远场大转角时水下典型目标回波建模与成像

　　在理想的水下目标成像中,距离-多普勒算法(RDA)因其具有实时性、运算速度较快等特点,被广泛应用于水下目标成像[1],其原理是通过对目标回波进行距离向的脉冲压缩和方位向的逆傅里叶变换,得到目标的二维像[2].但是RDA仅适用于远场小转角目标成像,在远场大转角条件下,会受到目标上散射点越分辨单元走动[3](MTRC)的影响,成像散焦较严重,不能正确辨识目标.而为了获得高的方位向分辨率,又必须增大转角.

　　本文提出的方法可正确获得远场大转角时典型目标的回波信号,利用仿真的回波可对目标进行有效成像,过程中采用三次样条插值能产生最光滑的结果,克服了此时运用RDA成像过程中的散射点越分辨单元走动现象.

　　1　水下典型目标回波信号模型

　　1.1　典型目标建模

　　目标线形的仿真建模是运用CAD技术[4],建立目标的三维仿真几何模型,并对物体的表面进行划分,形成很多个表面面元.划分面元后的典型目标建模图如图1所示.

　　1.2　典型目标回波计算

　　目标与声源、接收点的位置关系如图2所示.

　　根据Kirchhoff公式[5],目标的散射势函数

　　式中:S为散射体表面积;r2为散射点矢径;n为目标表面单位外法向矢量;k为波数.

　　当L/λ>>1(L为目标特征线度;K为波长)时,根据高频近似条件,可以忽略几何阴影区对散射场的贡献.设入射波势函数φi=(1/r1)e^jkr1,则在平面波入射条件下,势函数表达式为

　　式中:r为坐标原点O指向目标表面面元的矢量;V(∝)为平面波反射系数,它将声压及其法向导数和声阻抗联系起来,对于刚性目标V(∝)=1.

　　显然,对于收发合置的声呐

　　则目标的传递函数

　　将H(ω)与输入信号的傅氏变换在频域相乘后进行逆傅里叶变换(IFFT),便可计算得到目标的散射回波,以此作为目标成像的数据来源.

　　2　成像算法原理

　　通常,假定目标位于一水下转动平台上,经过精确的平动补偿后[6],目标相对于声呐只有旋转运动.水下目标成像的关键在于获得水下目标的散射射密度函数σ.

　　图3为极坐标目标空间关系图,图中:φ为目标相对声呐视线的初始转角;θ为目标转过的角度;ω为目标的转动角速度;R0为声呐到目标转台中心的距离;R为转过θ角度后散射点P到声呐的距离.

　　当目标位于声呐远场时

　　在极坐标格式下,目标的反射回波信号s(f,φ)与散射密度函数σ(r,θ)之间的关系为

　　式中:f为声波频率;c为海水中的声速.