专利名称：一种对合成孔径声纳系统相位误差估计的测试系统及方法
技术领域：
本发明涉及声纳系统测试领域，特别涉及一种对合成孔径声纳系统相位误差估计 的测试系统及方法。
背景技术：
合成孔径声纳(Synthetic Aperture Sonar :SAS)利用小尺寸基阵在方位向的移 动形成虚拟大孔径，通过对不同位置的声纳回波信号进行相干处理，从而获得高分辨率的 声纳图像。相位误差对合成孔径声纳成像的影响较大，引起相位误差主要因素包括运动误 差和多通道一致性问题，相位误差估计和补偿是合成孔径声纳信号处理的重要组成部分之 一。合成孔径声纳系统包括数据采集、数据发送以及信号处理等多个模块。因此，合成孔径 声纳干端和湿端系统在实验室进行联合调试的难度比较大。即使通过水池试验，由于水池 尺度的限制，也很难对合成孔径声纳的相位误差估计模块进行较为准确的调试。因此迫切 需要一种可用于合成孔径声纳相位误差估计的测试系统。通过此测试系统可以计算生成一 定场景下的水底回波的测试数据，并将测试数据输出为模拟信号，以完成实验室中对合成 孔径声纳相位误差估计的测试和分析。
发明内容
本发明的目的在于，为了解决上述现有技术的不足，本发明提供了一种对合成孔 径声纳系统相位误差估计的测试系统及方法。该系统与方法可模拟生成可用于对合成孔径 声纳相位误差估计进行测试的声纳回波数据。可用于测试合成孔径声纳系统对运动误差， 多通道采样误差，各通道一致性误差等引起的相位误差估计的性能。为达到上述目的，提供一种对合成孔径声纳系统相位误差估计的测试系统，其特 征在于，该系统包括声纳回波信号计算模块、模拟输出模块和测试评估模块；所述的声纳回波信号计算模块，用于根据设定的工作参数、声纳基阵运动信息、模 拟的场景信息和相位误差信息e(y)来计算出声纳回波数字信号；所述的模拟输出模块，用于将所述的声纳回波信号计算模块输出的声纳回波数字 信号转换为声纳回波模拟信号，并输入给合成孔径声纳系统来估计得到相位误差ejy)；所述的测试评估模块，用于根据所述的合成孔径声纳系统估计得到相位误差 ei(y)和初始生成声纳回波信号的相位误差信息e(y)进行比较来完成对合成孔径声纳系统 相位误差估计性能的测试。该系统还包括信号显示模块；所述的信号显示模块，用于显示所述的模拟输出模 块输出的声纳回波数字信号，同时输出所述的测试评估模块的结果并进行对比显示。为实现上述目的，还提供一种对合成孔径声纳系统相位误差估计的测试方法，该 方法的具体步骤包括步骤1)所述的声纳回波信号计算模块根据设定的工作参数、声纳基阵运动信 息、模拟的场景信息和相位误差信息e(y)来计算出声纳回波数字信号；
步骤2)所述的模拟输出模块将所述的声纳回波信号计算模块输出的声纳回 波数字信号转换为声纳回波模拟信号，并输入给合成孔径声纳系统来估计得到相位误差 e“y)；步骤3)所述的测试评估模块根据所述的合成孔径声纳系统估计得到相位误差 ei(y)和初始生成声纳回波信号的相位误差信息e(y)进行比较来完成对合成孔径声纳系统 相位误差估计性能的测试。该方法还包括步骤4)；所述的步骤4)所述的信号显示模块显示所述的模拟输出 模块输出的声纳回波数字信号，同时输出所述的测试评估模块的结果并进行对比显示。所述的步骤1)中，所述的模拟的场景信息是生成声纳回波的场景信息。所述的步骤1)中，所述的工作参数是根据合成孔径声纳系统的参数设定；所述的合成孔径声纳系统的参数包括发射信号的中心频率、发射信号的信号带 宽、发射信号的脉冲宽度、发射信号的脉冲重复周期、回波信号仿真的采样频率、发射阵孔 径大小、接收子阵孔径大小、接收子阵的阵元个数、合成孔径声纳系统测绘带起始位置及合 成孔径声纳系统测绘带结束位置。所述的步骤1)中，所述的声纳基阵运动信息是根据测试要求设定；所述的声纳基阵运动信息包括仿真开始时，合成孔径声纳基阵在坐标系中运动 轨迹和姿态；仿真时间段中，合成孔径声纳基阵在坐标系中运动轨迹和姿态；其中，合成孔径声纳基阵的运动轨迹以声纳基阵的中心为准，合成孔径声纳基阵 的姿态采用声纳基阵与坐标轴的夹角描述；设声纳基阵的坐标中心0的坐标为[ox(y) oy (y) oz(y)]，声纳基阵与坐标轴的 夹角为[a (y) β (y) γ (y)]；其中，y表示合成孔径声纳基阵移动的前进方向；则声纳基阵中各阵元的位置可以由声纳基阵的运动轨迹和声纳基阵的夹角按照 式⑴计算得出H+l》(1)其中，《= (X; yt Zi) ,d = \cos{a) cos(^) cos(,)]。所述的合成孔径声纳基阵的位置和姿态信息存储在文件中或内存中。所述的步骤1)步骤1. 1)根据设定的工作参数随机生成待模拟区域的点目标；设定模拟区域χ e [Xmin XmaJ , y e [ymin ymax], ζ e [zmin zmax]，设定点目标的 个数N，随机生成N个目标点，目标点位置为(Xi y, Zi)，且使Xi e [Xmin XmaxLyi e [ymin
Ymax]，Zi 日[Zmin Zmax]；步骤1. 2)利用待模拟区域的点目标根据合成孔径声纳发射基阵的波束形状计 算发射波束覆盖的区域；首先，采用椭圆锥近似发射波束的主瓣形状，椭圆锥与地平面交线为一椭圆，该椭 圆的两轴为a和b，假设rmax为声波束覆盖的最远距离，则a^ α ^fflax (2)b ^ α 2rfflax (3)其中，Q1, α 2分别为声纳基阵的方位向开角和垂直向开角；
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其次，采用一个多棱锥OF1F2. . . Fn逼近椭圆锥并近似发射波束的主瓣形状，假设平 面OFiFw的平面方程为
权利要求
1.一种对合成孔径声纳系统相位误差估计的测试系统，其特征在于，该系统包括声 纳回波信号计算模块、模拟输出模块和测试评估模块；所述的声纳回波信号计算模块，用于根据设定的工作参数、声纳基阵运动信息、模拟的 场景信息和相位误差信息e(y)来计算出声纳回波数字信号；所述的模拟输出模块，用于将所述的声纳回波信号计算模块输出的声纳回波数字信号 转换为声纳回波模拟信号，并输入给合成孔径声纳系统来估计得到相位误差ei(y)；所述的测试评估模块，用于根据所述的合成孔径声纳系统估计得到相位误差ejy)和 初始生成声纳回波信号的相位误差信息e(y)进行比较来完成对合成孔径声纳系统相位误 差估计性能的测试。
2.根据权利要求1所述的对合成孔径声纳系统相位误差估计的测试系统，其特征在 于，该系统还包括信号显示模块；所述的信号显示模块，用于显示所述的模拟输出模块输出的声纳回波数字信号，同时 输出所述的测试评估模块的结果并进行对比显示。
3.一种对合成孔径声纳系统相位误差估计的测试方法，该方法的具体步骤包括步骤1)所述的声纳回波信号计算模块根据设定的工作参数、声纳基阵运动信息、模拟的场景信息和相位误差信息e(y)来计算出声纳回波数字信号；步骤幻所述的模拟输出模块将所述的声纳回波信号计算模块输出的声纳回波数字 信号转换为声纳回波模拟信号，并输入给合成孔径声纳系统来估计得到相位误差ejy)；步骤幻所述的测试评估模块根据所述的合成孔径声纳系统估计得到相位误差ei(y) 和初始生成声纳回波信号的相位误差信息e(y)进行比较来完成对合成孔径声纳系统相位 误差估计性能的测试。
4.根据权利要求3所述的对合成孔径声纳系统相位误差估计的测试方法，其特征在 于，该方法还包括步骤4)；所述的步骤4)所述的信号显示模块显示所述的模拟输出模块输出的声纳回波数字 信号，同时输出所述的测试评估模块的结果并进行对比显示。
5.根据权利要求3所述的对合成孔径声纳系统相位误差估计的测试方法，其特征在 于，所述的步骤1)中，所述的模拟的场景信息是生成声纳回波的场景信息。
6.根据权利要求3所述的对合成孔径声纳系统相位误差估计的测试方法，其特征在 于，所述的步骤1)中，所述的工作参数是根据合成孔径声纳系统的参数设定；所述的合成孔径声纳系统的参数包括发射信号的中心频率、发射信号的信号带宽、 发射信号的脉冲宽度、发射信号的脉冲重复周期、回波信号仿真的采样频率、发射阵孔径大 小、接收子阵孔径大小、接收子阵的阵元个数、合成孔径声纳系统测绘带起始位置及合成孔 径声纳系统测绘带结束位置。
7.根据权利要求3所述的对合成孔径声纳系统相位误差估计的测试方法，其特征在 于，所述的步骤1)中，所述的声纳基阵运动信息是根据测试要求设定；所述的声纳基阵运动信息包括仿真开始时，合成孔径声纳基阵在坐标系中运动轨迹 和姿态；仿真时间段中，合成孔径声纳基阵在坐标系中运动轨迹和姿态；其中，合成孔径声纳基阵的运动轨迹以声纳基阵的中心为准，合成孔径声纳基阵的姿 态采用声纳基阵与坐标轴的夹角描述；设声纳基阵的坐标中心0的坐标为[ox(y) oy(y) oz(y)]，声纳基阵与坐标轴的夹角 为[a (y) β (y) γ (y)]；其中，y表示合成孔径声纳基阵移动的前进方向；则声纳基阵中各阵元的位置可以由声纳基阵的运动轨迹和声纳基阵的夹角按照式(1) 计算得出
8.根据权利要求7所述的对合成孔径声纳系统相位误差估计的测试方法，其特征在 于，所述的合成孔径声纳基阵的位置和姿态信息存储在文件中或内存中。
9.根据权利要求3所述的对合成孔径声纳系统相位误差估计的测试方法，其特征在 于，所述的步骤1)步骤1.1)根据设定的工作参数随机生成待模拟区域的点目标； 设定模拟区域X e [Xmin XmaJ，y e [ymin ymaJ，ζ e [zmin zmax]，设定点目标的个数N， 随机生成N个目标点，目标点位置为(Xi Yi Zi)，且使Xi e [xmin XmaJ，Yi e [ymin ymax]，^ [Zmin Zmax]；步骤ι. 2)利用待模拟区域的点目标根据合成孔径声纳发射基阵的波束形状计算发 射波束覆盖的区域；首先，采用椭圆锥近似发射波束的主瓣形状，椭圆锥与地平面交线为一椭圆，该椭圆的 两轴为a和b，假设rmax为声波束覆盖的最远距离，则 a ^ α irmax ⑵ b ^ α 2rmax (3)其中，Q1, α 2分别为声纳基阵的方位向开角和垂直向开角；其次，采用一个多棱锥OF1F2. . . Fn逼近椭圆锥并近似发射波束的主瓣形状，假设平面 OFiFw的平面方程为Pi (Ai, Bi, Ci, Di) = AiX+B^+CiZ+Di = O (4)对于目标点 (Xta，Yta，Zta)， 如果满足[P1 > 0]&[P2 > 0]&[P3 > 0]&· · · &[Pn > 0] (5)则目标(xta，yta，Zta)处在发射波束的照射范围内；步骤1. 3)利用发射波束覆盖的区域计算回波声纳信号；首先，计算声纳接收子阵的等效相位中心；假设发射阵的位置为(xt，Jt, zt)，第i个接收阵的位置为(Xri，Jru Zj，则等效相位中 心的位置为 0cci，yci，Zci)；其中，xci = (xt+xri)/2, yci = (yt+yri)/2, zci = (zt+zri)/2 ； 其次，计算等效相位中心至目标的声程差；假设目标点i对应的坐标为(Xi，Yi, Zi)，则目标i对应等效相位中心j的声程差为
10.根据权利要求3所述的对合成孔径声纳系统相位误差估计的测试方法，其特征在 于，所述的步骤3)按照式(12)和式(13)评估被测试合成孔径声纳系统的性能；
全文摘要
本发明涉及一种合成孔径声纳运动误差估计测试系统及方法，其特征在于，该系统包括声纳回波信号计算模块、模拟输出模块和测试评估模块；所述的声纳回波信号计算模块，用于根据设定的工作参数、声纳基阵运动信息、模拟的场景信息和相位误差信息e(y)来计算出声纳回波数字信号；所述的模拟输出模块，用于将所述的声纳回波信号计算模块输出的声纳回波数字信号转换为声纳回波模拟信号，并输入给合成孔径声纳系统来估计得到相位误差e1(y)；所述的测试评估模块，用于根据所述的合成孔径声纳系统估计得到相位误差e1(y)和初始生成声纳回波信号的相位误差信息e(y)进行比较来完成对合成孔径声纳系统相位误差估计性能的测试。
文档编号G01S7/52GK102129068SQ20101058846
公开日2011年7月20日 申请日期2010年12月8日 优先权日2009年12月8日
发明者刘纪元, 刘维, 张春华, 黄海宁 申请人:中国科学院声学研究所