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专利名称：水下运动目标的二维散射特性测量方法
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-"t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，从而达到縮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 縮得到距离像，然后对脉冲压縮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、 W、 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。
卜.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l表示声纳基阵，2表示目标，3表示接收阵，4表示发射 阵，/t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，zl^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，。。和《分别是结合运动传感器得到的某时刻发射阵元和第A:个接收阵元到 目标上散射点M的距离值，r,和《分别是该时刻发射阵元和第&个接收阵元到 匀速直线运动目标上散射点M的距离值，A是发射信号波长，A21。
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；
5、 数据采集的同时，采集运动传感器或运动误差测量装置的数据；
6、计算机对回波信号进行运动补偿和成像处理，得到目标的二维散射特性。 本发明利用小尺寸基阵可以得到水下目标的二维高分辨率散射特性，具有
设备简单，水下部分布放方便的优点。
该方法可用于水下装备的散射特性测量。在水下装各的研制论证阶段，对
其二维散射特性进行测量，指示出强散射点的二维位置，通过对强散射点的散
射强度进行控制，从而达到縮减全艇的声散射强度。


图l本发明示意图。
图2目标的6自由度运动。
图3逐点运动误差补偿方法示意图。
图4 实施例示意图。
具体实施例方式
本发明示意图如图l所示，图中，l表示声纳基阵，2表示目标。 本实施例采用单接收阵，声纳基阵固定，目标以速率F作匀速直线运动的 同时存在三维角运动，包括俯仰、偏航和横滚。目标的直线运动方向与声纳基 阵平行。假设声纳基阵收发共置，其与目标的最短距离为〃，基阵与目标的几何
位置示意图如图4所示，图中，i表示声纳基阵，2表示目标，i、 n和ni分别
表示俯仰、偏航和横滚。
以目标上某散射点尸为例，该实施例的具体流程如下 (1)设计信号源，按照预定的脉冲重复间隔尸^产生门控信号和线性调频脉 冲窄带信号，其表达式为
(r) = ""(7)expC/2;r/0r + 乂"尺一) (2)
其中，re"(q)表示矩形脉冲，r是脉冲宽度，r是时间变量，/。是载频，《是
调频斜率，exp(U)表示指数函数，y'表示虚数单位。
(2) 将线性调频信号经过功率放大器后传到声纳发射阵；
(3) 声纳发射阵发射线性调频脉冲信号，照射前述运动目标；
(4) 声纳接收阵接收散射点P的回波信号，经过放大和滤波后传到数据采集
卡；
(5) 数据采集卡接收到同歩信号后，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，目标回波^(^。的表达式为
"(w)".—I^￡)exp[yW—層c) (3)
其中，」是回波信号幅度，i^,"是散射点P到声纳基阵的瞬时距离，^表示时 刻，C是声速。
(6) 数据采集的同时，采集运动误差测量装置测得的数据；
(7) 对回波信号进行运动补偿和信号处理，得到目标的二维散射特性。 在本实施例中，在对接收到的回波信号进行处理时，首先利用匹配滤波方
法对相干解调后的回波信号做脉冲压縮处理，得到脉冲压縮后的回波信号 ^(Z,r;r)为
"r力二 乂 sinc(;r灯[r -^i^]}exp[-y.学刑W)] (4)
其中，乂是脉冲压縮后的回波信号幅度最大值，sinc(QNsin(q)/(q)。
其次由于目标散射点的三维角运动产生的相位误差，使得方位向无法聚焦， 必须做运动补偿，具体分析如下-
假设目标的三维角运动依次为偏航、俯仰和横滚。如图4，建立声纳坐标系 (M，V,W)和目标坐标系(X，少，Z)。声纳基阵位于声纳坐标系原点o，目标上散射点户 在目标坐标系中的坐标为(x,乂z)。 f^0时刻，目标坐标系的原点(9以及目标上散
射点尸在声纳坐标系中的坐标分别为("。,W,W。)、 (W十X，W+乂Wo+Z)。在任意时刻。
目标坐标系的原点6>在声纳坐标系中的坐标为(^0)^(0,,0))= (^+W,^，司，H 为常量，散射点尸在声纳坐标系中的坐标(屮),v(0，w(0)为
<formula>formula see original document page 8</formula>
其中，WW(f)是该时刻的旋转矩阵，i O/(,) = y"H{《(f)]./^C/7[A(0]Jo//[《(0]，《(0、 《W和《(0分别是偏航、俯仰和横滚三个转动分量所转过的角度，^W[《(f)]、
投A[《(0]和^//[《别分别是该时刻偏航、俯仰和横滚三个转动分量的旋转矩阵，
满足
<formula>formula see original document page 8</formula>
"22") = sin(《(0) sin(《(/)) sin(《(/》+ cos(《(/)) cos(《(/)) 0) = sin(《(0) sin( & (0) cos(^ (0) — cos(《(0) sin(《0)) "31(f) = -sin"))
a33 (0 = cos(《(Y)) cos(《(0) 为简单起见，令^ = 0， W(,) = F。假设在/时刻发射信号，则经过A/时间， 即在f + A时刻，接收阵接收到散射点尸的回波信号，此时，该散射点在声纳坐 标系中的坐标("0 + A0，+ A0, w(/ + △/))为
<formula>formula see original document page 9</formula>
此处，认为A,是由目标的匀速直线运动引起的，经过简单的几何关系推导，
可，
守<formula>formula see original document page 9</formula>
将式(11)代入式(10)就可以得到散射点的瞬时坐标，从而该散射点距离声纳
，妾4夂P车的足巨离+ + AO]2 + + AO]2 + + AO]2 °结合式(4)，令
/ (/，, ) = i (/ + ，对应相位为0 = —维。。
从前面的推导可以看出，用于后续方位向聚焦处理的相位项exp(W)由目标 的匀速直线运动和三维角运动两部分引起。其中，目标匀速直线运动部分引起
的相位项对方位向聚焦处理是有用的，而三维角运动引起的相位项对方位向聚 焦处理是无益的，甚至会严重影响方位向的聚焦处理，使方位向散焦。因此必 须对脉冲压縮后的回波信号做运动补偿。
本实施例采用基于运动误差测量装置的逐点运动补偿方法，对角运动引起 的相位误差进行补偿，将相位补偿为匀速直线运动下的相位，如式(12)所示，
李爭[，),;r)] (12)
其中，A-是应补偿的因目标角度运动误差而引起的相位误差，《"O是结合运 动误差测量装置得到的散射点到声纳基阵距离的测量值，《"r)是匀速直线运动
下散射点到声纳基阵的距离值。
运动补偿后的回波信号如式(13)所示，
&(,,^)= "r;0.eXp{y^^[i e(,(13)
最后对运动补偿后的回波信号做方位向聚焦处理，如式(14)，得到目标的二 维散射特性/一,x)，
_[々(^;r)exp[j'，.A/ C)]^ (14)
其中，i 0;r)是积分路径，r。
权利要求
1.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。
2、 根据权利要求l所述的水下运动目标的二维散射特性测量方法，其特征 是在合成孔径成像处理过程中，首先对回波信号进行脉冲压縮得到距离像，然 后对脉冲压縮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。
3、 根据权利要求l所述的水下运动目标的二维散射特性测量方法，其特征 是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。
4、 根据权利要求1或2或3所述的水下运动目标的二维散射特性测量方法， 其特征是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。
全文摘要
本发明属于目标二维散射特性测量领域，涉及一种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。本发明的优点是利用小尺寸基阵可以得到水下目标二维高分辨率散射特性，设备简单，水下部分容易布放。
文档编号G01S7/539GK101369021SQ20081019718
公开日2009年2月18日 申请日期2008年10月9日 优先权日2008年10月9日
发明者刘丹丹, 唐劲松, 森 张, 颖 曹, 李桂娟, 铮 王, 陈云飞, 魏国珩 申请人:中国人民解放军海军工程大学