Page 127 - 《应用声学》2020年第2期

第 39 卷 第 2 期 郭慧等： 双基地合成孔径声呐时间同步误差分析 285

方式工作，并以一定的脉冲重复频率发射和接收声
0 引言
信号。
双基地合成孔径声呐 (Bistatic synthetic aper-
V T
X T
ture sonar, Bi-SAS) 是一种收发分置的新型声呐体 X R V R
T
制，与常规成像声呐相比，双基地成像声呐具有显著
R
优势：收发分置，灵活性好；探测效率高；充分利用目 R T ↼t↽ R R ↼t↽
H T R T
标的散射特性；探测安全性高等 [1] 。同步技术是双 R R H R
基地成像声呐系统的核心技术之一，包括时间同步、
相位同步和运动补偿，分别指收发换能器具有统一 P
的时间标准、相位对齐以及对运动轨迹偏移的补偿， 图 1 Bi-SAS 三维几何模型
其中时间同步是需要解决的一个重要问题。 Fig. 1 Three-dimensional model of Bi-SAS
国外对双基地声呐的理论与应用的研究比较
从图 1 给出的几何关系可以得到 Bi-SAS 的合
多。20 世纪 90 年代起，双/多基地声呐系统研究进
成孔径关系。在 t = 0 时刻，Bi-SAS 收发平台分
入新阶段，主要成果有目标散射特性、海底混响、
别处在某一合成孔径中心位置，R T 0 、R R0 分别
目标探测等理论方面的研究，并研制出了部分实验
为 0 时刻发射平台和接收平台到点目标的距离，
样机。如 1998 年由 MIT 和 SACLANTCEN 联合的
R 0 = R T 0 + R R0 为 0 时刻收发位置到目标位置的
GOATS 项目，致力于研制适用于沿海环境的反水
距离和。设 t 时刻发射平台和接收平台到点目标的
雷系统，实现了对掩埋物的探测成像，但该系统中未
距离分别为 R T (t)、R R (t)，则 t 时刻回波信号所经
考虑时间同步误差的补偿，成像效果不理想 [2] 。
历的距离可表示为
我国对双/多基地声呐研究起步较晚，主要集
中在目标散射特性、定位原理及成像算法等理论方 R (t) = R T (t) + R R (t) , (1)
面的研究 [3−6] ，对时间同步技术的研究不多，尚无 式(1)中，
有效的时间同步系统。雷达系统中常用的同步技术 ( ) 1/2
R T (t) = R 2 + x 2 , (2)
有基于 GPS 和运动传感器同步 [7] 、高精度晶振同 T 0 T
( 2 2 ) 1/2
步、独立式同步法等。但GPS在水下使用范围受限， R R (t) = R R0 + x R , (3)
高精度晶振价格昂贵，这些方法不适用于双基地声 其中，x T 、x R 分别表示 t 时刻发射平台和接收平台
呐系统，利用回波数据的声学方法是目前行之有效 相对于初始时刻移动的距离，其值分别为
的一种时间同步方案。
x T (t) = V T t, (4)
目前 Bi-SAS 系统中没有成熟应用的时间同步
方案，有必要进行深入的研究 [8−9] 。文献 [10] 指出， x R (t) = V R t, (5)
双基地声呐系统对时间同步精度的要求是信号压 其中，V T 、V R 分别为发射平台和接收平台匀速直线
缩后脉宽的若干分之一，即 10 −3 量级，但合成孔径 运动的速度。假设 |x T | ≪ R T 和 |x R | ≪ R R ，根据
声呐 (Synthetic aperture sonar, SAS) 无需精确测 菲涅尔公式，式(2)和式(3)可以分别近似为
距，主要关注对回波调频特性的影响，所以本文将对 x 2
R T (t) ≈ R T 0 + T , (6)
时间同步误差重点进行理论分析。首先给出Bi-SAS 2R T 0
几何模型、回波信号模型及时间同步误差模型，计 x 2 R
R R (t) ≈ R R0 + . (7)
算误差影响下的距离和方位向分辨率，然后理论分 2R R0
析误差对成像性能的影响，最后进行仿真验证。 将式(6)和式(7)代入式(1)，可得到
( 2 2 2 ) 1/2 ( 2 2 2 ) 1/2
R (t) = R T 0 + V t + R R0 + V t
T
R
1 BiSAS回波信号模型
≈ R 0 + ∆R (t) , (8)
1.1 Bi-SAS回波信号模型 式(8)中，
双基地合成孔径声呐三维几何模型如图 1 所 2 2 2 2
x T x R (V T t) (V R t)
示，假定收发平台做同向匀速直线运动，均以侧视 ∆R (t) = + = + . (9)
2R T 0 2R R0 2R T 0 2R R0