前视声纳多普勒波束锐化方法与流程

本发明属于前视声纳，具体涉及一种前视声纳多普勒波束锐化方法，用于提高前视声纳分辨率，或减少接收通道数和系统复杂性。

背景技术：

前视声纳是一种常用的图像声纳，主要用于猎雷、侧扫声纳的补盲和避碰。前视声纳具有分辨率高(方位束宽低至0.5度)，单次发射脉冲即可得到测绘场景图像的优点。但也存在接收通道数多(国际上先进的前视声纳有200个通道左右)；设备复杂、成本高的缺点。

技术实现要素：

本发明目的在于克服上述现有技术的不足而提出一种前视声纳多普勒波束锐化方法，该方法能够在不增加通道数前提下，提高前视声纳方位分辨率的技术；或者在给定分辨率前提下，减少接收阵元和接收通道个数。

实现本发明目的采用的技术方案是一种前视声纳多普勒波束锐化方法，该方法利用同一波束内不同方位目标多普勒频率的差异分辨目标。

在上述前视声纳多普勒波束锐化方法中，采用波束方位点目标回波频率置零技术。

在上述前视声纳多普勒波束锐化方法中，通过减小相干时间减小多普勒带宽，防止出现多普勒带宽超过脉冲重复频率。

在上述前视声纳多普勒波束锐化方法中，通过在时间上轮发正交波形提高脉冲重复频率。

在上述前视声纳多普勒波束锐化方法中，采用束宽展宽方法增大合成孔径长度，增加相干积累时间。

本发明的价值在于采用四种技术解决前视声纳dbs使用中的三大问题，使得dbs技术在声纳中得以实现。其技术优势是在前视声纳硬件不做改动或改动很小(正交波形轮发)的前提下，提高前视声纳的分辨率，尤其是边缘波束的分辨率。

附图说明

图1为前视声纳工作几何；

图2为同一个波束内的距离相同、方位不同三个点目标脉冲压缩后信号图；

图3徙动校正后的信号；

图4两正交信号轮流发射；

图5前视声纳信号处理流程图。

具体实施方式

本发明的工作原理是：利用同一波束内不同方位目标多普勒频率的差异分辨目标，这一技术称为多普勒波束锐化(dbs)。

但前视声纳dbs远比雷达dbs实现难度大：前视声纳脉冲重复频率低，存在多普勒中心频率模糊和多普勒带宽模糊。要实现声纳的dbs必须解决这两个难点。本方法发明首先解决这种这两个难点，使得dbs在声纳中可以应用。

对于前视声纳dbs来说，多普勒中心模糊不可避免，只能通过信号处理予以消除，这一技术称为波束中心方位点目标回波频率置零(简称中心频率置零)技术。具体的技术方案是：在进行距离徙动校正时，进行相位补偿，其效果是将波束中心方位点目标回波中心频率搬移到零。

对于多普勒带宽模糊采用两种技术措施。前一种方法称为相干积累时间约束技术。具体技术方案是：采用减小相干积累时间，减小多普勒带宽。这种技术是一种折中解决方法，它虽然解决了多普勒带宽模糊，但由于相干时间减小，频率分辨率降低，导致方位分辨率降低，达不到dbs的理论分辨率。其优点是技术简单，容易实施。

后一种方法称为正交波形轮发技术。具体技术方案是：在时间上轮流发射多个正交波形，提高脉冲重复频率，消除多普勒带宽模糊。该技术可以在保证距离不模糊的前提下，提高脉冲重复频率。其工作原理是采用脉冲压缩，分离各正交波形各自的信号。轮发正交波形可以从根本上解决多普勒带宽模糊，但系统的复杂性增加。一方面必须产生多个发射波形，另外必须使用大时间带宽信号。而前视声纳很多场合使用简单的cw波。采用正负线性调频的双正交发射波形是实用的方法。

除了以上两个问题外，前视声纳dbs还存在一个需要解决的问题是：当前视声纳波束很窄时，dbs相干积累时间不足，为了解决这一问题，采用增大束宽的方法技术予以解决。

以上技术应用场合说明如下：

中心频率置零技术是前视声纳必须采用的技术，是解决多普勒中心频率唯一有效的技术措施。

相干积累时间约束技术和正交波形轮发技术用于解决多普勒带宽模糊，这一问题出现与系统参数有关。

束宽展宽适用于窄波束情形，当束宽增加时，可能会带来多普勒带宽模糊问题，这时解决模糊的有效技术应该是正交波形轮发技术。否则将失去了增大束宽以提高分辨率的意义。

1.基本原理和前视声纳dbs实现的难点

前视声纳工作几何如图1所示。声纳在0时刻，其视线(los)的方位角、下视角和锥角(视线与航迹之间夹角)分别为α,β,ψ，声纳的运动速度为v。不失一般性，点目标p位于(r,0)。位于x(t)＝vt的声纳到目标的斜距r(t；r)为：

多普勒相位史为：

其多普勒频率为：

上式表明多普勒频率可以写成与时间无关项fd0和时间的线性项有关项fd,l。与合成孔径处理最大的差异是，dbs仅利用多普勒频率fd0的差异分辨目标(即方位角不同，多普勒频率也不同)，属于非聚焦合成孔径成像，分辨率劣于聚焦型合成孔径。

由(3)式多普勒频率与方位角和俯仰角关系式可进一步写成：

对于给定的距离环且有平地假设，β固定。同一波束内有两个散射点，方位角不同多普勒频率不同，通过频率分辨来改善角度分辨。

将(3)式对时间求导，得到多普勒带宽：

其中δt称为相干积累时间。

但前视声纳脉冲重复频率低，带来两大问题：一是多普勒中心频率高度模糊，它是由与时间无关的多普勒频率fd0所致，我们称为多普勒中心频率模糊，这种模糊是声纳dbs无法回避的，只能通过信号处理的方法，予以消除。二是如果多普勒带宽bd(r)超过脉冲重复频率，会带来多普勒带宽模糊。这种模糊是不允许出现的，它会造成频谱混叠，必须避免。

2.中心频率置零技术

对于多普勒中心频率模糊，本发明方法采用波束中心点目标回波多普勒频率置零技术。它是结合距离徙动校正同时完成的。

图2为同一个波束内的距离相同、方位不同三个点目标脉冲压缩后的信号，它们在距离和方位上均无法分辨，距离随方位改变而改变，呈斜线，距离徙动明显，所谓距离徙动是指在相干积累时间内，目标的回波不在同一距离分辨单元。为此必须在信号处理中进行距离徙动校正，将徙动的距离单元校正到同一距离单元，保证同一目标的回波能相干积累。具体作法是首先对接收信号进行脉冲压缩(如果采用大时间带宽积信号)，然后选定参考方位，一般将参考方位选定为波束中心方位，以参考方位距离徙动量进行徙动校正，徙动校正量为δr(i；r)＝[v·(i-1)·pri]cosψ0，其中i,pri,ψ0分别为脉冲序号、脉冲重复间隔和参考方位所对应锥角。

在信号处理过程中结合距离徙动步骤进行消除，在进行徙动校正的同时补偿相位，将波束中心所对应的信号补偿成零多普勒频率，相位的补偿量为图3是经过徙动校正后的信号，可以看出距离徙动已经校正，不再是斜线，但目标距离和方位仍然不可分。

3.相干积累时间约束技术

采用减少相干积累时间减小多普勒带宽，而频率分辨率与相干积累时间成反比，但减小相干积累时间会降低时间分辨率，进而降低锐化比。

4.正交波形轮发技术

为了保证距离不模糊，又提高脉冲重复频率，本发明方法采用在时间上轮流发射正交波形的方法，图4给出了两个正交波形轮发的示意图。正交波形是指互相关系数远小于自相关系数的信号，如正负线性调频信号、码型不同的相位编码信号，可以按照申请号为200510019579.7，专利名称为合成孔径声纳运动误差和水声信道相位误差的测量方法，以及申请号为200610125342.1，专利名称为单接收阵合成孔径声纳干涉测量方法中的波形正交方法处理。

5.波束展宽技术

如果前视声纳分辨率高，波束很窄，可能会出现dbs相干积累时间不够问题。这是因为合成孔径成像与阵处理相反，阵越小，波束越宽，分辨率越高；而对于阵处理来说，阵越大，波束越窄，分辨率越高。大孔径条件下，必须增加前视声纳束宽，增加相干积累时间。通过以束宽作为约束条件形成波束技术达到。

6.前视声纳dbs信号处理的主要步骤

前视声纳dbs信号处理流程图如图5所示。关键的步骤是波束形成(波束展宽波束形成和常规波束形成)、脉冲压缩(仅对大时间带宽信号)、距离徙动校正、慢变时间idft等。