Page 203 - 应用声学2019年第4期

第 38 卷 第 4 期 徐文等： AUV 双基地合成孔径声呐成像实验 663

2.2 宽角度双基地合成孔径处理 对于 SAS 成像处理，本文采用一种方位 -距
随着 AUV 平台导航精度的不断提升，合成孔 离极坐标下的扇区分解反投影 (Sector factorized
径长度不断增加，这意味着对目标的观测角度范围 back-projection, SFBP)快速算法，并将其推广为可
随之提升。如前所述，人造目标由于其外形上往往 适用于任意AUV运动路径 [13] 。
具有对称性，在大观察角度内对声信号的目标散射
3 实验结果
模式呈现较强的各向异性，直接导致基于点目标假
设的传统合成孔径成像算法已经不能完全适用。从
本实验系统于 2012 年 5 月在湖北省漳河水库
点目标到各向异性目标，对TSP 的建模牵引着更完
进行了湖上实验。水域深度约 40 m，发射换能器在
备的 SAS 成像算法的发展，虽然这势必提高了成像
锚定于岸边的趸船一端吊置于水下20 m，并保持一
算法复杂度，但同时也带来新的机会。
定倾斜角度照射水底。AUV 下水前，声呐电子盒通
目标各向异性模型意味着目标 TSP 不仅与目
过数据传输口与发射模块完成时间同步。AUV 航
标位置有关，还和目标与发射接收阵形成的入射、
行深度约 20 m，共进行了约 20航次有效航行，采集
散射角度有关。在合成孔径处理中，不仅要利用
了超过 10 GB 的实验数据，并且对沉底圆柱目标进
s(t) 在时间域进行匹配滤波，还要利用 TSP 在空间
行了针对性探测实验。
域进行匹配滤波。然而实际成像中，由于目标姿态
3.1 常规双基地SAS成像
的未知，会使空间域匹配滤波引入讨厌参量。本研
究在广义似然比检验 (Generalized likelihood ratio 第 12052707 航次中 AUV 自发射源西北角下
test, GLRT) 框架下，发展一种宽角度 SAS 成像算 潜，在水下以 1.55 m/s 的速度沿直线运动轨迹定深
法 GLRT-SAS，旨在提高对人造目标成像输出信混 航行约 300 m 之后，从东南角浮出。图 2(a) 显示了
比，并同时估计目标(如圆柱等)姿态信息。 该航次 AUV 运动轨迹，其中红色实线表示自 165 s
当镜面反射占目标散射回波主要部分时，目标 始的324个脉冲内AUV运动轨迹，绿色虚线标定了
双基地 TSP ϖ 0 (θ r , θ t ) 可近似为其单基地 TSP 在 发射源照射范围。图2(b)显示了对相对发射源位置
θ = (θ r + θ t )/2时的值ϖ 0 (θ) [12] 。利用TSP在空间 斜距 20 ∼ 45 m，航向 (与 AUV 运动轨迹平行方向)
域进行匹配滤波可以表示为 −10 ∼ 10 m 范围内地貌成像结果。仅用到最上排
第 2 ∼ 5 号阵元。该片水底多细沙与碎石，因此图
′
g (t, θ) = g(t, θ)ϖ(θ; θ c , ∆θ), (4)
中可见若干强散射信号，包括位于斜距 23 ∼ 24 m
其中，g(t, θ) 为时域匹配滤波输出，θ c , ∆θ 分别表示
处的若干亮点以及斜距 25 ∼ 30 m 处的一道坡状
目标TSP的主瓣方向以及主瓣宽度，而
结构。
ϖ(θ; θ c , ∆θ) = 图2(c)显示了利用第 12052805航次自 165 s 始

的 324 个脉冲，对同片区域成像结果。对比图 2(b)
ϖ 0 (θ − θ c ), −∆θ/2 < (θ − θ c ) < ∆θ/2,

(5) 与图 2(c) 可见，在航向 2 m、斜距 24 m 处有较大差
0, 其他,

异。结合所记录的沉底目标 GPS 位置判断，该点疑
包含了讨厌参数θ c , ∆θ 的合成孔径处理输出为 似为5月28日中午所投置的灌沙油桶(图3(a))。
N
1 ∑ 3.2 宽角度双基地SAS成像
ˆ
f(r, θ c , ∆θ) =
η(r)
n=1 为验证论文讨论的宽角度双基地 SAS 算法对
P ( )
∑ ∥r − r r (i, n)∥ + ∥r − r t ∥ 人造沉底目标的探测与定位能力，将一废弃油桶扔
g ′ , r r (i, n), r t .
c 置于发射源照射范围内。目标实物照片如图3(a) 所
i=1
(6) 示，其长度为88 cm，直径为55 cm。
而对θ c , ∆θ 的最大似然估计值为 对第 12052801 航次自 160 s 始的 324 个脉冲进
行 GLRT-SAS 成像，其结果如图 3(b) 所示。成像区
ˆ
ˆ
ˆ
(θ c , ∆θ) = arg max |f(r, θ c , ∆θ)|. (7)
域每个像素单元为 1.89 cm × 1.89 cm，成像区域总
最终的合成孔径输出为 像素点为 370 × 370。与图 3(c) 中常规双基地 SAS
ˆ
ˆ
ˆ
F(r) = f(r, θ c , ∆θ). (8) 成像结果相比，GLRT-SAS 成像对油桶目标的输出