CN101598788A - 合成孔径声纳信号的快速仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于延时表的合成孔径声纳信号的快速仿真方法，包括以下步骤：(1)设定合成孔径声纳系统的各个仿真参数；(2)构造需要仿真的目标场景高度模型；(3)将各个目标点的高度信息投影到斜距方向；(4)统计各个方位、各个距离上的目标点数；(5)按距离计算目标点对应一个合成孔径长度内的各ping的延时，构造延时表；(6)按照给定的速度计算不同ping的基阵位置，并按照延时表的值将发射信号进行延时叠加，最终得到合成孔径声纳的原始回波信号。本发明所述的方法可提高合成孔径声纳仿真信号的计算效率，能够有效地进行目标点较多的情况，尤其是大规模的地形场景下的合成孔径声纳回波信号仿真。

Description

合成孔径声纳信号的快速仿真方法

技术领域

本发明涉及一种声纳信号处理方法，尤其涉及一种可以快速仿真合成孔径声纳回波信号的方法。

背景技术

合成孔径声纳(Synthetic Aperture Sonar：SAS)技术利用小尺寸基阵在方位向的移动，通过对不同位置声纳回波信号的相干处理，从而得到高精度的声纳图像。

合成孔径声纳的工作原理如图1所示，基阵做匀速直线运动，按一定的时间间隔发射和接收回波数据，完成一次收发得到的数据称为一ping，对接收到的多ping数据进行合成孔径成像处理，可以得到高分辨率的二维图像。传统的仿真算法是根据速度计算出每ping的基阵位置(x，y，z)，假设目标位置为(x_i，y_i，z_i)，发射信号为s(t)，这样该ping的回波即为s(t-Δt_i)，其中

$\mathrm{\Δ}{t}_i=\frac{2r_i}{C}=\frac{2\sqrt{{(x-x_i)}^2+{(y-y_i)}^2+{(z-z_i)}^2}}{C}$

C为声速，r_i为基阵到目标的距离，这样得到的是一个目标点的回波，对于大规模的地形场景，可以划分为若干个目标点，所有目标点的回波之和即为该ping的回波

$\underset{i}{\mathrm{\Σ}}s(t-\mathrm{\Δ}{t}_i)$

其中i为目标点编号。可以看出，传统的仿真方法在对目标点较多的地形场景进行仿真时，由于基阵的移动引起基阵到目标点距离的不断变化，需要每ping都计算基阵到所有目标点的距离，计算量很大，计算效率低。

由此可见，合成孔径声纳信号的仿真算法能够为其各个步骤的算法研究提供一定的依据，是合成孔径声纳算法研究中的重要部分。传统的仿真算法一般通过计算基阵移动位置和目标点的距离，得到发射信号的研究，进而对不同ping的回波进行延时，得到最终的结果。这种算法的模型简单，易于实现。但是当目标点个数较多时，计算量迅速增大。尤其是对于连续的地形场景进行仿真时，若要得到尽可能真实的仿真数据，就必须将场景划分为尽可能多的目标点，这样目标点数会达到数百万的量级，采用传统的仿真方法进行仿真时，速度非常慢。而干涉合成孔径声纳往往需要仿真连续的地形场景，以进行相位展开等算法的验证。

发明内容

本发明解决的问题即提高合成孔径声纳仿真信号的计算效率，能够有效的进行目标点较多的情况，尤其是大规模的地形场景下的合成孔径声纳回波信号仿真。因此，本发明的目的在于，在传统仿真算法的基础上提供一种快速的合成孔径声纳信号仿真方法，能够有效地提高计算效率，可以进行大规模场景的仿真。

为提高合成孔径声纳仿真信号的计算效率，本发明提供一种基于延时表的合成孔径声纳信号快速仿真方法，主要技术方案包括以下几个步骤：

(1)设定合成孔径声纳系统的各个仿真参数(信号频率、带宽、基阵尺寸等)；

(2)构造需要仿真的目标场景高度模型；

(3)将各个目标点的高度信息投影到斜距方向；

(4)统计各个方法，各个距离上的目标点数；

(5)按距离计算目标点对应一个合成孔径长度内的各ping的延时，构造延时表；

(6)按照给定的速度计算不同ping的基阵位置，并按照延时表的值将发射信号进行延时叠加，其幅度为该距离处的目标点个数，最终得到合成孔径声纳的原始回波信号。

上述技术方案所述的步骤(1)中，合成孔径声纳系统发射信号的形式为线性调频信号。

上述技术方案所述的步骤(2)中，可以采用各种方法构造仿真的目标区域的高度模型，如产生规则的柱形或者锥形地貌，或者通过分形等方法随机生成一些地形模型。构造时采用随机布点的方法，将连续模型分解成很多的目标点。为了较为真实的放映出地貌的回波，目标点的密度应尽可能的大，要大于合成孔径声纳的成像分辨率。

上述技术方案所述的步骤(3)中，根据各个目标点的高度和到接收基阵的水平距离，计算处各个目标点的斜距，将目标场景投影到斜距平面，如图2所示。各个目标的斜距为

$r_i=\sqrt{{(H-h_i)}^2+y_i^2}$

其中i为目标点编号，H为基阵距底高度，h_i和y_i为第i个目标的高度和水平距离。

上述技术方案所述的步骤(4)中，将上一步骤得到的结果进行统计，得到坐标(x，r)处的目标点个数，记作I(x，r)。其中x，r分别为方位坐标和斜距坐标。如图3可以看出，对于同一方位的数据，位于不同水平距离处的目标点o₁，o₂，o₃，o₄，当到基阵的斜距相同时，其回波信号的延时同为 $\mathrm{\Δt}=\frac{2r}{c},$ 可以统一的进行处理。

上述技术方案所述的步骤(5)中，按距离计算目标点对应一个合成孔径长度内的各个ping的延时。根据合成孔径声纳的成像模型，基阵发射信号有一定的角度，能覆盖一定宽度的目标区域，反过来说，也就是某个目标点的回波，仅存在于发射信号能覆盖这一目标点的若干ping中。这里将能覆盖同一目标点的ping数称为合成孔径长度，记作W。如图4所示，目标点o₁，o₂为方位不同、斜距相同的两个点，基阵沿x轴方向运动，其中

|x₁₁-x₁|＝|x₁₂-x₁|＝|x₂₁-x₂|＝|x₂₂-x₂|

假设o₁到基阵距离目标点最近的距离为r₀。根据几何关系可以得出，基阵位于方位x处时，对应的目标点o的斜距为

$r=\sqrt{{(x-x_1)}^2+r_0^2}$

则延时 $\mathrm{\Δt}=\frac{2r}{c}.$

根据几何关系可以得到，基阵位于x₁₁～x₁₂之间位置时，目标o₁的回波与基阵位于x₂₁～x₂₂之间位置时，目标o₂的回波相同。因此，当斜距r₀一定时，不同方位处的目标点对应与合成孔径长度内的各ping的延时是相同，因此可以统一处理。另外根据对称性，基阵位于x₁～x₁₁之间位置时，目标o₁的回波延时与基阵位于x₁₂～x₁之间时相同。因此可以只计算一半的延时，进一步减小计算量。如图5所示构造延时表，计算出不同斜距目标对于不同ping数据的延时，记作Δt_p(x，r)，其中p为ping序号，r为斜距。

上述技术方案所述的步骤(6)中，给定的速度参数计算不同ping的基阵位置x_p，并按照延时表的值将发射信号进行延时叠加，其幅度为该距离处的目标点个数I(x，r)，最终得到合成孔径声纳的原始回波信号。

本发明的优点主要有：

(1)将同一方位向的目标点投影到斜距向，将斜距相同的目标的进行了统一，减少了需要计算的目标点数。

(2)通过延时表的方法，对与不同方位处的点采用相同的延时表进行处理，减少了重复计算，提高了运算速度。

(3)计算过程中未做近似，保证了仿真方法的有效性，相比传统方法没有任何精度损失。

附图说明

图1是SAS成像几何关系示意图；

图2是水平距离投影到斜距的示意图；

图3是相同斜距的目标点进行统一计算的示意图；

图4是目标点延时示意图；

图5是延时表的构造示意图。

具体实施方式

下面结合图1～图5对算法的主要计算流程进行详细说明。

首先，设定合成孔径声纳系统的各个仿真参数。由于系统发射信号为线性调频信号，需要设定信号的中心频率f₀，带宽B，采样频率f_s，脉冲宽度pdur，脉冲重复周期prt，得到的信号形式为

s(t)＝sin(2πf₀t+Kπt²)

其中 $K=\frac{B}{\mathrm{pdur}};$ 另外还要设定基阵宽度D，基阵距水底高度H，基阵宽度决定了方位向的成像分辨率，为了与距离向的分辨率一致，一般取 $D=\frac{C}{B},$ 其中C为声速；

最后还要设定系统的采样点数N_R，如果仿真的目标场景在距离向的范围是

R_min～R_max，则采样点数为 $N_R=\frac{2(R_{\max }-R_{\min })f_s}{C}$

下面给出一组典型参数：

f₀＝20kHz   D＝0.16m

B＝10kHz    prt＝0.3s

f_s＝160kHz  H＝30m

pdur＝0.01s N_R＝5000

然后，构造仿真场景的高度模型。实际中仿真目标区域的高度一般为已知信息，另外也可以用三维建模方法构造高度模型，而三维建模方法并非本发明的主要内容，这里不做详细讨论。这里为简单起见，采用随机数构造高度，即场景中某目标点的高度信息表示为h(x，y)＝Random，x，y为目标点方位和距离向的坐标。仿真时应使点的密度高于合成孔径成像分辨率

假设仿真区域面积为S，则生成的目标点个数N_t应满足

$N_t>\frac{4S}{D^2}$

接着，如图2所示，若设定基阵的运动方向为x轴，基阵距底高度为H，发射信号为s(t)，构造的目标区域高度为h(x，y)，则根据几何关系可以得出各个目标的斜距为

$r_i=\sqrt{{(H-h_i)}^2+y_i^2}$

其中i＝1、2、3、......n为目标点编号，H为基阵距底高度，h_i和y_i为第i个目标的高度和水平距离。

然后，统计不同方位和斜距处的目标点个数，记作I(x，r)，这样就将(x，y)坐标系的目标高度转换成(x，r)坐标系下的目标个数。其中x，r分别为方位坐标和斜距坐标。如图3可以看出，对于同一方位的数据，位于不同水平距离处的目标点o₁，o₂，o₃，o₄，当到基阵的斜距相同时，其回波信号的延时同为 $\mathrm{\Δt}=\frac{2r}{c},$ 可以统一的进行处理。接着，按距离计算目标点对应一个合成孔径长度内的各个ping的延时。根据合成孔径声纳的成像模型，基阵发射信号有一定的角度，能覆盖一定宽度的目标区域，反过来说，也就是某个目标点的回波，仅存在于发射信号能覆盖这一目标点的若干ping中。这里将能覆盖同一目标点的ping数称为合成孔径长度，记作W。如图4所示，目标点o₁，o₂为方位不同、斜距相同的两个点，基阵沿x轴方向运动，其中

|x₁₁-x₁|＝|x₁₂-x₁|＝|x₂₁-x₂|＝|x₂₂-x₂|

假设o₁到基阵距离目标点最近的距离为r₀。根据几何关系可以得出，基阵位于方位x处时，对应的目标点o的斜距为：

$r=\sqrt{{(x-x_1)}^2+r_0^2}$

则延时 $\mathrm{\Δt}=\frac{2r}{c}.$

根据几何关系可以得到，基阵位于x₁₁～x₁₂之间位置时，目标o₁的回波与基阵位于x₂₁～x₂₂之间位置时，目标o₂的回波相同。因此，当斜距r₀一定时，不同方位处的目标点对应与合成孔径长度内的各ping的延时是相同，因此可以统一处理。另外根据对称性，基阵位于x₁～x₁₁之间位置时，目标o₁的回波延时与基阵位于x₁₂～x₁之间时相同。因此可以只计算一半的延时，进一步减小计算量。如图5所示构造延时表，计算出不同斜距目标对于不同ping数据的延时，记作Δt_p(x，r)，其中p为ping序号，r为斜距。

假设基阵位于x_p处接收回波ping序号为p，则可以计算出(x，r)处目标对该ping的延时为：

$\mathrm{\Δ}{t}_p(x,r)=\sqrt{{(x_p-x)}^2+r^2}$

如图4可以看出相同斜距，不同方位处的目标对应的徙动曲线相同，因此可以对不同方位处的目标点采用同一个延时表处理。

因此，可以得到(x，r)处目标在基阵位于x(p)处的回波为：

s_p(x，r)＝s(t-Δt_p(x，r))

对各个目标的回波进行叠加即可得到完整的回波信号：

$s_p\left(t\right)=\underset{x\∈W}{\mathrm{\Σ}}\underset{r}{\mathrm{\Σ}}{s}_p(x,r)=\underset{x\∈W}{\mathrm{\Σ}}\underset{r}{\mathrm{\Σ}}s(t-\mathrm{\Δ}{t}_p(x,r))=\underset{x\∈W}{\mathrm{\Σ}}\underset{r}{\mathrm{\Σ}}s(t-\sqrt{{(x_p-x)}^2+r^2})$

其中，W为合成孔径长度。

Claims (8)

1、一种合成孔径声纳信号的快速仿真方法，该方法包括以下步骤：

(1)设定合成孔径声纳系统的各个仿真参数；

(2)构造需要仿真的目标场景高度模型；

(3)将各个目标点的高度信息投影到斜距方向；

(4)统计各个方位、各个距离上的目标点数；

(5)按距离计算目标点对应一个合成孔径长度内的各ping的延时，构造延时表；

(6)按照给定的速度计算不同ping的基阵位置，并按照延时表的值将发射信号进行延时叠加，其幅度为该距离处的目标点个数，最终得到合成孔径声纳的原始回波信号。

2、根据权利要求1所述的快速仿真方法，其特征在于，所述的合成孔径声纳系统发射信号的形式为线性调频信号。

3、根据权利要求1所述的快速仿真方法，其特征在于，所述步骤(1)中的各个仿真参数包括：信号频率、带宽以及基阵尺寸。

4、根据权利要求1所述的快速仿真方法，其特征在于，所述步骤(2)中，构造仿真的目标区域的高度模型的方法包括：产生规则的柱形或者锥形地貌、以及通过分形的方法随机生成地形模型，构造时采用随机布点的方法，将连续模型分解成很多的目标点，目标点的密度大于合成孔径声纳的成像分辨率。

5、根据权利要求1所述的快速仿真方法，其特征在于，所述步骤(3)中，根据各个目标点的高度和到接收基阵的水平距离，计算处各个目标点的斜距，将目标场景投影到斜距平面，

各个目标的斜距为：

$r_i=\sqrt{{(H-h_i)}^2+y_i^2}$

其中，i为目标点编号，H为基阵距底高度，h_i和y_i为第i个目标的高度和水平距离。

6、根据权利要求1所述的快速仿真方法，其特征在于，所述步骤(4)中，将步骤(3)得到的结果进行统计，得到坐标(x，r)处的目标点个数，记作I(x，r)，其中，x，r分别为方位坐标和斜距坐标；

对于同一方位的数据，位于不同水平距离处的目标点，当到基阵的斜距相同时，其回波信号的延时同为 $\mathrm{\Δt}=\frac{2r}{c},$ 统一进行处理。

7、根据权利要求1所述的快速仿真方法，其特征在于，所述步骤(5)中，按距离计算不同斜距目标点对应一个合成孔径长度内的各ping的延时，构造延时表记作Δt_p(x，r)，其中，p为ping序号，r为斜距；

设定基阵位于x_p处接收回波ping序号为p，则可计算出(x，r)处目标对该ping的延时为：

${\mathrm{\Δt}}_p(x,r)=\sqrt{{(x_p-x)}^2+r^2}.$

8、根据权利要求1所述的快速仿真方法，其特征在于，所述步骤(6)中，按照给定的速度参数计算不同ping的基阵位置x_p，其幅度为该距离处的目标点个数I(x，r)，不同方位处的目标对应的徙动曲线相同，对不同方位处的目标点采用同一个延时表处理，得到(x，r)处目标在基阵位于x(p)处的回波为：

s_p(x，r)＝s(t-Δt_p(x，r))

对各个目标的回波进行叠加而得到完整的回波信号：

$s_p\left(t\right)=\underset{x\∈W}{\mathrm{\Σ}}\underset{r}{\mathrm{\Σ}}{s}_p(x,r)=\underset{x\∈W}{\mathrm{\Σ}}\underset{r}{\mathrm{\Σ}}s(t-{\mathrm{\Δt}}_p(x,r))=\underset{x\∈W}{\mathrm{\Σ}}\underset{r}{\mathrm{\Σ}}s(t-\sqrt{{(x_p-x)}^2+r^2})$

其中，W为合成孔径长度。

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