孔径扩展的一种改进算法

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　　1 引 言

　　目前，线阵广泛应用于水下目标特性测量。通过拖曳运动，将小孔径阵列合成虚拟大孔径阵列，为解决低频信号探测中大孔径声纳系统实现困难提供了有效途径 [1,2] 。合成孔径技术已经成功地应用于航空器和卫星雷达领域 [3] ，在主动侧视声纳上也得到广泛的应用 [4,5] ，但是在被动声纳系统中的应用却受到限制。这是因为它需要接收信号有较好的相关性能，要很好地补偿由拖曳带来的起伏，这些和主动雷达或声纳中的合成孔径原理有差别，因而不能直接应用其成熟理论。被动合成孔径声纳通过拖曳声纳平台产生运动，将一段时间内的接收信号，对其时延和空间位置进行补偿虚拟成大孔径阵列某一时刻的接收信号，从而获得方位向的高分辨能力。研究表明，一般情况下声信号在水下传播可以满足被动合成孔径对接收信号相关性的要求 [6] ，各类被动合成孔径方法 [7-10] 从时、频、空域各角度入手最终实现孔径扩展。近年来引入矢量水听器、光纤水听器等结合被动合成孔径等其它信号处理方法 [11,12] ，解决左右舷模糊，水下目标检测，目标方位距离联合估计等问题。本文就被动合成孔径算法本身着手，从时域角度出发，基于扩展拖曳阵尺寸算法(ETAM, Extended Towed Array Measurement)思路，证明平面波模型下阵列运动在不受空间位置重叠的约束下亦能获得相位修正因子，并通过增加快拍数获得更多可用的时域信息，进而对孔径域信号做补偿获得优于 ETAM 的性能。

　　该方法在保证方位谱主瓣宽度不变的情况下，能够降低旁瓣，而且无需目标和阵列的精确相对速度以及多普勒频移的先验信息，易于实现。

　　2 算法描述

　　ETAM 方法 [7] 的基本思想是，通过拖曳 N 元阵列来扩展拖曳阵尺寸。具体实现方法为：在阵列相继两次运动时，对空间位置上重叠部分的水听器接收信号做互相关平均，作为后次未重叠水听器上接收信号的相位修正因子，合成前次虚拟阵元上的接收信号，重复上述过程，最终达到扩展孔径的目的。均匀海洋环境中，对于一个 N 元各向同性水听器组成均匀等间距为d 的拖曳阵，存在从θ 方向入射的远场窄带信号源 ( ) ( ) 0 exp j i i s t = A ωt(定义基阵法线方向为 90°)。则第n号水听器接收到的信号为：

　　水听器的空间位置相同。

　　针对上述方法的不足之处，本文基于 ETAM 方法的思路，从时域角度出发，推导出平面波模型下不受重叠水听器空间位置完全相同约束的情况时，能够通过增加快拍数获得更多可用时域信息，再利用相关器得到相位修正因子，补偿测量间隔内所有接收数据再做平均，最终实现孔径扩展。