Page 202 - 应用声学2019年第4期

662 2019 年 7 月

整个实验系统的硬件结构如图 1(b) 所示，其中 1.2 发射模块
接收模块全部位于“海豚一号”AUV上，包括安装于 发射换能器工作频率为 7 kHz ∼ 17 kHz，采用
AUV 艏部的 16 基元接收换能器基阵，集成了声呐 2×2 四个基元并联方式，水平、垂直束宽约为 45 ，
◦
信号调理、采集、处理与存储模块的声呐电子舱，以 总阵最大声源级可以达到205 dB re 1uPa @1 m，可
及由多普勒计程仪、惯性导航单元等组成的 AUV 以保证SAS处理的输入数据具有较高的信噪比。
导航系统等。发射模块位于岸站，包括发射换能器
及其驱动电路。发射与接收模块之间采用高精度、 2 双基地合成孔径方法
低温漂的恒温晶体振荡器进行时钟同步。
2.1 常规双基地合成孔径处理
1.1 接收模块 合成孔径处理包括距离向压缩和航向压缩。其

1.1.1 “海豚一号”AUV 中距离向压缩可以用常用的匹配滤波算法来实现，
“海豚一号” 采用模块化设计，六个舱段从前往 计算量相对较小。而航向压缩作为合成孔径信号处
后依次为声呐接收基阵、声呐电子舱、载荷舱、电池 理的核心，其计算量和处理的数据规模比较大，因此
舱、导航控制舱以及推进舱，每个舱段可以独立替换 对处理器的计算速度和内存空间要求也都较高。
与更新。根据平台应用，载荷舱可以是水声通信模 定义三维空间位置矢量r = (x, y, z)，任意时刻
块、水声换能器或者温盐深传感器等。AUV壳体由 t，r r 处接收基元接收到的声呐回波为
铝合金材料制造，采用单浆推进方式，配合尾部水平 e(t, r r , r t )
垂直舵，可以灵活改变运动姿态。导航控制舱内安 ∫ ( ∥r − r r ∥ + ∥r − r t ∥ )
= f(r)s t − dr, (1)
装了Teledyne RDI公司Explorer型600 kHz DVL、 Ξ c
Tritech 公司 iGC 型低精度惯性导航单元、GPS 接 其中，f(r)表示目标散射强度，s(t)表示声呐发射波
收机、深度传感器等导航设备。AUV导航系统数据 形，r t 表示发射换能器位置，Ξ 表示声呐照射区域内
将同时被用于 SAS 成像算法，用以接收阵的运动轨 所有散射点的集合，c 表示声速。∥∥ 表示二维范数，
迹失配估计与补偿。 即三维空间内两点之间距离。
合成孔径处理首先需对 e(t, r r , r t ) 进行距离向
1.1.2 声呐接收基阵
压缩，即时域匹配滤波，其输出为
SAS 接收基阵具有 “6-4-6” 三排均匀线阵结构，
g(t, r r , r t ) = e(t, r r , r t ) ⊗ s(t)
共16通道，通过法兰盘安装在 AUV艏部，可以避免
∫ [ ( )]
螺旋桨噪声干扰。三排线阵结构引入垂直维孔径， = f(r) s(t) ⊗ s t − ∥r − r r ∥ + ∥r − r t ∥ dr,
可实现对水底或目标散射直达信号与其水面反射 Ξ c
(2)
多径信号的方向分辨，增强合成孔径成像质量 [10] 。
其中，⊗表示卷积运算。
每条水平阵的基元间距为 10 cm，采用多个接收基
在被动式双基地配置下，发射换能器位置固
元既可以在满足空间采样率的前提下提高 AUV 航
定，接收基阵以停 -跳 (stop-hop) 方式，周期性接收
行速度，以提高合成孔径成像的测绘速率，又使得基
信号。假设 SAS 接收阵元数为 N，合成孔径处理总
于声呐数据的运动估计成为可能 [11] 。
脉冲数为 P，根据每个周期成像区域内任意位置 r
1.1.3 声呐电子舱 收发基阵空间距离，抽取 g(t, r r , r t ) 中相应时刻分
声呐电子舱为接收模块的核心部分，包括运行 量相干叠加，即构成时域常规时延求和(Time delay
控制与数据打包模块、信号调理与前置放大模块、 and sum, TDS) 合成孔径处理中的航向压缩。此过
数据采集模块、数据记录模块与时间同步模块等五 程可以描述为
N
P
大部分。而运行控制模块又是声呐系统核心，负责 1 ∑ ∑ ( ∥r − r r (i, n)∥ + ∥r − r t ∥
ˆ
f(r) = g ,
与 AUV 平台或调试电脑通信，从而控制声呐工作 η(r) c
n=1 i=1
模式，采集声呐数据与导航数据，运行 SAS 成像算 )
r r (i, n), r t , (3)
法，并将数据与处理结果存储在一块 320 GB 容量
的网络硬盘内。 其中，η(r)为归一化系数。