùn)動(dòng),由于聲納向前運(yùn)動(dòng),所以方位向(與前進(jìn)方向正交)成像分辨率基本不受影響,但在距離向,目標(biāo)的位置會(huì)產(chǎn)生偏差,且距離越遠(yuǎn),速度越快,偏差越明顯,引入非“停-走-?!蹦P褪直匾榱藴p少數(shù)據(jù)率,距離像采樣通常較低,僅采用整數(shù)搬移補(bǔ)償。如果不采用插值運(yùn)算,采樣的離散性會(huì)導(dǎo)致波束形成性能變差,需要提高方位聚焦性。文章基于非停走停模型,分析和比較了整數(shù)搬移與經(jīng)過插值處理的波束形成結(jié)果,后者性能有顯著的改善。
非停走停模式下精確時(shí)延模型[5~6]如圖1所示,模型測(cè)繪場(chǎng)景平坦,聲納距底高度為H且已知。不失一般性,假定接收陣元為N個(gè),發(fā)射陣位于聲基陣中間,接收陣元沿兩側(cè)均勻分布。y軸表示方位向,x軸表示距離向。聲基陣沿著x軸方向,做勻速直線運(yùn)動(dòng)(速度為v)。從發(fā)射到接收回波的時(shí)延用τ0表示,且在此時(shí)間內(nèi)聲納前進(jìn)距離為vτ0,d為相鄰兩個(gè)陣元之間的間距。
圖1 非停走停模式下的精確時(shí)延
在t=0時(shí),發(fā)射陣位于坐標(biāo)原點(diǎn)O,目標(biāo)坐標(biāo)為P(R 'θ),R為目標(biāo)到聲納的距離,θ為目標(biāo)與XOZ平面的夾角,根據(jù)幾何關(guān)系將其轉(zhuǎn)化為直角坐標(biāo)可得為目標(biāo)的距離軸坐標(biāo),y0為目標(biāo)的方位軸坐標(biāo)。經(jīng)過時(shí)延τ0,接收到回波。在非“停-走-?!蹦J较?,以一個(gè)接收單元為例,發(fā)射距離為
第n個(gè)接收陣元到點(diǎn)目標(biāo)的接收距離:
c=1500m/s為聲速,聯(lián)立式(1)~(3)得到精確時(shí)延:
波束形成[7~11]是將傳感器陣列按照一定的幾何形狀在空間排列,根據(jù)期望信號(hào)的位置信息調(diào)整各陣元相移器的相位值,達(dá)到在空間增強(qiáng)期望信號(hào)、抑制噪聲和干擾的處理過程。通常的波束形成步驟是加權(quán)、移相后求和。但對(duì)于寬帶信號(hào),僅做移相是不夠的,本文采用插值進(jìn)行距離徙動(dòng)校正,再進(jìn)行移相求和,波束形成更為精確。算法具體描述如下。
發(fā)射線性調(diào)頻信號(hào)復(fù)包絡(luò):
式中T為發(fā)射脈沖的長(zhǎng)度,Kr為信號(hào)的線性調(diào)頻斜率,ω0為載波角頻率。且由上式可以看出回波信號(hào)與接收陣元方位位置有關(guān),在方位聚焦時(shí)會(huì)出現(xiàn)散焦現(xiàn)象。
距離向脈沖壓縮之后:
利用給出的收發(fā)距離公式和式(4)給出的精確時(shí)延進(jìn)行插值處理,波束形成后即可得到成像圖像。算法的整個(gè)流程可用圖2來表示。
圖中S*(f)為發(fā)射信號(hào)頻譜的共軛,以發(fā)射距離R為基準(zhǔn),成像區(qū)域內(nèi)任意一點(diǎn)P(xi'yi)的距離徙動(dòng)量可用下式表示:
圖2 非“停-走-停”條件下前視逐點(diǎn)算法流程圖
根據(jù)式(8),對(duì)距離向接收基陣各陣元所接收的回波信號(hào)做插值處理,得到:
給定像素坐標(biāo)P(R 'θ ) ,通過 P(r0=Rcosθ'y0=Rsinθ)計(jì)算出斜距坐標(biāo)系中的指標(biāo)。利用式(11)完成波束形成。
對(duì)算法的可行性進(jìn)行仿真分析,仿真系統(tǒng)的參數(shù)見表1。
表1 仿真系統(tǒng)參數(shù)表
為了方便觀察比較,取五個(gè)目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行仿真P1(25'25°);P2(25'-25°) ;P3(30'25°);P4(30'-25°);P5(27.5'0°),觀察脈沖壓縮后得到的回波信號(hào)如圖3所示,為P3'P4兩目標(biāo)點(diǎn)的回波,理想條件下應(yīng)為一條位于30m處的豎直線,截取一段放大后我們發(fā)現(xiàn),回波為兩條互相對(duì)稱的斜線不再豎直,且由于聲納運(yùn)動(dòng)距離向位置已發(fā)生改變,偏離30m位置大約0.1m,且聲納平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度越快,距離向偏離越多。
由于陣長(zhǎng)較短,方位向各接收陣元對(duì)應(yīng)的時(shí)延差別不大,導(dǎo)致距離徙動(dòng)量非常小,下面分三種情況分別做波束形成。圖4中(a)是在非“停-走-?!蹦J较?,做插值處理進(jìn)行距離徙動(dòng)校正后再相位補(bǔ)償波束形成的結(jié)果,成像效果較為理想;(b)中“停-走-?!蹦J较碌某上裥Чc(a)近似,但成像距離向位置明顯不如(a),聲納前進(jìn)速度為5m/s,近場(chǎng)下距離很近時(shí)延較小,距離向偏差不夠明顯,作用距離越遠(yuǎn),聲速越快偏差量越大;(c)為非“停-走-?!蹦J较戮嚯x向整數(shù)搬移后相位補(bǔ)償?shù)牟ㄊ纬山Y(jié)果,目標(biāo)越靠近邊緣散焦越嚴(yán)重。以上仿真充分證明了采用非“停-走-?!蹦J竭M(jìn)行插值處理距離徙動(dòng)的正確性和必要性。
圖3 脈沖壓縮后的回波圖像
圖4 比較三種情況下的成像結(jié)果
根據(jù)距離分辨率公式:ρr=c/(2?Br),單位(m);方位波束寬度:θ3db=50*λ/(D*cosθ),單位(°),我們?nèi)∫稽c(diǎn)P3,畫出其方位向剖面圖和距離向剖面圖進(jìn)行分辨率指標(biāo)分析[12]。
圖5 三種情況對(duì)應(yīng)的成像剖面圖分辨率指標(biāo)分析
結(jié)合圖5以P3為例給出表2。
表2 分辨率指標(biāo)分析
本組仿真實(shí)驗(yàn)體現(xiàn)了在非“停-走-?!蹦P拖卤仍凇巴?走-?!薄澳P拖卵芯啃盘?hào)處理時(shí)在目標(biāo)成像位置上的精確性要更高一些。為使其效果更加凸顯,再進(jìn)行一組仿真,同樣環(huán)境下將目標(biāo)點(diǎn)距離位置增大,設(shè)目標(biāo)點(diǎn)為直接給出如下仿真結(jié)果。
圖6 遠(yuǎn)距離目標(biāo)仿真結(jié)果
由圖6可知距離越遠(yuǎn),“停-走-?!薄澳P拖履繕?biāo)位置偏離越大,非“停-走-?!蹦P蛣t可以避免這個(gè)問題。
非“停-走-?!蹦P褪乔耙暵暭{精確模型,本文提出的前視聲納波束形成算法的兩點(diǎn)改進(jìn),經(jīng)過仿真驗(yàn)證,采用非停走停模型成像時(shí)距離幾何位置更精確;采用先插值處理距離徙動(dòng)再進(jìn)行相位補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ上窠Y(jié)果聚焦性能更好,是一種切實(shí)有效,更為精確的波束形成算法。