合成孔径声呐成像算法研究及MATLAB仿真

摘要

合成孔径声呐技术是一种新型的高分辨率的水声成像技术，它利用小孔径基阵沿航线匀速运动时，周期性的发送线性调频信号，将接收到的回波信号进行相干累加，形成虚拟的大孔径基阵，实现方位向的高分辨率。合成孔径声呐技术突出的优点在于目标的方位向分辨率仅与基阵的孔径大小有关，与目标的所在位置或者发射信号的频率无关。但是合成孔径也存在着缺点：一是对基阵的运动有着严格的要求，因为合成孔径需要相累加的回波信号必须是相干的；二是需要处理的数据量大，系统比较复杂，这点随着计算机技术的发展已经得到了缓解。
　　由于时域延时求和成像算法在合成孔径技术中比较成熟，我国合成孔径声呐系统多采用时域延时求和算法。但当探测距离变远后，合成孔径声呐的有效长度大大增加，要处理的数据量增多，使得时域延时求和算法不能满足实时性处理的要求。为此，本文优选了波数域算法，并对其实现的细节进行了分析。
　　本文首先研究了合成孔径声呐技术的原理，分析了其方位分辨率不受距离、频率影响的原因。并且对采用合成孔径声呐技术需要对系统参数的限制条件进行了详细的研究。
　　接着对合成孔径声呐技术中需要运用到的信号处理技术进行了研究。主要内容为经典成像算法研究（时域延时求和算法、距离多普勒算法、Chirp-Scaling算法、波数域算法）；多子阵技术中的数据融合技术和空间采样不均匀时相位补偿方法，可以分为时域数据融合和频域数据融合，其中数据频域融合在解决空间采样不均匀时操作简单；由于基阵平台的不稳定性和水声信道的复杂性所造成的运动误差补偿方面，主要研究了单子阵的相位梯度自聚焦算法和多子阵的冗余相位中心算法。
　　最后通过仿真和真实数据验证了：波数域算法和时域延时求和算法的精确度是相差无几的，但运算量却远远小于时域延时求和算法。同时比较了采用不同的场景宽度和插值法对波数域算法最终成像结果所造成的影响，验证了当目标靠近场景中心时，最近邻域插值法便能保证波数域算法最终成像结果的精确性。并且在“走停走”假设不成立下，验证了改进波数域算法的正确性。

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第1章 绪论

1.1 立题背景和意义

1.2 SAS技术发展历史和国内外研究现状

1.3 SAS的研究难点和重点

1.4 论文研究的主要内容和结构安排

第2章 合成孔径声呐成像的概念及信号性质

2.1 水声通信概念

2.2 声呐回声探测与定位的基本原理

2.3 合成孔径基本原理

2.4 合成孔径声呐成像的基本原理

2.5 本章小结

第3章 合成孔径声呐信号处理技术

3.1 合成孔径算法

3.2 多子阵SAS成像

3.3 运动补偿

3.4 插值法概述

3.5 本章小结

第4章 仿真研究及试验数据分析

4.1 波数域算法仿真研究

4.2 波数域算法对试验数据处理

4.3 本章小结

第5章 总结与展望

致谢

参考文献

附录