前視聲納波束形成算法的兩點改進?

（海軍工程大學電子工程學院 武漢 430033）

1 引言

側掃聲納［1］采用正側視模式工作，平臺下方的盲區不可避免，無法規避前方障礙物。前視聲納通常與側掃聲納配套使用用于補盲，提高工作效率。前視聲納也可以單獨使用，用于對航行的前方的場景進行成像。

目前國際上通用的前視聲納主要分為三類［2］：單波束機械掃描聲納［3］、多波束預成掃描聲納、三維成像聲納，前兩者是二維成像聲納。先進的前視聲納一般采用多波束預成掃描聲納，發射寬波束，接收形成多個波束。

現有的前視聲納一般采用“停-走-停”模式和相位補償的逐點算法［4］。“停-走-停”模式忽略了信號傳播過程中平臺的運動，由于聲納向前運動，所以方位向（與前進方向正交）成像分辨率基本不受影響，但在距離向，目標的位置會產生偏差，且距離越遠，速度越快，偏差越明顯，引入非“停-走-停”模型十分必要。為了減少數據率，距離像采樣通常較低，僅采用整數搬移補償。如果不采用插值運算，采樣的離散性會導致波束形成性能變差，需要提高方位聚焦性。文章基于非停走停模型，分析和比較了整數搬移與經過插值處理的波束形成結果，后者性能有顯著的改善。

2 前視聲納非停走停精確時延模型

非停走停模式下精確時延模型［5～6］如圖1所示，模型測繪場景平坦，聲納距底高度為H且已知。不失一般性，假定接收陣元為N個，發射陣位于聲基陣中間，接收陣元沿兩側均勻分布。y軸表示方位向，x軸表示距離向。聲基陣沿著x軸方向，做勻速直線運動（速度為v）。從發射到接收回波的時延用τ0表示，且在此時間內聲納前進距離為vτ0，d為相鄰兩個陣元之間的間距。

圖1 非停走停模式下的精確時延

在t=0時，發射陣位于坐標原點O，目標坐標為P(R 'θ)，R為目標到聲納的距離，θ為目標與XOZ平面的夾角，根據幾何關系將其轉化為直角坐標可得為目標的距離軸坐標，y0為目標的方位軸坐標。經過時延τ0，接收到回波。在非“停-走-停”模式下，以一個接收單元為例，發射距離為

第n個接收陣元到點目標的接收距離：

c=1500m/s為聲速，聯立式（1）～（3）得到精確時延：

3 前視聲納波束形成算法改進

波束形成［7～11］是將傳感器陣列按照一定的幾何形狀在空間排列，根據期望信號的位置信息調整各陣元相移器的相位值，達到在空間增強期望信號、抑制噪聲和干擾的處理過程。通常的波束形成步驟是加權、移相后求和。但對于寬帶信號，僅做移相是不夠的，本文采用插值進行距離徙動校正，再進行移相求和，波束形成更為精確。算法具體描述如下。

發射線性調頻信號復包絡：

式中T為發射脈沖的長度，Kr為信號的線性調頻斜率，ω0為載波角頻率。且由上式可以看出回波信號與接收陣元方位位置有關，在方位聚焦時會出現散焦現象。

距離向脈沖壓縮之后：

利用給出的收發距離公式和式（4）給出的精確時延進行插值處理，波束形成后即可得到成像圖像。算法的整個流程可用圖2來表示。

圖中S*(f)為發射信號頻譜的共軛，以發射距離R為基準，成像區域內任意一點P(xi'yi)的距離徙動量可用下式表示：

圖2 非“停-走-停”條件下前視逐點算法流程圖

根據式（8），對距離向接收基陣各陣元所接收的回波信號做插值處理，得到：

給定像素坐標P(R 'θ ) ，通過 P(r0=Rcosθ'y0=Rsinθ)計算出斜距坐標系中的指標。利用式（11）完成波束形成。

4 計算機仿真與分析

對算法的可行性進行仿真分析，仿真系統的參數見表1。

表1 仿真系統參數表

為了方便觀察比較，取五個目標點進行仿真P1(25'25°);P2(25'-25°) ；P3(30'25°);P4(30'-25°);P5(27.5'0°)，觀察脈沖壓縮后得到的回波信號如圖3所示，為P3'P4兩目標點的回波，理想條件下應為一條位于30m處的豎直線，截取一段放大后我們發現，回波為兩條互相對稱的斜線不再豎直，且由于聲納運動距離向位置已發生改變，偏離30m位置大約0.1m，且聲納平臺運動速度越快，距離向偏離越多。

由于陣長較短，方位向各接收陣元對應的時延差別不大，導致距離徙動量非常小，下面分三種情況分別做波束形成。圖4中（a）是在非“停-走-停”模式下，做插值處理進行距離徙動校正后再相位補償波束形成的結果，成像效果較為理想；（b）中“停-走-停”模式下的成像效果與（a）近似，但成像距離向位置明顯不如（a），聲納前進速度為5m/s，近場下距離很近時延較小，距離向偏差不夠明顯，作用距離越遠，聲速越快偏差量越大；（c）為非“停-走-停”模式下距離向整數搬移后相位補償的波束形成結果，目標越靠近邊緣散焦越嚴重。以上仿真充分證明了采用非“停-走-停”模式進行插值處理距離徙動的正確性和必要性。

圖3 脈沖壓縮后的回波圖像

圖4 比較三種情況下的成像結果

根據距離分辨率公式：ρr=c/(2?Br)，單位（m）；方位波束寬度：θ3db=50*λ/(D*cosθ)，單位（°），我們取一點P3，畫出其方位向剖面圖和距離向剖面圖進行分辨率指標分析［12］。

圖5 三種情況對應的成像剖面圖分辨率指標分析

結合圖5以P3為例給出表2。

表2 分辨率指標分析

本組仿真實驗體現了在非“停-走-停”模型下比在“停-走-停”“模型下研究信號處理時在目標成像位置上的精確性要更高一些。為使其效果更加凸顯，再進行一組仿真，同樣環境下將目標點距離位置增大，設目標點為直接給出如下仿真結果。

圖6 遠距離目標仿真結果

由圖6可知距離越遠，“停-走-停”“模型下目標位置偏離越大，非“停-走-停”模型則可以避免這個問題。

5 結語

非“停-走-停”模型是前視聲納精確模型，本文提出的前視聲納波束形成算法的兩點改進，經過仿真驗證，采用非停走停模型成像時距離幾何位置更精確；采用先插值處理距離徙動再進行相位補償的方法，成像結果聚焦性能更好，是一種切實有效，更為精確的波束形成算法。