前视声纳波束形成算法的两点改进∗

2019-03-01

舰船电子工程 2019年2期

（海军工程大学电子工程学院武汉 430033）

1 引言

侧扫声纳［1］采用正侧视模式工作，平台下方的盲区不可避免，无法规避前方障碍物。前视声纳通常与侧扫声纳配套使用用于补盲，提高工作效率。前视声纳也可以单独使用，用于对航行的前方的场景进行成像。

目前国际上通用的前视声纳主要分为三类［2］：单波束机械扫描声纳［3］、多波束预成扫描声纳、三维成像声纳，前两者是二维成像声纳。先进的前视声纳一般采用多波束预成扫描声纳，发射宽波束，接收形成多个波束。

现有的前视声纳一般采用“停-走-停”模式和相位补偿的逐点算法［4］。“停-走-停”模式忽略了信号传播过程中平台的运动，由于声纳向前运动，所以方位向（与前进方向正交）成像分辨率基本不受影响，但在距离向，目标的位置会产生偏差，且距离越远，速度越快，偏差越明显，引入非“停-走-停”模型十分必要。为了减少数据率，距离像采样通常较低，仅采用整数搬移补偿。如果不采用插值运算，采样的离散性会导致波束形成性能变差，需要提高方位聚焦性。文章基于非停走停模型，分析和比较了整数搬移与经过插值处理的波束形成结果，后者性能有显著的改善。

2 前视声纳非停走停精确时延模型

非停走停模式下精确时延模型［5～6］如图1所示，模型测绘场景平坦，声纳距底高度为H且已知。不失一般性，假定接收阵元为N个，发射阵位于声基阵中间，接收阵元沿两侧均匀分布。y轴表示方位向，x轴表示距离向。声基阵沿着x轴方向，做匀速直线运动（速度为v）。从发射到接收回波的时延用τ0表示，且在此时间内声纳前进距离为vτ0，d为相邻两个阵元之间的间距。

图1 非停走停模式下的精确时延

在t=0时，发射阵位于坐标原点O，目标坐标为P(R 'θ)，R为目标到声纳的距离，θ为目标与XOZ平面的夹角，根据几何关系将其转化为直角坐标可得为目标的距离轴坐标，y0为目标的方位轴坐标。经过时延τ0，接收到回波。在非“停-走-停”模式下，以一个接收单元为例，发射距离为

第n个接收阵元到点目标的接收距离：

c=1500m/s为声速，联立式（1）～（3）得到精确时延：

3 前视声纳波束形成算法改进

波束形成［7～11］是将传感器阵列按照一定的几何形状在空间排列，根据期望信号的位置信息调整各阵元相移器的相位值，达到在空间增强期望信号、抑制噪声和干扰的处理过程。通常的波束形成步骤是加权、移相后求和。但对于宽带信号，仅做移相是不够的，本文采用插值进行距离徙动校正，再进行移相求和，波束形成更为精确。算法具体描述如下。

发射线性调频信号复包络：

式中T为发射脉冲的长度，Kr为信号的线性调频斜率，ω0为载波角频率。且由上式可以看出回波信号与接收阵元方位位置有关，在方位聚焦时会出现散焦现象。

距离向脉冲压缩之后：

利用给出的收发距离公式和式（4）给出的精确时延进行插值处理，波束形成后即可得到成像图像。算法的整个流程可用图2来表示。

图中S*(f)为发射信号频谱的共轭，以发射距离R为基准，成像区域内任意一点P(xi'yi)的距离徙动量可用下式表示：

图2 非“停-走-停”条件下前视逐点算法流程图

根据式（8），对距离向接收基阵各阵元所接收的回波信号做插值处理，得到：

给定像素坐标P(R 'θ ) ，通过 P(r0=Rcosθ'y0=Rsinθ)计算出斜距坐标系中的指标。利用式（11）完成波束形成。

4 计算机仿真与分析

对算法的可行性进行仿真分析，仿真系统的参数见表1。

表1 仿真系统参数表

为了方便观察比较，取五个目标点进行仿真P1(25'25°);P2(25'-25°) ；P3(30'25°);P4(30'-25°);P5(27.5'0°)，观察脉冲压缩后得到的回波信号如图3所示，为P3'P4两目标点的回波，理想条件下应为一条位于30m处的竖直线，截取一段放大后我们发现，回波为两条互相对称的斜线不再竖直，且由于声纳运动距离向位置已发生改变，偏离30m位置大约0.1m，且声纳平台运动速度越快，距离向偏离越多。

由于阵长较短，方位向各接收阵元对应的时延差别不大，导致距离徙动量非常小，下面分三种情况分别做波束形成。图4中（a）是在非“停-走-停”模式下，做插值处理进行距离徙动校正后再相位补偿波束形成的结果，成像效果较为理想；（b）中“停-走-停”模式下的成像效果与（a）近似，但成像距离向位置明显不如（a），声纳前进速度为5m/s，近场下距离很近时延较小，距离向偏差不够明显，作用距离越远，声速越快偏差量越大；（c）为非“停-走-停”模式下距离向整数搬移后相位补偿的波束形成结果，目标越靠近边缘散焦越严重。以上仿真充分证明了采用非“停-走-停”模式进行插值处理距离徙动的正确性和必要性。