合成孔径声呐系统相位修正

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　　在推导合成孔径声呐(SAS)成像算法时,普遍作了Stop-and-Hop假设[1,2],即接收器在两个相邻脉冲之间处于静止状态,并且认为从一个脉冲发射/接收位置到下一个脉冲发射/接收位置是在瞬间完成。当SAS系统作用距离较近时,认为这种假设是合理的[2,3]。但是,当SAS成像系统作用距离较远时,由于声波在水中较低的传播速度,孔径合成时间比较长,在一个脉冲重复周期内,接收器有很长一段时间来运动,这时,由Stop-and-Hop假设引起的系统相位误差不容忽略。虽然可以采用波束形成算法来解决Stop-and-Hop假设引起的误差问题[4,5],但是它属于逐点算法,不能满足实时处理的要求。为了利用X-k等有效算法,必须在成像处理以前对这种误差进行修正。

　　在发展Vernier阵[6]技术时,认为每个接收器/发射器正中间存在一个等效的移位相位中心(DPC:Displaced Phase Center)[7],声呐在该相位中心发射和接收信号。这种近似也必然导致系统相位误差。Yamaguchi对DPC近似引入的相位误差进行了修正,但是修正是在距离弯曲校正过程中进行的[8],相当复杂。

　　针对上述两种情况,本文提出一种简单实用的相位修正方法,即在数据预处理以前,利用相位相乘来对系统相位误差加以修正。并针对Stop-and-Hop近似,采用X-k成像算法,对理想点目标进行了成像比较。结果表明,相位修正后的成像效果明显优于未修正的情形。

　　1　SAS系统相位误差分析

　　1.1　Stop-and-Hop假设引起的相位误差

　　在直角坐标系(X,Y,Z)中,点目标P(x,y,0)固定于(X,Y,0)平面内,反射系数为R。声呐在z=h的平面内,以速度v沿着平行于Y轴的方向作匀速直线运动,并以脉冲重复周期T向待成像的各向同性目标区域发射线性调频脉冲(LFM)p(t)。如图1所示,声呐发射器和接收器之间距离为$ry(对于收/发合置情形,该间距约为零,即$ry≈0),在A(0,u,h)点发射脉冲,在C(0,u+$ry,h)点开始接收相应的目标回波,变量u表示其方位向(声呐运动方向)坐标。考虑Strip-map SAS成像系统,测绘带中心距离声呐平台路径r0,点目标与A点(脉冲发射位置)和C点(声呐处于发射信号状态时接收器的位置)的距离分别为R1和R2,即

　　在一个孔径合成时间内,声呐接收到的目标回波就是发射脉冲的延时[1,2],即

　　收/发合置时,回波模型可以表述为

　　公式(3)、(4)就是未经相位修正的SAS系统数学模型[2](未考虑换能器影响)。在推导这个数学模型过程中,曾作了所谓的Stop-and-Hop近似[1,2]。而实际上,接收器接收对应于A点脉冲的回波时,已经运动到了D点,如图1所示,此时接收器与目标间距为R3

　　其接收回波时的位置相对于发射时位置有一个位移vt′,t′为声呐脉冲传播的时间