非平稳运动水下目标逆合成孔径声纳成像方法研究

Inverse synthetic aperture sonar (ISAS) has high resolutions in both range dimension and cross-range dimension, hence, can obtain the target’s acoustic image, which is significant for underwater detection. The existing ISAS imaging methods are based on the stationary target’s model. When these methods are applied to the underwater targets with high-level non-stationary motion, the obtained ISAS images will suffer from defocusing and inaccuracy. In this case, we will research on the ISAS imaging of maneuvering underwater targets in this project. Firstly, we discuss the motion compensation algorithm for ISAS. Applying Keystone transform and LVD transform, the first order translational motion and the higher order translational motion are estimated, respectively. Hence, the high-level non-stationary translational motion can be compensated. Then, we concentrate on the signal processing algorithm in cross-range dimension. A precision algorithm is necessary to estimate the higher order phase terms caused by the high-level non-stationary rotational motion, and to increase the scatterers’ concentration and accuracy. Finally, to reduce the level of the non-stationary motion, we explore the image interval selection algorithm. Considering both the image contrast and the image resolution, the evaluation criteria of the image quality is established. Therefore, by adjusting the coefficients, high quality ISAS images obtained in different aspect angles are achieved.

逆合成孔径声纳（ISAS）具有距离维与方位维的二维高分辨率，可实现对运动目标的声学成像，是重要的水下侦察探测设备。现有的ISAS成像方法基于平稳运动目标模型，应用于非平稳运动的水下目标时，会产生平动补偿不充分及方位维散焦问题，造成成像质量的下降。针对该问题，本课题拟开展非平稳运动水下目标逆合成孔径声纳成像方法研究。首先进行ISAS运动补偿方法研究，通过Keystone变换与LVD变换分别估计一次平动分量及高次平动分量，使方法具备对高度非平稳运动目标的平动补偿能力。其次，进行ISAS方位维信号处理方法研究。基于AM-CPS信号模型，提出信号参数估计新算法，避免累计误差，进而提高散射点重构的精度与聚焦性。最后，进行ISAS成像时间段选取方法研究，建立包含对比度及分辨率的图像质量评价函数，降低成像时间段内目标运动的非平稳性，并获得目标在不同成像角度下的多幅ISAS图像。

本项目主要开展针对非平稳运动水下目标的逆合成孔径声纳成像方法研究，解决现有方法平动补偿不充分及方位维散焦的问题，以提高ISAS成像质量并获得在不同成像角度下的多幅水下目标声纳图像。本项目的标志性创新成果如下：.（1）在ISAS运动补偿研究中，将目标平动分量扩展至三阶，提出了针对非平稳运动目标的平动补偿新方法。该方法采用Keystone变换消除一阶平动分量，并通过LVD变换完成对二阶及三阶平动分量的估计与补偿。方法实现了对高度非平稳运动水下目标的充分运动补偿，为后续信号处理过程奠定了良好的基础。.（2）在ISAS方位维信号处理研究中，将ISAS方位维回波信号等效为AM-CPS信号，提出了信号参数估计新算法。该算法的核心思想是构建三阶小波基，并利用三阶小波基对方位维回波信号加以表示，通过Radon变换结合改进CPF变换对信号调频率与调频变化率进行高精度同步估计，有效避免了误差积累，提高了重构ISAS图像的对比度。.（3）在ISAS成像时间段选取研究中，考虑水声图像对分辨率的需求，建立了图像质量评价函数。该函数的新颖之处在于首次引入图像分辨率作为评价指标，并对每项评价指标加入可调系数，不仅可实现对ISAS图像对比度需求与分辨率需求的折衷，而且可获得目标在不同成像角度下的多幅ISAS图像，丰富了目标信息。. 本项目完成了任务书要求的全部内容。依托于本项目的研究，共发表高水平学术论文13篇，其中SCI检索10篇；申请发明专利10项，其中1项已授权；出版专著一部，荣获省部级科技奖励1项。本项目的顺利开展，为非平稳运动水下目标的逆合成孔径成像方法提供了理论依据，为形成国产化非平稳运动水下目标的逆合成孔径成像声纳设备奠定了技术基础。