CN107505604B - 一种考虑收、发阵元指向性的回波仿真方法 - Google Patents

一种考虑收、发阵元指向性的回波仿真方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种考虑收、发阵元指向性的回波仿真方法，包括以下步骤：计算点目标与各接收阵元之间的精确回波延迟时间；根据回波延迟时间和宽频带发射信号，对发射信号进行时延处理；根据发射阵元发射宽频带信号的位置，计算发射阵元相对目标的侧视角度；根据发射阵元相对目标的侧视角度，计算信号发射时刻发射阵元指向性的幅值；根据接收阵元接收目标回波信号的位置，计算接收阵元相对目标的侧视角度；根据接收阵元相对目标的侧视角度，计算回波接收时刻接收阵元指向性的幅值；根据收、发阵元指向性的幅值，在距离向频域实现延时发射信号的幅值加权。该方法不仅能够实现成像算法有效性的验证这一基本功能，还有助于指导待研制SAS系统的参数设计。

Description

一种考虑收、发阵元指向性的回波仿真方法
技术领域
本发明属于信号处理技术领域，特别涉及一种考虑收、发阵元指向性的回波仿真方法。
背景技术
多子阵合成孔径声纳系统功能的发挥离不开信号仿真与处理技术。多子阵回波是合成孔径成像的基础，在仿真系统中可用于验证成像算法的有效性和指导待研制合成孔径声纳系统的参数设计。传统回波仿真方法将收发阵元波束视为矩形，并采用声纳3dB(考虑单个阵元)波束照射期间产生的频率漂移表示目标沿方位向的多普勒带宽，这种处理忽略了收发阵元宽频带的波束调制，与合成孔径声纳的实际数据录取情况严重不相符合。因此考虑收、发阵元波束调制情况下的回波信号仿真不仅能够实现成像算法有效性的验证这一基本功能，还有助于指导待研制SAS系统的参数设计，利于验证依据3dB(考虑单个阵元)波束宽度内的多普勒带宽设计的系统参数。
发明内容
本发明目的在于克服传统多子阵合成孔径声纳回波信号仿真时忽略收、发阵元宽频带波束调制的问题，提供一种考虑收、发阵元指向性影响的多子阵合成孔径声纳回波信号仿真方法。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种考虑收、发阵元指向性的回波仿真方法，包括以下步骤：
S1、计算点目标与各接收阵元之间的精确回波延迟时间；
S2、根据回波延迟时间和宽频带发射信号，对发射信号进行时延处理；
S3、根据发射阵元发射宽频带信号的位置，计算发射阵元相对目标的侧视角度；
S4、根据发射阵元相对目标的侧视角度，计算信号发射时刻发射阵元指向性的幅值；
S5、根据接收阵元接收目标回波信号的位置，计算接收阵元相对目标的侧视角度；
S6、根据接收阵元相对目标的侧视角度，在距离向频域实现延时发射信号的幅值加权；
S7、根据收、发阵元指向性的幅值，在距离向频域实现回波信号的幅值加权。
作为本发明的一个优选的技术方案，所述步骤S3发射阵元相对目标的侧视角度的计算公式为：
Figure BDA0001397147890000021
其中xt＝v·PRI表示信号发射时发射阵元在方位向的位置，v表示声纳载体速度，
Figure BDA0001397147890000022
表示脉冲重复时间序列，Tp表示脉冲重复周期，Pping表示发射的脉冲总数，M表示接收阵元个数；R0和X0分别表示点目标的距离向坐标和方位向坐标；arctan表示反正切运算。
作为本发明的一个优选的技术方案，所述的步骤S4发射阵元指向性幅值的计算公式为：
Figure BDA0001397147890000023
其中
Figure BDA0001397147890000024
fr表示宽频带信号的距离向瞬时频率；λ(fr)表示与距离向瞬时频率fr相对应的波长；Dt表示发射阵元在方位向的长度。
作为本发明的一个优选的技术方案，所述步骤S5接收阵元相对目标的侧视角度的计算公式为：
Figure BDA0001397147890000025
其中xRi＝xt+xsah+d表示各接收阵元接收回波时在方位向上所处的位置；
Figure BDA0001397147890000026
表示在各发射脉冲内发射阵元与接收线列阵中各接收阵元在方向上间隔的距离，d表示均匀线列阵中相邻接收阵元之间的距离；xsah＝v·τ*表示信号被发射阵元发射至接收阵元回波接收期间，各接收阵元在方位向上运动的距离；τ*表示回波的精确延迟时间，其表达式为：
Figure BDA0001397147890000031
这里c表示声音在水中的传播速度。
作为本发明的一个优选的技术方案，所述步骤S6接收阵元指向性的幅值的计算公式为：
Figure BDA0001397147890000032
其中
Figure BDA0001397147890000033
fr表示宽频带信号的距离向瞬时频率；λ(fr)表示与距离向瞬时频率fr相对应的波长；Dr表示接收阵元在方位向的长度。
作为本发明的一个优选的技术方案，所述步骤S7延时发射信号的幅值加权的计算公式为：
ssbeam(t,τ)＝IFT(sS(t,fr)·pt·pr)
其中sS(t,fr)表示经过距离向傅里叶变换的延时发射信号；IFT表示傅里叶逆变换；ssbeam(t,τ)表示考虑收、发阵元指向性的回波信号；τ和t分别表示距离向快时间和方位向慢时间。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
克服传统多子阵合成孔径声纳回波信号仿真时忽略收发阵元宽频带波束调制的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明考虑收、发阵元指向性的回波仿真流程。
图2为多子阵合成孔径声纳二维成像几何。
图3为多子阵合成孔径声纳仿真回波的实部。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
如图1所示，本实施例所述的一种考虑收、发阵元指向性的回波仿真方法，包括下步骤：计算点目标与各接收阵元之间的精确回波延迟时间；根据回波延迟时间和宽频带发射信号，对发射信号进行时延处理；根据发射阵元发射宽频带信号的位置，计算发射阵元相对目标的侧视角度；根据发射阵元相对目标的侧视角度，计算信号发射时刻发射阵元指向性的幅值；根据接收阵元接收目标回波信号的位置，计算接收阵元相对目标的侧视角度；根据接收阵元相对目标的侧视角度，计算回波接收时刻接收阵元指向性的幅值；根据收、发阵元指向性的幅值，在距离向频域实现回波信号的幅值加权。
如图2所示为多子阵合成孔径声纳系统二维成像几何，平台在以速度v前进的过程中，发射阵元同时向正侧视方向以固定的脉冲重复频率发射与位置无关的宽频带信号；根据二维成像几何关系，可以计算出各接收阵元接收信号时信号的精确传播时间为：
Figure BDA0001397147890000041
其中v和c分别表示声纳载体速度和声音在水中的传播速度，R0和X0分别表示点目标的距离向坐标和方位向坐标；xt＝v·PRI表示信号发射时发射阵元在方位向的位置，
Figure BDA0001397147890000042
表示脉冲重复时间序列，Tp表示脉冲重复周期，Pping表示发射的脉冲总数，M表示接收阵元个数；
Figure BDA0001397147890000051
表示在各发射脉冲内发射阵元与接收线列阵中各接收阵元在方向上间隔的距离，d表示均匀线列阵中相邻接收阵元之间的距离。
假设发射的宽频带信号为s(τ)，那么对回波进行延时处理后，就能得到未考虑收、发阵元指向性的回波，将延迟后的发射信号转化为二维矩阵形式ss(t,τ)，其表达式为：
ss(t,τ)＝s(τ-τ*)
其中τ，t分别表示距离向快时间和方位向慢时间。
根据二维成像几何关系，发射阵元发射信号时刻相对目标的侧视角度θt可表示为：
Figure BDA0001397147890000052
其中arctan表示反正切运算。
将发射阵元在方向上近似成一个线阵，那么发射阵元的指向性可表示为：
Figure BDA0001397147890000053
其中
Figure BDA0001397147890000054
fr表示宽频带信号的距离向瞬时频率；λ(fr)表示与距离向瞬时频率fr相对应的波长；Dt表示发射阵元在方位向的长度。
根据二维成像几何关系，接收阵元接收信号时刻相对目标的侧视角度θr可表示为：
Figure BDA0001397147890000055
其中xRi＝xt+xsah+d表示各接收阵元接收回波时在方位向上所处的位置；
Figure BDA0001397147890000056
表示发射阵元与各接收在方向上间隔的距离，d表示均匀线列阵中相邻接收阵元之间的距离；xsah＝v·τ*表示信号被发射阵元发射至接收阵元回波接收期间，各接收阵元在方位向上运动的距离。
将接收阵元在方向上近似成一个线阵，接收阵元的指向性可表示为：
Figure BDA0001397147890000061
其中
Figure BDA0001397147890000062
fr表示宽频带信号的距离向瞬时频率；λ(fr)表示与距离向瞬时频率fr相对应的波长；Dr表示接收阵元在方位向的长度。
根据收、发阵元的指向性，对延迟后的发射信号在距离向频域进行加权处理，逆傅里叶变换后便得到考虑收、发阵元指向性的回波信号，其表达式为：
ssbeam(t,τ)＝IFT(sS(t,fr)·pt·pr)
其中sS(t,fr)表示经过距离向傅里叶变换的回波信号；IFT表示傅里叶逆变换；ssbeam(t,τ)表示考虑收、发阵元指向性的回波信号；τ和t分别表示距离向快时间和方位向慢时间。
按照上述步骤处理后可得到考虑收、发阵元指向性的回波信号，将仿真后回波信号的实部提取出来，如图3所示。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种考虑收、发阵元指向性的回波仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、计算点目标与各接收阵元之间的回波延迟时间；
S2、根据回波延迟时间和宽频带发射信号，对发射信号进行时延处理；
S3、根据发射阵元发射宽频带信号的位置，计算发射阵元相对目标的侧视角度；
S4、根据发射阵元相对目标的侧视角度，计算信号发射时刻发射阵元指向性的幅值；
S5、根据接收阵元接收目标回波信号的位置，计算接收阵元相对目标的侧视角度；
S6、根据接收阵元相对目标的侧视角度，计算回波接收时刻接收阵元指向性的幅值；
S7、根据收、发阵元指向性的幅值，在距离向频域实现延时发射信号的幅值加权。
2.根据权利要求1所述的一种考虑收、发阵元指向性的回波仿真方法，其特征在于，所述的步骤S3发射阵元相对目标的侧视角度的计算公式为：
Figure FDA0002778438640000011
其中xt＝v·PRI表示信号发射时发射阵元在方位向的位置，v表示声纳载体速度，
Figure FDA0002778438640000012
表示脉冲重复时间序列，Tp表示脉冲重复周期，Pping表示发射的脉冲总数，M表示接收阵元个数；R0和X0分别表示点目标的距离向坐标和方位向坐标；arctan表示反正切运算。
3.根据权利要求1所述的考虑收发阵元指向性的多子阵合成孔径声纳回波仿真方法，其特征在于，所述的步骤S4发射阵元指向性幅值的计算公式为：
Figure FDA0002778438640000013
其中
Figure FDA0002778438640000021
θt表示发射阵元相对目标的侧视角度；fr表示宽频带信号的距离向瞬时频率；λ(fr)表示与距离向瞬时频率fr相对应的波长；Dt表示发射阵元在方位向的长度。
4.根据权利要求1所述的一种考虑收、发阵元指向性的回波仿真方法，其特征在于，所述步骤的S5接收阵元相对目标的侧视角度的计算公式为：
Figure FDA0002778438640000022
其中xRi＝xt+xsah+d表示各接收阵元接收回波时在方位向上所处的位置；
Figure FDA0002778438640000023
表示在各发射脉冲内发射阵元与接收线列阵中各接收阵元在方向上间隔的距离，d表示均匀线列阵中相邻接收阵元之间的距离；xsah＝v·τ＊表示信号被发射阵元发射至接收阵元回波接收期间，各接收阵元在方位向上运动的距离；τ＊表示回波的精确延迟时间，其表达式为：
Figure FDA0002778438640000024
这里c表示声音在水中的传播速度。
5.根据权利要求1所述的一种考虑收、发阵元指向性的回波仿真方法，其特征在于，所述步骤S6接收阵元指向性的幅值计算公式为：
Figure FDA0002778438640000025
其中
Figure FDA0002778438640000026
θr表示接收阵元相对目标的侧视角度；fr表示宽频带信号的距离向瞬时频率；λ(fr)表示与距离向瞬时频率fr相对应的波长；Dr表示接收阵元在方位向的长度。
6.根据权利要求1所述的一种考虑收、发阵元指向性的回波仿真方法，其特征在于，所述的步骤S7延时发射信号的幅值加权的计算公式为：
ssbeam(t,τ)＝IFT(sS(t,fr)·pt·pr)
其中sS(t,fr)表示经过距离向傅里叶变换的延时发射信号；pt表示发射阵元指向性幅值；pr表示接收阵元指向性的幅值；IFT表示傅里叶逆变换；ssbeam(t,τ)表示考虑收、发阵元指向性的回波信号；τ和t分别表示距离向快时间和方位向慢时间。
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Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108037497B (zh) * 2018-01-04 2022-05-17 中国人民解放军91388部队 多子阵合成孔径声纳数据的收发合置转换方法
CN108169732B (zh) * 2018-02-28 2021-08-20 哈尔滨工程大学 一种基于扩展孔径声纳的变换域波束形成方法
DE102020102851A1 (de) * 2020-02-05 2021-08-05 Dspace Digital Signal Processing And Control Engineering Gmbh Prüfvorrichtung zum Test eines mit Ultraschallwellen arbeitenden Abstandssensors
CN113740850B (zh) * 2021-08-25 2023-08-22 苏州热工研究院有限公司 一种可自定义的合成孔径超声成像系统及方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101598788A (zh) * 2008-06-03 2009-12-09 中国科学院声学研究所 合成孔径声纳信号的快速仿真方法
JP2012119979A (ja) * 2010-12-01 2012-06-21 Denso Wave Inc 可変指向性アンテナ装置

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106842210B (zh) * 2016-12-05 2019-04-30 中国人民解放军91388部队 一种新的多子阵合成孔径声纳快速成像算法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101598788A (zh) * 2008-06-03 2009-12-09 中国科学院声学研究所 合成孔径声纳信号的快速仿真方法
JP2012119979A (ja) * 2010-12-01 2012-06-21 Denso Wave Inc 可変指向性アンテナ装置

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
40MHz Piezocomposite Linear Array with One-wavelength-pitch;Xiaowen Ma等;《2016 IEEE International Ultrasonics Symposium Proceedings》;20161231;全文 *
一种多子阵合成孔径声纳成像算法研究;殷钊等;《舰船电子工程》;20161231;第36卷(第12期);全文 *
四阶模型的多接收阵合成孔径声呐距离-多普勒成像算法;张学波;《电子与信息学报》;20140731;第36卷(第7期);全文 *

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