波形分集MIMO成像声呐技术研究

为使成像声呐方位分辨率在工作频率和基阵孔径确定的情况下进一步提高,文中将MIMO雷达通信技术引入声呐成像领域,通过发射正交波形,使等效接收孔径大于实际接收孔径,从而提高方位分辨率和抗混响能力.通过计算机仿真和构建2发18收的MIMO成像声呐水池试验系统,利用MIMO声呐近场聚焦宽带波束形成成像算法,基于2种正交波形验证了MIMO成像声呐能够使目标的-3 dB波束宽度减小一半,提高方位分辨率,且使目标成像强度增加约6 dB,提高了抗混响能力.     

声透镜波束形成技术仿真研究

目前,使用电子电路的传统高分辨率声呐通常具有较大的体积、较高的功耗和较低的图像更新率.声透镜声呐使用声透镜形成图像,能够克服这些缺点.为此介绍了声透镜波束形成技术的基本原理和声场分析模型,对透镜形状、材料、尺寸,以及环境温度等参数对透镜声呐性能的影响进行了仿真研究.结果表明,上述参数对主瓣宽度、旁瓣高度、聚焦深度等声呐性能指标具有较大的影响,通过对声透镜的合理设计可以达到优化声呐性能的目的.     

合成孔径声呐多接收阵数据融合CS成像算法

多接收阵合成孔径声呐中收、发阵元空间的分置,使得斜距历程成为2个独立的双曲函数之和;因而很难获得其快速成像算法所必须的距离多普勒域和二维频域内的解析表达式.文中将收、发相位历程对方位向多普勒频率的贡献分开来考虑,把多接收阵模式下的时域回波数据等效为准收发合置项和收发分置畸变项的二维卷积.因此去收发分置畸变项处理之后,多接收阵合成孔径声呐就转换为传统的收发合置合成孔径声呐成像问题.在此基础上,文中给出了一种基于该方法的CS成像算法.最后,仿真实验和湖试结果验证了该方法的有效性.     

三维成像声呐的设计与实现

讨论了一个三维成像声呐的系统结构、成像原理及其软件、硬件设计与实现中遇到的有关技术问题.由于采用了二维面阵,该系统可以在一次发射中获取一系列二维回波序列图像,处理单元则据此二维序列图像合成完整的三维声像.本系统的二维面阵由16×8个基元构成,跟随有128通道信号调节器(放大、滤波、自动增益控制等),其后是128通道并行A/D转换器和缓存.该128路并行数据经并/串转换及接口,通过光纤传至水上单元,经由水上单元的PC机及DSP处理器进行三维图像重建及显示.软件由三维成像模型及并行波束形成和聚焦算法构成.虽然该系统是为水下机器人声视觉而设计的,其在海洋工程和水下防卫中具有广泛的应用价值.     

一种利用非正弦信号的水下声成像方法

针对多波束成像声呐在基阵设计时需要考虑避免出现栅瓣的问题,提出了一种利用非正弦信号进行水下声成像的方法.该方法首先对基阵接收信号进行相关处理,然后提取相关信号的包络进行波束形成来成像.以矩形包络为例,研究结果表明,该方法形成的波束不会出现栅瓣,避免了选取阵元间距时必须小于或等于载波半波长的限制,与传统利用正弦载波的成像方法相比,可以有效地提高成像分辨率,且无旁瓣.利用所提方法分别对点目标和体目标的成像进行了计算机仿真实验,得到了很好的成像效果.     

一种基于射频对消的连续波雷达收发前端设计

为解决发射信号的泄漏影响回波信号的接收问题,给出了一种基于射频对消技术的双频连续波雷达收发前端设计方法.该设计采用锁相技术实现一路X波段双频(10.2 GHz和10.22 GHz)连续波发射信号的产生,并通过四路接收通道实现双频连续波回波信号的接收,输出16路模拟中频信号.完成对发射通道、接收通道、中频滤波器和双频射频对消电路的设计及系统电路的优化,给出了对收发前端的测试.测试结果表明,利用双频连续波射频对消技术抑制雷达发射信号泄漏的效果明显,其技术指标均满足该雷达的设计要求.     

联合匹配滤波MIMO声呐发射分集平滑DOA估计方法

MIMO声呐发射分集平滑(transmission diversity smoothing,TDS)法(简称为MIMO-TDS)是一类重要的多输入多输出(multiple-input multiple-output,MIMO)声呐DOA估计方法。该方法利用发射正交波形来获得发射分集平滑特性,保证了MVDR等自适应高分辨算法的直接应用,但也因此牺牲了发射端的阵增益,在对较远距离的目标进行探测定位时,该方法常会面临回波信噪比不足、性能损失严重等问题。针对该缺点,借鉴了MIMO声呐虚拟阵列(virtual array,VA)法(简称为MIMO-VA)中的匹配滤波思想,提出同时利用所有发射信号对回波进行联合匹配滤波处理的方式提高信噪比,该联合匹配滤波器的单位脉冲响应函数由所有正交发射信号经线性叠加构成。研究表明,所提出的匹配滤波器不仅能够提高接收信噪比,改善MIMO-TDS在低信噪比条件下的性能,还保留了MIMO声呐的发射分集平滑特性。与MIMO-VA相比,所提方法大幅减少了所需匹配滤波通道数量,具有较低的运算量;且存在发射阵列流形误差、发射信号同步误差时,具有更优的稳健性。利用计算机仿真对所提方法的有效性进行了验证。     

声透镜波束形成和目标成像仿真与试验

为了促进具有体积小、功耗低、成像速度快等优点的透镜声呐在水下成像中的应用,选取了PMMA(polymethyl methacrylate)和PMP(polymethyl pentene)2种材料,利用混合模型设计并加工了单透镜系统和双透镜系统,对2个透镜系统分别进行了波束形成和目标成像试验研究.试验测得的焦点位置和波束图与仿真结果基本一致,从而验证了混合模型模拟透镜声场的有效性和准确性.得到了十字形和圆环2种目标的成像图,通过综合比较各种试验结果可知:PMMA是一种有效的透镜加工材料,透镜组合在缩短焦距方面具有优势,但同时增大了对声波的吸收,因此透镜组的设计要综合考虑这2方面的因素.     

基于稀疏阵列技术的MIMO声呐低运算量二维成像

为了降低多输入多输出(multiple-lnput multiple-output,MIMO)声呐二维成像系统的运算量,提出了稀疏阵列和MIMO声呐相结合的低运算量二维成像方法。在MIMO声呐的虚拟接收阵列为矩形平面阵的前提下,使用模拟退火算法(simulated annealing,SA)对该虚拟矩形平面阵的阵元位置和加权系数同时优化,在保持期望波束性能的前提下大量减少其虚拟阵元数目;根据虚拟接收阵元与匹配滤波器一一对应的关系,移除掉与关闭虚拟阵元所对应的匹配滤波器;对保留匹配滤波器的输出信号进行波束形成等处理,获得目标的二维强度图。计算机仿真结果验证了该方法的有效性。     

星载多发多收SAR多维编码波形设计与分析

多发多收合成孔径雷达(MIMO SAR)解决了传统SAR存在的高分宽幅矛盾。为提高MIMO SAR对通道之间干扰能量的抑制能力,采用多维波形编码技术进行系统设计,并研究了MIMO SAR的波形设计问题。针对两种新型信号形式:正负线调频信号及正交频分复用调制线调频信号,与短时移正交信号(STSO)进行对比分析及成像实验验证。根据MIMO SAR多个孔径同时发射信号、多个孔径同时接收回波的特点,结合多维波形编码技术进行回波处理。在俯仰维,利用数字波束合成技术进行多个子测绘带的划分,实现大测绘带成像;在方位维,利用多通道重构算法将周期非均匀采样的回波恢复为均匀采样,实现高分辨率成像,在此基础上开展新体制SAR发射信号的设计与成像实验验证。实验结果表明,较之其他两种信号,STSO信号的峰值旁瓣比、积分旁瓣比及分辨率等性能最优,对模糊能量抑制更为彻底,在MIMO SAR中性能良好,与传统SAR的性能近似。STSO在MIMO SAR体制中具有良好聚焦性能,且各项成像指标良好,在一定程度可降低系统设计的复杂度。