本發(fā)明屬于信號處理領(lǐng)域，特別涉及一種多子陣合成孔徑聲納相位誤差分析方法。

背景技術(shù)：

合成孔徑聲納技術(shù)依靠小尺寸基元的勻速直線運動虛擬合成一副長度隨探測距離成正比的大孔徑基陣，通過空間不同位置采樣信號的相干疊加得到與距離、頻率無關(guān)的方位向高分辨率。而多子陣技術(shù)的采用更是解決了方位向高分辨和距離向測距之間的矛盾，使SAS技術(shù)開始真正走向工程實用化的道路。

成像算法是合成孔徑聲納技術(shù)的核心技術(shù)，目前，國內(nèi)外已有許多關(guān)于合成孔徑聲納成像的幾何模型，根據(jù)這些模型，就可以得到各種不同的成像算法。針對這些幾何模型或者成像算法的優(yōu)劣，國內(nèi)外一般均依賴于名義分辨率、峰值旁瓣比和積分旁瓣比三個參數(shù)進行評價，這往往要歷經(jīng)目標回波仿真、目標成像處理和評估指標計算等步驟，性能評估周期較長，過程繁瑣且相對于圖形來說還不直觀。另外，多子陣合成孔徑聲納具有距離向空變特性，也就是說其二維頻域相位誤差具有距離向瞬時頻率、方位向瞬時頻率和距離三個自由度。目前，關(guān)于多子陣合成孔徑聲納二維頻域相位誤差的分析方法，國內(nèi)外還未見系統(tǒng)的報道。因此，開展包含距離向瞬時頻率、方位向瞬時頻率和距離三自由度的二維頻域相位誤差分析，對于各種成像幾何模型或者成像算法性能優(yōu)劣的分析以及成像算法后期研究的開展具有重要的實際意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服傳統(tǒng)成像模型或成像算法評估周期長、數(shù)值指標不夠直觀等問題，提供一種多子陣合成孔徑聲納相位誤差分析方法，進而可根據(jù)各種模型的誤差分析結(jié)果，有針對性地開展成像算法方面的研究工作。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：一種多子陣合成孔徑聲納相位誤差分析方法，包含以下步驟：

S1、針對每個接收陣元和發(fā)射陣元組成的子系統(tǒng)，計算雙程斜距歷程；

S2、針對每個接收陣元和發(fā)射陣元組成的子系統(tǒng)，基于數(shù)值分析方法計算相位駐留點；

S3、針對每個接收陣元和發(fā)射陣元所組成的子系統(tǒng)，基于數(shù)值分析方法的相位駐留點，計算二維頻域系統(tǒng)函數(shù)；

S4、針對每個接收陣元和發(fā)射陣元所組成的子系統(tǒng)，計算待評估模型的二維頻域系統(tǒng)函數(shù)；

S5、針對每個接收陣元和發(fā)射陣元所組成的子系統(tǒng)，根據(jù)多子陣合成孔徑聲納的方位空不變和距離空變特性，設置目標空間坐標；

S6、針對每個接收陣元和發(fā)射陣元所組成的子系統(tǒng)，在二維頻域內(nèi)計算相位誤差。

作為本發(fā)明的一個優(yōu)選的技術(shù)方案，所述的步驟S2的相位駐留點計算公式如下：

其中v表示聲納載體的運動速度，c表示聲波在水中的傳播速度；i表示第i個接收陣元和發(fā)射陣元所組成子系統(tǒng)的索引，d_i表示第i個子系統(tǒng)的收、發(fā)陣元間距，表示對應于第i個子系統(tǒng)的相位駐留點；r表示目標斜距向的坐標；f_τ和f_t分別表示對應于距離向快時間τ與方位向慢時間t的瞬時頻率。

作為本發(fā)明的一個優(yōu)選的技術(shù)方案，所述的步驟S3的二維頻域系統(tǒng)函數(shù)，其計算公式如下：

其中f_c表示寬頻帶信號的中心頻率；P(f_τ)表示系統(tǒng)所發(fā)射寬頻帶信號頻譜的相位；表示信號所經(jīng)歷的雙程斜距歷程。

作為本發(fā)明的一個優(yōu)選的技術(shù)方案，所述的步驟S5的目標空間坐標的設置，其依據(jù)是多子陣合成孔徑聲納的方位空不變和距離空變特性，從而在二維平面設置一系列方位坐標固定、距離向坐標空變的理性點目標。

作為本發(fā)明的一個優(yōu)選的技術(shù)方案，所述的步驟S6的二維頻域相位誤差計算公式如下：

其中表示針對第i個子系統(tǒng)所設置的第n個空間理想點目標的距離向坐標；表示待評估成像模型的二維頻域系統(tǒng)函數(shù)。

本申請實施例中提供的一個或多個技術(shù)方案，至少具有如下技術(shù)效果或優(yōu)點：

克服了傳統(tǒng)成像模型或成像算法圖像聚焦性能評估周期長、數(shù)值指標不夠直觀等問題。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明的二維頻域相位誤差計算流程。

圖2為多子陣合成孔徑聲納系統(tǒng)二維成像幾何。

圖3為收、發(fā)陣元最近時的二維頻域相位誤差。

其中(a)為斜距25米時的相位誤差，(b)為斜距80米時的相位誤差，(c)為斜距100米時的相位誤差，(d)為斜距140米時的相位誤差。

圖4為收、發(fā)陣元最遠時的二維頻域相位誤差。

其中(a)為斜距25米時的相位誤差，(b)為斜距80米時的相位誤差，(c)為斜距100米時的相位誤差，(d)為斜距140米時的相位誤差。

具體實施方式

為了更好的理解上述技術(shù)方案，下面將結(jié)合說明書附圖以及具體的實施方式對上述技術(shù)方案進行詳細的說明。

如圖1所示，本實施例所述的一種多子陣合成孔徑聲納相位誤差分析方法，包含以下步驟：

S1、針對每個接收陣元和發(fā)射陣元組成的子系統(tǒng)，計算雙程斜距歷程；

S2、針對每個接收陣元和發(fā)射陣元組成的子系統(tǒng)，基于數(shù)值分析方法計算相位駐留點；

S3、針對每個接收陣元和發(fā)射陣元所組成的子系統(tǒng)，基于數(shù)值分析方法所求得的相位駐留點，計算二維頻域系統(tǒng)函數(shù)；

S4、針對每個接收陣元和發(fā)射陣元所組成的子系統(tǒng)，計算待評估模型的二維頻域系統(tǒng)函數(shù)；

S5、針對每個接收陣元和發(fā)射陣元所組成的子系統(tǒng)，根據(jù)多子陣合成孔徑聲納的方位空不變和距離空變特性，設置目標空間坐標；

S6、針對每個接收陣元和發(fā)射陣元所組成的子系統(tǒng)，在二維頻域內(nèi)計算相位誤差。

其中，在本實施例中，所述的步驟S2的相位駐留點計算公式如下：

其中v表示聲納載體的運動速度，c表示聲波在水中的傳播速度；i表示第i個接收陣元和發(fā)射陣元所組成子系統(tǒng)的索引，d_i表示第i個子系統(tǒng)的收、發(fā)陣元間距，表示對應于第i個子系統(tǒng)的相位駐留點；r表示目標斜距向的坐標；f_τ和f_t分別表示對應于距離向快時間τ與方位向慢時間t的瞬時頻率。

作為本發(fā)明的一個優(yōu)選的技術(shù)方案，所述的步驟S3的二維頻域系統(tǒng)函數(shù)，其計算公式如下：

其中f_c表示寬頻帶信號的中心頻率；P(f_τ)表示系統(tǒng)所發(fā)射寬頻帶信號頻譜的相位；表示信號歷經(jīng)的雙程斜距歷程。

其中，在本實施例中，所述的步驟S5的目標空間坐標的設置，其依據(jù)是多子陣合成孔徑聲納的方位空不變和距離空變特性，從而設置一系列方位坐標固定、距離向坐標空變的空間理性點目標。

其中，在本實施例中，所述的步驟S6的二維頻域相位誤差計算公式如下：

其中表示針對第i個子系統(tǒng)所設置的第n個空間理想點目標的距離向坐標；表示待評估成像模型的二維頻域系統(tǒng)函數(shù)。

更具體的，如圖2所示為多子陣合成孔徑聲納系統(tǒng)二維成像幾何，聲納平臺在以速度v前進的過程中，發(fā)射陣元同時向正側(cè)方向以固定的脈沖重復頻率發(fā)射與位置無關(guān)的寬頻帶信號；經(jīng)過t時間后，發(fā)射陣在方位向的位置為vt，此時發(fā)射陣元與空間坐標為(0,r)理想點目標之間的距離R_T(t；r)為：

多接收陣的采用提高了傳統(tǒng)合成孔徑聲納系統(tǒng)的測繪速率，如果忽略聲波傳播時間τ^*內(nèi)平臺的運動，那將會導致方位向聚焦性能的下降以及距離向目標走動現(xiàn)象的發(fā)生；當波束較窄時，τ^*可用2r/c近似。不失一般性，在此僅考慮與發(fā)射陣相隔d_i的第i個接收陣元，那么點目標到接收陣的實際傳播路徑長度為：

信號所經(jīng)歷的雙程斜距歷程為：

發(fā)射信號的頻譜為P(f_τ)，對于第i個接收陣元和發(fā)射陣元所組成的第i個子系統(tǒng)，根據(jù)相位駐留原理可得

即

采用數(shù)值分析方法中的二分法求解上式，便可得到對應于第i個子系統(tǒng)的相位駐留點依據(jù)所求解的相位駐留點計算二維頻域系統(tǒng)函數(shù)為：

以待評估的Loffeld模型為例，針對第i個子系統(tǒng)，基于Loffeld模型的二維頻域系統(tǒng)函數(shù)為：

根據(jù)多子陣合成孔徑聲納的方位空不變和距離空變特性，在二維空間設置方位固定、距離空變的理想點目標，計算對應于第i個子系統(tǒng)距離空變的二維頻域相位誤差：

下面給出一組典型的合成孔徑聲納系統(tǒng)參數(shù)：

依據(jù)所給出的典型參數(shù)，按照上述步驟，針對收、發(fā)陣元最近時的第1個子系統(tǒng)，不同斜距情況時的相位誤差如圖3所示；針對收、發(fā)陣元最遠時的第32個子系統(tǒng)，不同斜距情況時的相位誤差如圖4所示，第三個關(guān)于距離的自由度可以分別聯(lián)合圖3或者圖4中不同距離處的相位誤差圖得到。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，當可利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容作出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。