[發明專利]一種二維多波束合成孔徑聲吶目標回波仿真方法

有效

• 申請號: 202011298120.6
• 申請日: 2020-11-19
• 公開（公告）號: CN112505666B
• 公開（公告）日: 2022-07-15
• 發明（設計）人: 魏波;李海森;周天;徐超;陳寶偉;朱建軍;杜偉東
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: G01S7/52
• 分類號: G01S7/52
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明提供一種二維多波束合成孔徑聲吶目標回波仿真方法，包括以下步驟：利用旋轉矩陣計算非理想航跡情況下的聲吶載體運動軌跡，根據二維基陣陣列流型獲得不同采樣位置處的發射陣元和所有接收陣元的空間位置；根據“聲亮點”模型利用表面切線分割立體目標；設定目標沉底區域，按照不同走航位置計算生成水底影區和水底亮點區域；利用掃描亮點位置與各基元之間的聲程計算單一亮點回波；將多個亮點回波累加至接收基元，遍歷各采樣位置獲得最終所需的目標回波。本發明能夠為二維多波束合成孔徑聲吶提供立體目標及其影區的回波信號，有助于多波束合成孔徑聲吶的系統評估及成像算法性能仿真。

技術領域

本發明涉及一種二維多波束合成孔徑聲吶目標回波仿真方法，屬于聲吶信號處理領域。

背景技術

近年來對于海洋能源、礦藏的開發和利用，逐漸的成為了國內外研究機構關注的熱點問題。聲波是目前已知的唯一能夠在水下進行長距離探測和信息傳播的能量形式，因此水聲技術是海洋資源勘察、水下目標探測和海洋工程領域的重要組成部分和有效的探測手段。成像聲吶技術就是利用聲波的形式，對水下目標進行遙感觀測，通過對輻射出和接收到的聲波信號進行成像算法處理，得到能夠直接顯示和觀察的二維或三維的聲學圖像。成像聲吶設備已經被廣泛的應用到了海洋資源開發利用領域，具有其他聲學設備不可替代的應用需求和技術特點。目前，國內外的成像聲吶技術已經發展出了多個技術分支，都具有各自的技術特點和成像優勢，得到廣泛研究和應用的主要包括側掃聲吶、多波束測深聲吶以及合成孔徑聲吶。此外，多波束合成孔徑聲吶作為一種成像聲吶探測新機理，結合了側掃合成孔徑聲吶成像算法及多波束測深聲吶成像算法的技術優勢，能夠在航跡向、水平向及深度向三個維度獲得高分辨的聲吶圖像。多波束合成孔徑聲吶成像算法的核心思想，是在航跡向上通過載體的走航，利用二維面陣的換能器陣列流形虛擬合成大孔徑基陣，從而獲得航跡向的恒定圖像分辨率。

在多波束合成孔徑聲吶系統的研究中，目標回波信號的仿真模擬是重要的基礎研究內容。與之相關的多波束合成孔徑成像算法、換能器基陣校準研究、運動姿態估計與補償仿真研究的開展，均需要目標的回波模型研究作為基礎支持。傳統的多波束測深聲吶多利用均勻直線陣的形式沿水平向布置接收陣元，采用的是一維線陣結構，每次探測獲得水平向-深度向平面的二維聲吶圖像，通過載體的走航拼接形成探測區域的三維成像。多波束測深聲吶系統的目標回波仿真主要針對一維線陣結構，在六自由度的運動中某些維度的運動主要影響聲波輻射能量的強弱及空間歸位，而對成像算法中關鍵的相位補償不敏感。因此，在多波束測深聲吶系統中通常采取單亮點、單位置處的回波仿真，而對于全航跡、立體目標的仿真能力不足，對于不同位置處照射立體目標及其影區的回波仿真能力相對較差。合成孔徑聲吶采用單陣元或沿航跡向排列的均勻線陣結構，通過載體的運動虛擬合成大孔徑基陣，獲得航跡向-斜距向平面的二維聲吶圖像。合成孔徑聲吶能夠對立體目標及其影區取得精細化的探測結果，然而受限于其探測機理以及基陣形式，類似于多波束測深聲吶的目標仿真，其對于六自由度的載體運動也有若干維度的變化不敏感，因此該類方法也不適用于二維面陣結構的多波束合成孔徑聲吶結構。

二維多波束合成孔徑聲吶系統采用單發射陣元、多接收陣元的二維面陣結構，對載體六個自由度的運動都較為敏感，因此載體的運動軌跡變化也會影響三維空間的成像效果，上述多波束測深聲吶及合成孔徑聲吶的回波目標仿真方法將不再適用。因此，本發明提出一種二維多波束合成孔徑聲吶目標回波仿真方法，通過旋轉矩陣計算所有陣元在不同采樣位置處的空間坐標。利用“聲亮點”模型分割立體目標表面，根據載體的不同運動位置計算影區及其沉底區域的分割亮點，從而計算掃描點與陣元間的聲程。根據不同位置處的聲程計算回波時延，將多個亮點目標回波信號疊加在各陣元上即可獲得所需的回波信號。本發明有效的提高了二維多波束合成孔徑聲吶的目標回波仿真精細化程度，能夠為成像算法研究提供有效的仿真數據支持。

發明內容

本發明的目的是為了配合多波束合成孔徑聲吶探測新機理，為二維多波束合成孔徑聲吶提供立體目標及其影區的回波信號，有助于多波束合成孔徑聲吶的系統評估及成像算法性能仿真。

本發明的目的是這樣實現的：步驟如下：