（海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院 武漢 430033）

1 引言

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。

2 前視聲納非停走停精確時(shí)延模型

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：

3 前視聲納波束形成算法改進(jìn)

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。

4 計(jì)算機(jī)仿真與分析

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Чc（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。

5 結(jié)語

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。