改进的多子阵双站合成孔径声纳成像算法

    1 引 言

    双站合成孔径声呐(Bistatic Synthetic Aper-ture Sonar, BiSAS)是指发射系统和接收系统(含天线)安装在不同载体上的合成孔径声呐, 它充分利用目标的散射特性(包括非后向散射信息)来进行成像,获取的信息比常规 SAS 丰富, 抗干扰性能好[1,2], 发射站固定的双站 SAS 是比较容易实现的双站 SAS模式。图 1 给出了发射站固定的双站 SAS 系统工作示意图, 图中装有发射机的载体固定在某个位置上,接收机装在水下自主航行体上, 并以一定的速度和方向作匀速直线运动, 假设以正侧视方式工作; 发射机以一定的脉冲重复频率发射信号, 接收机接收来自目标平面的回波信号。以下研究和探讨均建立在此模型基础上进行。

    在成像的基础上, 提高 SAS 的测绘率是大面积海底测绘的一个重要指标。水声传播的低速性导致的空间欠采样问题严重限制了 SAS 测绘率的提高[3-5],同时由于不同距离的回波到达基阵时, 基阵存在不可忽略的运动, 从而影响合成孔径的聚焦。基于此,多子阵(Veriner 阵) 的方法及改进方案[3,4]已经在常规单站 SAS 的实际系统中取得了良好的效果。在声纳中, 信号传播需要更长的时间, 则“停-走-停”近似不再有效。因此, 常用的一些逐线算法(RD 算法、!-k算法等) 直接用于 SAS 成像会导致显著的相位误差, 而用波束形成逐点算法对相位误差进行补偿是一种可行的办法。

    针对上述情况, 本文提出了发射站固定下的多子阵双站合成孔径声纳成像算法, 分析“停一走一停”假设带来的相位误差, 得到了改进的多子阵合成孔径逐点成像算法, 并给出了相应的系统方案设计,既提高了双站 SAS 的测绘率, 又改善了成像效果。

    2  多子阵双站 SAS 模型及改进方案

    2.1 数学模型

    图 2 给出了发射站固定时的多子阵双站 SAS几何关系。其中发射阵 Tx为单子阵, 接收阵 Rx为多子阵( 子阵孔径为 D), P(xp, yp) 为成像区域点目标,发射站固定位于 x 轴上 T 处; 接收载体作匀速直线运动, 速度为 VRA, 载体运动方向为 y 轴, 忽略 z 方向建立标系。

    对于发射站固定时的多子阵双站 SAS 已经进行了较深入的研究, 并撰写了有关文章展开了讨论,同时证明了文中多子阵双站 SAS 模型的可行性和正确性, 也得出如下结论: 多子阵双站 SAS 模型等效于满足 VRar=D 时的单子阵双站 SAS 模型。多子阵双站 SAS 模型中, 为了避免方位向采样的重叠, 多子阵的速度需满足

    显然 VRA=N·VRa( VRa为单子阵接收载体匀速度, N 为接收基阵阵元数), 从而说明了发射站固定的多子阵双站 SAS 测绘速率是单子阵双站 SAS 的N 倍[6]。