毕业论文基于线性调频变标方式的合成孔径成像算法仿真.docx
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LANZHOUUNIVERSITYOFTECHNOLOGY
毕业设计
题目基于线性调频变标方式的合成孔径成像算法仿真
学生姓名 学 号 专业班级 指导教师 学 院
答辩日期 2014年6月17日
基于线性调频变标方式的合成孔径成像算法仿真
SyntheticApertureImagingAlgorithmSimulationbasedontheChirpScalingApproach
xxxxxxxxx
兰州理工大学毕业设计
摘要
合成孔径声纳是一种新型高分辨水下成像声纳，其基本原理是利用小孔径基阵的移动，通过对不同位置接收信号的相关处理，来获得移动方向（方位方向）上较大的虚拟合成孔径。
合成孔径技术相对于常规声纳技术的突出优势在于，它只利用小孔径的物理声阵，就可以得到与径向距离和频率都无关的高方位分辨率。
该技术在卫星雷达和机载雷达上均获得了巨大成功。
近年来广泛应用于军事及国民经济的许多领域，如军事侦察、环境监测、海底资源管理等方面。
另外，合成孔径声纳（SAS）技术的显著优点是利用小尺寸基阵便可获得较高的方位分辨率，且不依赖于工作频率和作用距离。
在海底探测以及海底成像领域有着广泛的应用前景，但它对载体运动、声纳水下工作环境也有着严格的要求。
本设计首先详细介绍了合成孔径技术成像的基本原理和常用方法，并对线频调变标算法
（Chirp-Scaling算法，简称CS算法）做详细分析，线性调频变标算法（CS）对距离徙动的处理采用CS操作消除距离徙动的空变特性，然后利用平移对所有散射点剩余的距离徙动进行统一校正。
CS操作的本质是对线性调频回波乘上一个小调频率的线性调频信号，使回波的相位发生改变，经过压缩后使散射点包络的位置发生改变，这种操作对离参考距离越远的散射点的位置移动越大，对离参考距离越近的散射点的位置移动越小，从而满足距离徙动校正的空变特性。
关键词：
合成孔径声纳；分辨率；CS算法；距离徙动
Abstract
Syntheticaperturesonarisanewhighresolutionunderwaterimagingsonar,itsbasicprincipleistousemobilesmallaperturearray,throughtothecorrelationprocessingofreceivedsignalsindifferentposition,togetthemovingdirection（azimuth）virtualsyntheticaperturelarger.Thesyntheticaperturetechniqueistheoutstandingadvantagesrelativetoconventionalsonartechnology,itonlyusesaphysicallysmallarray,itcanobtainhighazimuthresolutionhasnothingtodowithradialdistanceandfrequency.Thetechnologyinsatelliteradarandairborneradarareachievedgreatsuccess.Manyareasinrecentyearsarewidelyusedinmilitaryandnationaleconomy,suchasmilitaryreconnaissance,environmentalmonitoring,marineresourcemanagementetc..
Inaddition,thenotableadvantageofSyntheticApertureSonar（SAS）isgettinghighAzimuthresolutionbyapplyingthearraywithsmallsize,andisindependentofworkingfrequencyanddetectingrange.Inthefieldofunderwateracousticresearchandseabottommapping,SAShasbroadappliedpotentials,butitalsohasstrictrequesttounderwateracousticenvironmentandtothemotionofsonarGarner.
Thisdesignfirstintroducedthebasicprinciplesandmethodsofsyntheticapertureimagingtechnique,andthechirpscalingalgorithm（Chirp-Scalingalgorithm,CSalgorithm）todoadetailedanalysis,ThenatureofCSoperationisthelinearfrequencymodulationsignalofLFMechobythelastminorfrequency,theechophasechange,afterthecompressedscatteringenvelopetochangethepositionofthemovingscatterers,thisoperationonthereferencedistancemorefarpositionmore,movingtothescatteringpointfromthereferencedistancethelocationissmall,soastosatisfytherangemigrationcorrectionofspacevariantcharacteristics.
Keywords：
Syntheticaperturesonar;Resolution;ChirpScaling;Rangemigration
目录
第一章引言 1
1.1合成孔径的研究背景及意义 1
1.2合成孔径声纳的发展历史及现状 2
1.3设计主要内容 3
第二章合成孔径声纳成像原理 5
2.1SAS成像基本原理 5
2.2线性调频信号及脉冲压缩 6
2.2.1线性调频信号 7
2.2.2匹配滤波器技术 7
2.3SAS回波信号模型 9
2.4SAS存在的问题 12
第三章合成孔径声纳成像算法 14
3.1合成孔径声纳成像模型 14
3.2距离徙动 14
3.3距离多普勒算法 17
3.3.1正侧视距离-多普勒算法 17
3.3.2校正线性距离走动的距离-多普勒算法 19
3.3.3频域校正距离走动的距离-多普勒算法 21
3.4距离徙动算法（RMA） 24
3.4.1距离直接采样形式的RMA算法 24
3.4.2距离DECHIRP形式RMA算法 25
3.5线性调频变标算法（CS） 26
3.5.1ChirpScaling原理 26
3.5.2方位向FFT 26
3.5.3ChirpScaling相位相乘 27
3.5.4距离向FFT 27
3.5.5距离徙动校正、距离压缩及二次距离压缩 28
3.5.6方位滤波及残余相位消除 28
3.5.7距离向IFFT与方位向IFFT 28
第四章CS算法的仿真与结果分析 29
4.1原始信号的接收 29
4.2距离向匹配滤波 30
4.3消除相位影响后的频谱 31
4.4方位向匹配滤波 31
总结 33
参考文献 34
附录 36
致谢 63
1.1合成孔径的研究背景及意义
第一章引言
65
最近这几年，人类已将注意力越来越多的投放到了海洋资源的开发与利用中，积极探索海洋的奥妙成为了21世纪众多国家的国家发展战略。
其中海底成像技术已成为海洋探测的一种重要手段，但由于电磁波在水中传播能量损失极大，不管是高频段和低频段的电磁波[1]，由于海水的强传导率严重限制了电磁波的探测距离，电磁波在海水中的传播距离不会很远。
然而，声音在水中传播却要容易得多，可以这样说，在人们所熟知的各种辐射形式中，声波在水中的传播最佳，尤其是低频声波在海水中的衰减最小。
也就是说，声波是目前唯一可利用的能够在水中远距离传播的能量形式，因此声波作为在水中进行探测和通讯的主要手段，在海洋监测、海洋工程、海上军事作战、海洋科学研究等方面发挥着不可替代的作用。
水下较远距离的探测和成像一般都使用声纳[2]设备。
目前水底成像声纳主要有回声探测仪，前视声纳、测视声纳（SLS）等。
合成孔径声纳（SyntheticApertureSonar简称SAS）是一种新型的水下探测成像声纳，是国际水声高技术研究的热点之一。
与普通的声纳相比具有突出的优点：
SAS具有很高的横向空间分辨力，而且从原理上来说，它的分辨力与声纳的工作频率和作用距离无关，而仅仅决定于基阵的物理孔径长度。
这样我们就可以用较小的声纳基阵和较低的工作频率同时满足近距离和远距离的探测需要。
同时，由于分辨力与探测距离无关，SAS还可以获得均匀的空间分辨力。
水下地形地貌和水中物体观测的需求促进了水声成像技术的发展。
在民用方面，海底矿物资源开发需要进行工程勘测和水下监视；在海洋权益划界谈判中，需要海底地形地貌资料的支持；航道疏浚工程也需要地形地貌测量和工程量评估；重要水上活动区域、基地、水下设施和船只等需要防范小型潜器（如微型潜艇）和蛙人的恐怖袭击；水声成像技术还可用于船舶避碰、水下工程（护岸工程、水下管线等）探查、沉物打捞、水下作业监视、水下考古等。
在军事方面，水声成像技术可以用于水雷等水下爆炸物的探测与识别、基地和舰艇的安全防范、地形匹配导航等。
合成孔径声纳技术的研究是一个涉及到水声物理、信号处理、声学基阵技术以及计算机技术的综合研究领域。
声纳系统中，获得高方位分辨力变得越来越重要、而且也越来越困难。
因为为了提高探测距离，工作频率越来越低，而低频条件下提高方位分辨力意味着更长的水听器阵列。
但由于拖曳过程中的稳定性和机动性的限制，把基阵长度增加到太大的量级是不现实的，这就使孔径合成技术成为了值得研究的方法。
因此，SAS具有利用低频、小尺寸换
能器获得远距离高方位分辨率的特点，在高分辨成像领域有着极大的潜在应用前景。
然而相对较低的声传播速度、不规则的载体运动误差以及介质起伏等因素制约着合成孔径声纳成像技术在实际环境中的使用。
这就使获得更稳定和实用性更强的成像算法和技术变得尤为重要。
1.2合成孔径声纳的发展历史及现状
合成孔径技术最早起源于雷达成像[3]的领域，目的是提高雷达图像的方位分辨力[16]，将它引入声纳领域是从60年代末开始的。
合成孔径声纳（SAS）的原理研究从20世纪60年代开始。
美国Raytheon公司于1967
年提出关于SAS可行性的报告,Walsh于1969年申请了第一个SAS专利。
但是20世纪
60至70年代SAS发展缓慢，这里有技术实现上的困难，也有对SAS技术上是否可行的认识问题。
在SAS研究领域，有两个主要问题被认为影响了SAS技术发展。
第一个是水声信道问题，水声环境一般比较恶劣（如随时变化的信道），不同回波信号的相干性是个问题。
另一个问题是声波传播速度比电磁波慢得多，由于方位模糊问题，使得信号空间采样率较低，大大限制了SAS载体的运动速度，进而限制了测绘速率的提高。
然而，它们之间，从原理到应用相似之处颇多。
合成孔径声纳经历了与合成孔径雷达[17]
（SAR）相似的发展过程。
在巨大军事和民用需求的拉动下，合成孔径雷达目前仍是活跃的研究领域，并且机理研究不断深入，技术指标不断提高，应用领域不断扩大。
合成孔径技术在声纳领域的应用远不如雷达成功，虽然经过三十几年的发展，仍未进入实用阶段。
这主要是因为水中声波传播速度较低（相比于电磁波）、声纳载体不规则运动及介质起伏等复杂的水下信息传播环境带来的影响。
因此，利用实验进行SAS研究受到各国的普遍重视，一方面可以验证与深化理论研究的结果，另一方面可以为SAS实时处理系统的研制打下坚实的基础。
国外方面，90年代以来，澳洲、欧洲、北美国家先后研制出SAS实验样机，并且性能在不断提高。
一些SAS系统的作用距离从原来的几十米、几百米到十几公里，甚至更远；分辨率也从米、分米到厘米量级。
合成孔径成像在雷达领域取得的成功，推动了合成孔径声纳技术的发展。
由于合成孔径成像的相似性，SAS可借鉴SAR中的技术成果，SAR中的成像算法可用于SAS中。
受
SAR成功的鼓舞，一些国家自80年代以来进行了较多的水声传播和合成孔径声纳成像试验。
进入20世纪90年代，SAS研究开始活跃起来，并出现了实验样机系统。
一些SAS系统的作用距离从几十米到几百米，甚至到十几公里远，分辨力也从米、分米到厘米量级。
新西
兰CAN2TERBURY大学PerterGough领导的课题组于1993年推出的KIWISAS,是第一个合成孔径声纳海试样机系统。
欧州SAMISAS于1995—1996年进行了海上试验，获得了较远距离上的大面积范围海底测绘图。
法国的新型合成孔径声纳IMBAT3000是商用型的，主要用于水下地形地貌勘测和石油开采。
美国在该领域投资很大，研究成果也处于领先地位。
美国雷声公司和DTI公司从1994年起合作研制了两型合成孔径声纳系统DARPA和CEROS,分别用于探测水雷和近水域埋藏的爆炸物。
美国DTI公司最新推出分辨力10cm的PROSAS系统，是一个商用产品，可以安装在AUV或ROV上。
此外，日本、荷兰、挪威、俄国等也有SAS系统研制的报道。
国内方面，在国家高技术研究发展计划的支持下，我国从1997年启动合成孔径声纳研究。
经过8年的发展,我国在SAS理论及关键技术方面取得了很大进展，先后研制出湖试和海试合成孔径声纳成像系统，完成了一系列试验，达到了与国际同步的发展水平。
SAS成像方式决定了它将要受到载体运动轨迹误差及介质起伏的严重影响，因而绝大多数实验是在可控的理想环境下进行的，一般将固定声纳换能器的走架运行于导轨上来保持声纳轨迹的直线性。
各国进行SAS实验时，大部分采用了小目标，如乒乓球、柱形杆、水泥墩、木墩、渔浮、油桶及金属球等进行探测与成像。
目标一般悬于水中或沉于海底，或掩埋、半掩埋于海底。
利用实验采集到的数据可以进行诸如成像算法，运动补偿及提高测绘速率等技术的研究。
SAS在实际应用中遇到种种限制，主要是由于水声环境的特殊性决定的。
声纳载体不规则运动及介质扰动造成的相位误差，对于孔径能否合成起着关键作用。
为得到高质量的SAS图像，必须进行运动误差的补偿。
由于水中声传播速度较低（相对于电磁波而言），使得不能采用较高的信号重复频率，从而只能限制载体的运动速度以避免空间降采样引起的方位模糊，结果限制了声纳的测绘速率。
而较低的信号重复频率又进一步加剧了载体不规则运动及介质不稳定带来的相位误差的影响，从而增加了运动误差补偿的负担。
针对以上这些困难，当前主要的四个研究方向为：
介质稳定性对SAS的影响、运动补偿、提高测绘速率、高效稳健的合成孔径成像算法等等。
总之，SAS技术仍在发展之中，它不但涉及工程问题，也涉及与之相关的水声物理问题。
普遍认为，距离SAS的真正实用仍有相当长的一段路程。
1.3设计主要内容
设计内容主要包含理论，仿真以及实验三部分。
首先介绍了合成孔径声纳的研究背景，其次介绍了合成孔径声纳的成像算法，在引出合成孔径声纳成像的数学模型以及目标响应的
数学表达式的基础上，具体研究了基于时域、频域、波束域几种典型的合成孔径声纳成像算法，例如距离徙动算法、距离一多普勒算法、ChirpScaling成像算法等，并对算法进行了仿真。
最后，在文章的末尾部分对全文进行总结。
第二章合成孔径声纳成像原理
2.1SAS成像基本原理
我们知道，对于孔径尺寸为D的发射阵，其半功率点波束宽度[4]大约为
q =l
（2-1）
3dB D
其中l为发射信号的波长。
如果目标距发射阵的距离为r0，则用线性尺寸表示的目标方位分辨率为
r=r×q =lr
（2-2）
0 3dB D0
从（2-2）式可以看到，发射阵孔径D越大，对目标的方位分辨率越高[5]。
但是，由于实现上的困难，我们不能无限制地增大发射阵尺寸，因此真实孔径声纳的目标分辨率是相当有限的。
同时也应注意到l正比于r0，即真实孔径对远距离目标的方位分辨率很差。
此外，要想获得较高的分辨率，必须提高信号的发射频率。
而信号的衰减随着频率的增大而增大，这就意味着我们需要用更大的发射功率才能获得传输更远的距离。
面临以上问题，我们设想用孔径为D的真实孔径声纳的运动来等效地构成一个大孔径声纳，则目标方位分辨率可得到提高。
可以证明，满足一定的条件就可以在运动方向上获得一
个等效的大的天线孔径L，则声纳对目标的分辨率将提高LD倍。
一个合成孔径声纳使用真实孔径在许多方位向位置处发射和接收信号，来获得一个更大孔径的分辨率。
合成孔径阵元的最大尺寸由真实尺寸声纳的发射半功率波束宽度所覆盖的目标区域所决定，如图2-1所示，要照射L=r0q3dB的目标区域，真实孔径大小为D即可，但对应合成孔径的等效大小却为2L，即
Dsas=2r0q3dB
所以合成孔径声纳的方位向分辨率为
（2-3）
r=r0
×qsas
=r0×
l
Dsas
=r0
·l=D
2r0l 2
D
（2-4）
因此可以看出，与传统声纳不同，方位向合成孔径声纳的分辨率独立于目标距离和发射信号频率，仅由真实孔径声纳尺寸D决定，并且D越小分辨率越高，我们可以在低频下（意味着信号衰减小和作用距离远）得到比真实孔径声纳分辨率高的图像来。
但方位分辨率并非
可以无限地提高，可以证明其方位分辨率极限[6]为：
r³l
4
（2-5）
D
D
D
2L
q3dB
r0
L
图2-1合成孔径声纳侧视图
由此可以总结合成孔径声纳形成条件为：
真实孔径声纳相对于目标运动，并发射线性调频信号，记录接收信号并做适当信号处理，使对同一目标单元的各个回波信号能够同相叠加，这种工作方式也称为聚焦式SAS[6]。
非聚焦式SAS[6]是指不改变孔径内从各种不同位置来的信号的相移就进行存储信号的积累。
可以想到，既然对各种不同位置来的回波信号不进行相位调整，则相位的合成孔径长度一定受到限制。
如果Ls为非聚焦合成孔径长度，越过这个范围的回波信号会产生较大相位差，如果让它与Ls范围内的回波信号相加，其结果反而会使能量减弱而不是加强。
这是很容易用两个矢量相加的概念来解释的，如果两个矢量的相位差超过p/2，则它们的和矢量可能会小于原来矢量的幅度。
非聚焦式SAS的分辨率[6]为：
lr0
r» （2-6）
2
SAS是通过发射阵[18]相对于目标的运动来获得高分辨的。
这种方法只能在航迹方向（即方位向）获得高分辨，在与其垂直的方向（即距离向）必须采用别的方法来获取高分辨率。
通常我们采用脉冲压缩技术来获取距离向高分辨率，因为此种技术还能以较低的峰值功率产生较高的平均发射功率电平，从而达到较大的作用距离。
这时发射阵在每一个方位向位置上发射相同的线性调频信号，接收时通过匹配滤波器将其压缩为窄脉冲，从而获得高的径向距离分辨率[1]。
2.2线性调频信号及脉冲压缩
脉冲压缩技术能提高声纳的距离分辨率。
这种体制采用宽脉冲发射以提高发射的平均功率，保证足够大的作用距离；而接受时采用相应的脉冲压缩算法获得窄脉冲，以提高距离分辨率，较好的解决声纳作用距离与距离分辨率之间的矛盾。
在应用中一般选择是线性调频（LinearFrequencyModulation）为发射信号，接收时
采用匹配滤波器（MatchedFilter）压缩脉冲[7]。
2.2.1线性调频信号
LFM信号（也称Chirp信号）的数学表达式为：
ætö
j2pæf±Kt2ö
è
ø
s（t）=rectç ÷e
çc2÷
（2-7）
式中fc
为载波频率，
t
rect（）
T
èTø
为矩形信号，
t ì t
rectæö=ï1 £1
（2-8）
çT÷ í T
è ø ïî0 其他
K=B是调频斜率，于是信号的瞬时频率为f
T c
±Kt（-T2
£t£T
2），如图2-2
图2-2典型的chirp信号
将2-7式中的up-chirp信号重写为：
式中，
s（t）=S（t）ej2pfct
T
S（t）=rect（t）ejpKt2
（2-9）
（2-10）
是信号s（t）的复包络。
由傅立叶变换性质，S（t）与s（t）具有相同的幅频特性，只是中心频率不同。
2.2.2匹配滤波器技术
对于线性调频发射信号而言，合成孔径声纳成像的第一步处理就是对回波信号进行距离向脉冲压缩。
脉压处理的本质就是对回波信号做匹配滤波[7]。
信号s（t）的匹配滤波器的时域脉冲响应为：
h（t）=s*（-t）
（2-11）
将2-7式代入2-11式得：
T
h（t）=rect（t）e-jpKt2´ej2pfct
匹配滤波h（t）
S（t）
S0（t）
（2-12）
图2-3LFM信号的匹配滤波
如图2-3，s（t）经过系统h（t）得输出信号so（t），
s0（t）=s（t）*h（t）
¥
=òs（u）h（t-u）du=
-¥
¥
¥
òh（u）s（t-u）du
-¥
=òe-jpKu2rectæuöej2pfcu´ejpK（t-u）2rectæt-uöej2pfc（t-u）du
çT÷ çT ÷
-¥ è ø è ø
合并0£t£T和-T£t
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