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第 38 卷 第 3 期 张思宇等： 基于实孔径成像的水下高速小目标末弹道测量方法 453

(Fast Fourier transform, FFT)运算的特点，系统采
0 引言
取专门的数字信号处理 (Digital signal processing,
DSP)芯片进行 FFT，在频域进行波束形成，缩短信
随着水中兵器日益朝着智能化、高机动、大威
号处理时间，提高成像的实时性。同时，根据高速运
力的方向发展，精确测量其水下运动轨迹对武器装
动目标的回波多普勒偏移大，导致信号输出幅值变
备试验定型、性能评估和战法训法制定具有越来越
化和波束指向性偏移引起图像失真或畸变的问题，
重要的参考意义。水中兵器弹道测量系统主要分为
针对性设计双曲调频信号作为发射信号和采用宽
内测系统和外测系统 [1−13] 。内测系统主要通过目
带信号处理技术，获得目标回波图像。
标安装的惯性装置测量并记录航行过程中的加速
度、角度和深度等运动参数，进而解算出目标的速
度、姿态和轨迹信息。外测系统主要有长基线定位
系统、短基线定位系统和超短基线定位系统，通过水
R 0
下弹道测量系统和目标安装的合作声信标测量目 N
标斜距和方向，实现目标定位和轨迹测量。但是，在
陌生水域测量高速小目标的末弹道，由于小目标无
法安装合作声信标且没有水下弹道测量系统配合，
不能测得目标斜距，故传统方法难以胜任此类情形 图 2 系统基阵换能器排布
Fig. 2 Layout of system array transducer
的末弹道测量。又考虑到目标高速接近靶标的方向
未知，目标速度达到了每秒数十米，目标回波的多普 2 波束形成技术
勒偏移量大，基于上述背景，文中提出了一种通过基
于实孔径成像测量水下高速小目标末弹道的方法， 波束形成技术需从发射和接收两个方面考虑，
通过目标回波图像分辨确定目标坐标，进而测得目 发射波束时，将基阵经过适当处理能够在预定方向
标末弹道，并通过湖上实验进行验证，取得了较好的 形成指向性，即将能量集中在指定方向获取最大的
测量效果。 探测距离；接收信号时，通过波束形成使系统定向接
收目标信号，抑制噪声干扰，有效提高信噪比，其实
1 系统功能结构 质是空间滤波器 [3] 。

在靶标上设计安装一种声学成像系统，主要考 2.1 圆阵波束形成的基本原理
虑前置预处理、波束形成和后置处理等三个功能部 因为发射波束形成技术和接收波束形成技术
分，如图1所示 [2] 。 的基本原理相同，且系统采用 DSP 芯片，能够节约
计算时间，提高系统成像的实时性，文中以接收端
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为例说明圆阵的频域波束形成，其基本原理如图 3
所示。
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图 1 声学成像系统的功能分布 x i ֒ y i
R 0
Fig. 1 Functional map of acoustic imaging system θ
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N
通过将声学成像系统基阵设计成圆盘状，在圆 x
周上，均匀排布换能器基阵，满足测量不同运动方
向目标的成像需要，其排布结构如图2 所示，图2中，
R 0 为圆盘半径，N 为阵元数。该系统的核心是通过
圆阵声呐接收目标回波，经过后置信号处理成像，
分辨并确定图中目标方位，测得目标末弹道。根据 图 3 圆阵波束形成原理
圆阵的波束对称分布有利于进行快速傅里叶变换 Fig. 3 Principle of circular array beamforming