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

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e

说明书

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。

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e₁(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。

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O的坐标为[o_x(y)  o_y(y)  o_z(y)]，声纳基阵与坐标轴的夹角为[α(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：

${\stackrel{V}{r}}_i={\stackrel{V}{r}}_O+l_i\stackrel{v}{d}---\left(1\right)$

其中，${\stackrel{V}{r}}_i=\left(\begin{array}{ccc}{x}_i& y_i& z_i\end{array}\right),$$\stackrel{V}{d}=\left(\begin{array}{ccc}\cos \left(\alpha \right)& \cos \left(\beta \right)& \cos \left(\gamma \right)\end{array}\right).$

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x∈[x_min  x_max]，y∈[y_min  y_max]，z∈[z_min  z_max]，设定点目标的个数N，随机生成N个目标点，目标点位置为(x_i  y_i  z_i)，且使x_i∈[x_min  x_max]，y_i∈[y_min  y_max]，z_i∈[z_min  z_max]；

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r_max为声波束覆盖的最远距离，则：

a≈α₁r_max    (2)

b≈α₂r_max    (3)

其中，α₁、α₂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...F_n逼近椭圆锥并近似发射波束的主瓣形状，假设平面OF_iF_i+1的平面方程为：

P_i(A_i，B_i，C_i，D_i)＝A_ix+B_iy+C_iz+D_i＝0    (4)

对于目标点(x_ta，y_ta，z_ta)，如果满足：

[P₁＞0]&[P₂＞0]&[P₃＞0]&...&[P_n＞0]    (5)

则目标(x_ta，y_ta，z_ta)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(x_t，y_t，z_t)，第i个接收阵的位置为(x_ri，y_ri，z_ri)，则等效相位中心的位置为(x_ci，y_ci，z_ci)；其中，x_ci＝(x_t+x_ri)/2，y_ci＝(y_t+y_ri)/2，z_ci＝(z_t+z_ri)/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(x_i，y_i，z_i)则目标i对应等效相位中心j的声程差为：

$r_{t_{\mathrm{ji}}}=\sqrt{{(x_i-x_{\mathrm{cj}})}^2+{(x_i-x_{\mathrm{cj}})}^2+{(x_i-x_{\mathrm{cj}})}^2}---\left(6\right)$

最后，根据声程差计算目标回波数据；

设发射信号为p(t)，目标i对应等效相位中心j声程差为声速为C，则接收信号为：

$s_i\left(t\right)=p(t-\frac{r_{t_{\mathrm{ji}}}}{C})---\left(7\right)$

设目标的脉冲宽度为T，则目标i对应的信号时间为设采样率为f_s，考虑到信号离散化带来的影响，可知：

$t_{1i}=\frac{\left[\frac{r_{t_{\mathrm{ji}}}}{C}{f}_s\right]}{f_s}+1---\left(8\right)$

$t_{2i}=\frac{[(\frac{r_{t_{\mathrm{ji}}}}{C}+T)/f_s]}{f_s}+1---\left(9\right)$

T_i＝t_2i-t_1i    (10)

其中，[]表示向下取整操作；

则信号s_i(t)为p_i(t-t_1i)，其中，p_i(t)＝p(t)，

假设共有n个目标被声纳的发射波束覆盖，则最终声纳回波为：

$\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{s}_i\left(t\right)---\left(11\right).$

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；

Δe(y)＝[e(y)-e₁(y)]    (12)

${\mathrm{\Delta e}}_{\mathrm{rms}}=\frac{\underset{y_{\min }}{\overset{y_{\max }}{\int }}\Delta e^2\left(y\right)\mathrm{dy}}{y_{\max }-y_{\min }}---\left(13\right)$

其中，e(y)表示用于生成声纳回波信号的相位误差；e₁(y)表示合成孔径声纳系统估计得到相位误差；y表示合成孔径声纳基阵移动的前进方向。

本发明的优点在于，本发明可以在实验室内完成对多子阵合成孔径声纳成像系统的测试和评估，大大降低了多子阵合成孔径声纳系统的测试成本，提高了多子阵合成孔径声纳系统的联合调试的效率。

附图说明

图1为本发明提供的一种对合成孔径声纳系统相位误差估计的测试系统方框图；

图2为本发明提供的一种对合成孔径声纳系统相位误差估计的测试系统中的声纳回波信号计算模块工作流程图；

图3为在三维坐标系中的声纳基阵运动轨迹图；

图4为等效相位中心；

图5为接收基阵位置；

图6为波束照射；

图7为波束照射形状；

图8为生产的回波数据。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明提供的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做进一步阐述。

本发明提供的一种对合成孔径声纳系统相位误差估计的测试系统方框图，如图1所示，包括：声纳回波信号计算模块、模拟输出模块、信号显示模块和测试评估模块。

声纳回波信号计算模块

本发明提供的一种对合成孔径声纳系统相位误差估计的测试系统中的声纳回波信号计算模块工作流程图，如图2所示。所述的声纳回波信号计算模块，包括根据被测系统的参数来设定工作参数、声纳基阵运动信息和回波数据计算；用于根据输入的工作参数、待模拟的场景信息和相位误差信息，计算声纳回波信号。

(1)根据被测试系统的参数设定工作参数；

所述被测试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。

根据被测试系统的参数设定对合成孔径声纳系统相位误差估计的测试系统的工作参数，使其输出信号符合被测试系统的要求。

(2)根据测试要求设定声纳基阵的运动信息；

所述声纳基阵运动信息包括：仿真开始时，合成孔径声纳系统声纳基阵在坐标系中所处的位置和姿态；仿真时间段中，合成孔径声纳基阵在坐标系中所处的位置和姿态；所述声纳基阵的位置和姿态信息存储在文件中或者内存中。

所述声纳基阵的位置采用声纳基阵的参考基准点的位置来表示，所述声纳基阵的状态信息采用声纳基阵与x，y，z轴的夹角来表示。

(3)读取声纳基阵的当前位置和姿态；

(4)仿真计算模块根据输入的系统仿真参数、仿真目标信息、声纳基阵运动信息及声纳基阵的当前位置和姿态信息，计算各接收子阵的回波数据信号，并将目标回波数据信号送入模拟输出模块。

(4.1)根据设定的参数，随机生成待模拟区域的点目标；

设定模拟区域x∈[x_min  x_max]，y∈[y_min  y_max]，z∈[z_min  z_max]，设定点目标的个数N，随机生成N个目标点，目标点位置为(x_i  y_i  z_i)，且使x_i∈[x_min  x_max]，y_i∈[y_min  y_max]，z_i∈[z_min  z_max]。

(4.2)设定声纳基阵的运动轨迹和姿态；

根据运动误差模拟的需要，设定声纳基阵的运动轨迹。其中声纳基阵的运动轨迹以声纳基阵的中心为准，声纳基阵的姿态采用声纳基阵与坐标轴的夹角描述。在三维坐标系中的声纳基阵运动轨迹图，如图3所示。接收基阵位置，如图5所示。假设声纳基阵的坐标中心O的坐标为[o_x(y)  o_y(y)  o_z(y)]，声纳基阵与坐标轴的夹角为[α(y)  β(y)  γ(y)]，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计算得出，计算公式为：

${\stackrel{V}{r}}_i={\stackrel{V}{r}}_O+l_i\stackrel{v}{d},$其中${\stackrel{V}{r}}_i=\left(\begin{array}{ccc}{x}_i& y_i& z_i\end{array}\right),$$\stackrel{V}{d}=\left(\begin{array}{ccc}\cos \left(\alpha \right)& \cos \left(\beta \right)& \cos \left(\gamma \right)\end{array}\right);$

(4.3)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，如图6和图7所示。该椭圆的两轴为a和b，假设r_max为声波束覆盖的最远距离，则：

a≈α₁r_max  b≈α₂r_max

其中，α₁、α₂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...F_n逼近椭圆锥并近似发射波束的主瓣形状，假设平面OF_iF_i+1的平面方程为：

P_i(A_i，B_i，C_i，D_i)＝A_ix+B_iy+C_iz+D_i＝0对于目标点(x_ta，y_ta，z_ta)，如果满足：

[P₁＞0]&[P₂＞0]&[P₃＞0]&...&[P_n＞0]

则目标(x_ta，y_ta，z_ta)处在发射波束的照射范围内。

(4.4)计算波束覆盖区域的回波；

(4.4.1)计算声纳接收子阵的等效相位中心；等效相位中心，如图4所示。

假设发射阵的位置为(x_t，y_t，z_t)，第i个接收阵的位置为(x_ri，y_ri，z_ri)，则等效相位中心的位置为(x_ci，y_ci，z_ci)，x_ci＝(x_t+x_ri)/2，y_ci＝(y_t+y_ri)/2，z_ci＝(z_t+z_ri)/2。

(4.4.2)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(x_i，y_i，z_i)，则目标i对应等效相位中心j的声程差为：

$r_{t_{\mathrm{ji}}}=\sqrt{{(x_i-x_{\mathrm{cj}})}^2+{(x_i-x_{\mathrm{cj}})}^2+{(x_i-x_{\mathrm{cj}})}^2}$

(4.4.3)根据声程差计算目标回波数据；生产的回波数据，如图8所示。

假设发射信号为p(t)，目标i对应等效相位中心j声程差为声速为C，则接收信号为：

$s_i\left(t\right)=p(t-\frac{r_{t_{\mathrm{ji}}}}{C})$

假设目标的脉冲宽度为T，则目标i对应的信号时间为假设采样率为f_s，考虑到信号离散化带来的影响，可知：

$t_{1i}=\frac{\left[\frac{r_{t_{\mathrm{ji}}}}{C}{f}_s\right]}{f_s}+1$

$t_{2i}=\frac{[(\frac{r_{t_{\mathrm{ji}}}}{C}+T)/f_s]}{f_s}+1$

T_i＝t_2i-t_1i

其中，[]表示向下取整操作。

则信号s_i(t)为p_i(t-t_1i)，p_i(t)＝p(t)，

假设共有n个目标被声纳的发射波束覆盖，则最终声纳回波为：

$s\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{s}_i\left(t\right).$

模拟输出模块，用于将声纳回波信号计算模块输出的声纳回波信号转换为模拟信号输出，并同时输出延时采样信号。

测试评估模块，用于根据合成孔径声纳系统估计得到相位误差和初始生成声纳回波信号的相位误差信息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。

信号显示模块，用于显示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。

设合成孔径声纳系统估计得到相位误差为e₁(y)，用于生成声纳回波信号的相位误差信息为e(y)，y为合成孔径声纳基阵移动的前进方向；为了评估合成孔径声纳系统相位误差估计的性能，可以有多种方式评估e(y)与e₁(y)的差别。比如可以采用下述方式进行评估：

$\mathrm{\Delta e}\left(y\right)=[e\left(y\right)-e_1\left(y\right)]$

${\mathrm{\Delta e}}_{\mathrm{rms}}=\frac{\underset{y_{\min }}{\overset{y_{\max }}{\int }}\Delta e^2\left(y\right)\mathrm{dy}}{y_{\max }-y_{\min }}.$

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。