專利名稱：一種對合成孔徑聲納系統(tǒng)相位誤差估計的測試系統(tǒng)及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及聲納系統(tǒng)測試領域，特別涉及一種對合成孔徑聲納系統(tǒng)相位誤差估計 的測試系統(tǒng)及方法。
背景技術：
合成孔徑聲納(Synthetic Aperture Sonar :SAS)利用小尺寸基陣在方位向的移 動形成虛擬大孔徑，通過對不同位置的聲納回波信號進行相干處理，從而獲得高分辨率的 聲納圖像。相位誤差對合成孔徑聲納成像的影響較大，引起相位誤差主要因素包括運動誤 差和多通道一致性問題，相位誤差估計和補償是合成孔徑聲納信號處理的重要組成部分之 一。合成孔徑聲納系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)發(fā)送以及信號處理等多個模塊。因此，合成孔徑 聲納干端和濕端系統(tǒng)在實驗室進行聯(lián)合調試的難度比較大。即使通過水池試驗，由于水池 尺度的限制，也很難對合成孔徑聲納的相位誤差估計模塊進行較為準確的調試。因此迫切 需要一種可用于合成孔徑聲納相位誤差估計的測試系統(tǒng)。通過此測試系統(tǒng)可以計算生成一 定場景下的水底回波的測試數(shù)據(jù)，并將測試數(shù)據(jù)輸出為模擬信號，以完成實驗室中對合成 孔徑聲納相位誤差估計的測試和分析。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，為了解決上述現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提供了一種對合成孔 徑聲納系統(tǒng)相位誤差估計的測試系統(tǒng)及方法。該系統(tǒng)與方法可模擬生成可用于對合成孔徑 聲納相位誤差估計進行測試的聲納回波數(shù)據(jù)。可用于測試合成孔徑聲納系統(tǒng)對運動誤差， 多通道采樣誤差，各通道一致性誤差等引起的相位誤差估計的性能。為達到上述目的，提供一種對合成孔徑聲納系統(tǒng)相位誤差估計的測試系統(tǒng)，其特 征在于，該系統(tǒng)包括聲納回波信號計算模塊、模擬輸出模塊和測試評估模塊；所述的聲納回波信號計算模塊，用于根據(jù)設定的工作參數(shù)、聲納基陣運動信息、模 擬的場景信息和相位誤差信息e(y)來計算出聲納回波數(shù)字信號；所述的模擬輸出模塊，用于將所述的聲納回波信號計算模塊輸出的聲納回波數(shù)字 信號轉換為聲納回波模擬信號，并輸入給合成孔徑聲納系統(tǒng)來估計得到相位誤差ejy)；所述的測試評估模塊，用于根據(jù)所述的合成孔徑聲納系統(tǒng)估計得到相位誤差 ei(y)和初始生成聲納回波信號的相位誤差信息e(y)進行比較來完成對合成孔徑聲納系統(tǒng) 相位誤差估計性能的測試。該系統(tǒng)還包括信號顯示模塊；所述的信號顯示模塊，用于顯示所述的模擬輸出模 塊輸出的聲納回波數(shù)字信號，同時輸出所述的測試評估模塊的結果并進行對比顯示。為實現(xiàn)上述目的，還提供一種對合成孔徑聲納系統(tǒng)相位誤差估計的測試方法，該 方法的具體步驟包括步驟1)所述的聲納回波信號計算模塊根據(jù)設定的工作參數(shù)、聲納基陣運動信 息、模擬的場景信息和相位誤差信息e(y)來計算出聲納回波數(shù)字信號；
步驟2)所述的模擬輸出模塊將所述的聲納回波信號計算模塊輸出的聲納回 波數(shù)字信號轉換為聲納回波模擬信號，并輸入給合成孔徑聲納系統(tǒng)來估計得到相位誤差 e“y)；步驟3)所述的測試評估模塊根據(jù)所述的合成孔徑聲納系統(tǒng)估計得到相位誤差 ei(y)和初始生成聲納回波信號的相位誤差信息e(y)進行比較來完成對合成孔徑聲納系統(tǒng) 相位誤差估計性能的測試。該方法還包括步驟4)；所述的步驟4)所述的信號顯示模塊顯示所述的模擬輸出 模塊輸出的聲納回波數(shù)字信號，同時輸出所述的測試評估模塊的結果并進行對比顯示。所述的步驟1)中，所述的模擬的場景信息是生成聲納回波的場景信息。所述的步驟1)中，所述的工作參數(shù)是根據(jù)合成孔徑聲納系統(tǒng)的參數(shù)設定；所述的合成孔徑聲納系統(tǒng)的參數(shù)包括發(fā)射信號的中心頻率、發(fā)射信號的信號帶 寬、發(fā)射信號的脈沖寬度、發(fā)射信號的脈沖重復周期、回波信號仿真的采樣頻率、發(fā)射陣孔 徑大小、接收子陣孔徑大小、接收子陣的陣元個數(shù)、合成孔徑聲納系統(tǒng)測繪帶起始位置及合 成孔徑聲納系統(tǒng)測繪帶結束位置。所述的步驟1)中，所述的聲納基陣運動信息是根據(jù)測試要求設定；所述的聲納基陣運動信息包括仿真開始時，合成孔徑聲納基陣在坐標系中運動 軌跡和姿態(tài)；仿真時間段中，合成孔徑聲納基陣在坐標系中運動軌跡和姿態(tài)；其中，合成孔徑聲納基陣的運動軌跡以聲納基陣的中心為準，合成孔徑聲納基陣 的姿態(tài)采用聲納基陣與坐標軸的夾角描述；設聲納基陣的坐標中心0的坐標為[ox(y) oy (y) oz(y)]，聲納基陣與坐標軸的 夾角為[a (y) β (y) γ (y)]；其中，y表示合成孔徑聲納基陣移動的前進方向；則聲納基陣中各陣元的位置可以由聲納基陣的運動軌跡和聲納基陣的夾角按照 式⑴計算得出H+l》(1)其中，《= (X; yt Zi) ,d = \cos{a) cos(^) cos(,)]。所述的合成孔徑聲納基陣的位置和姿態(tài)信息存儲在文件中或內(nèi)存中。所述的步驟1)步驟1. 1)根據(jù)設定的工作參數(shù)隨機生成待模擬區(qū)域的點目標；設定模擬區(qū)域χ e [Xmin XmaJ , y e [ymin ymax], ζ e [zmin zmax]，設定點目標的 個數(shù)N，隨機生成N個目標點，目標點位置為(Xi y, Zi)，且使Xi e [Xmin XmaxLyi e [ymin
Ymax]，Zi 日[Zmin Zmax]；步驟1. 2)利用待模擬區(qū)域的點目標根據(jù)合成孔徑聲納發(fā)射基陣的波束形狀計 算發(fā)射波束覆蓋的區(qū)域；首先，采用橢圓錐近似發(fā)射波束的主瓣形狀，橢圓錐與地平面交線為一橢圓，該橢 圓的兩軸為a和b，假設rmax為聲波束覆蓋的最遠距離，則a^ α ^fflax (2)b ^ α 2rfflax (3)其中，Q1, α 2分別為聲納基陣的方位向開角和垂直向開角；
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其次，采用一個多棱錐OF1F2. . . Fn逼近橢圓錐并近似發(fā)射波束的主瓣形狀，假設平 面OFiFw的平面方程為
權利要求
1.一種對合成孔徑聲納系統(tǒng)相位誤差估計的測試系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括聲 納回波信號計算模塊、模擬輸出模塊和測試評估模塊；所述的聲納回波信號計算模塊，用于根據(jù)設定的工作參數(shù)、聲納基陣運動信息、模擬的 場景信息和相位誤差信息e(y)來計算出聲納回波數(shù)字信號；所述的模擬輸出模塊，用于將所述的聲納回波信號計算模塊輸出的聲納回波數(shù)字信號 轉換為聲納回波模擬信號，并輸入給合成孔徑聲納系統(tǒng)來估計得到相位誤差ei(y)；所述的測試評估模塊，用于根據(jù)所述的合成孔徑聲納系統(tǒng)估計得到相位誤差ejy)和 初始生成聲納回波信號的相位誤差信息e(y)進行比較來完成對合成孔徑聲納系統(tǒng)相位誤 差估計性能的測試。
2.根據(jù)權利要求1所述的對合成孔徑聲納系統(tǒng)相位誤差估計的測試系統(tǒng)，其特征在 于，該系統(tǒng)還包括信號顯示模塊；所述的信號顯示模塊，用于顯示所述的模擬輸出模塊輸出的聲納回波數(shù)字信號，同時 輸出所述的測試評估模塊的結果并進行對比顯示。
3.一種對合成孔徑聲納系統(tǒng)相位誤差估計的測試方法，該方法的具體步驟包括步驟1)所述的聲納回波信號計算模塊根據(jù)設定的工作參數(shù)、聲納基陣運動信息、模擬的場景信息和相位誤差信息e(y)來計算出聲納回波數(shù)字信號；步驟幻所述的模擬輸出模塊將所述的聲納回波信號計算模塊輸出的聲納回波數(shù)字 信號轉換為聲納回波模擬信號，并輸入給合成孔徑聲納系統(tǒng)來估計得到相位誤差ejy)；步驟幻所述的測試評估模塊根據(jù)所述的合成孔徑聲納系統(tǒng)估計得到相位誤差ei(y) 和初始生成聲納回波信號的相位誤差信息e(y)進行比較來完成對合成孔徑聲納系統(tǒng)相位 誤差估計性能的測試。
4.根據(jù)權利要求3所述的對合成孔徑聲納系統(tǒng)相位誤差估計的測試方法，其特征在 于，該方法還包括步驟4)；所述的步驟4)所述的信號顯示模塊顯示所述的模擬輸出模塊輸出的聲納回波數(shù)字 信號，同時輸出所述的測試評估模塊的結果并進行對比顯示。
5.根據(jù)權利要求3所述的對合成孔徑聲納系統(tǒng)相位誤差估計的測試方法，其特征在 于，所述的步驟1)中，所述的模擬的場景信息是生成聲納回波的場景信息。
6.根據(jù)權利要求3所述的對合成孔徑聲納系統(tǒng)相位誤差估計的測試方法，其特征在 于，所述的步驟1)中，所述的工作參數(shù)是根據(jù)合成孔徑聲納系統(tǒng)的參數(shù)設定；所述的合成孔徑聲納系統(tǒng)的參數(shù)包括發(fā)射信號的中心頻率、發(fā)射信號的信號帶寬、 發(fā)射信號的脈沖寬度、發(fā)射信號的脈沖重復周期、回波信號仿真的采樣頻率、發(fā)射陣孔徑大 小、接收子陣孔徑大小、接收子陣的陣元個數(shù)、合成孔徑聲納系統(tǒng)測繪帶起始位置及合成孔 徑聲納系統(tǒng)測繪帶結束位置。
7.根據(jù)權利要求3所述的對合成孔徑聲納系統(tǒng)相位誤差估計的測試方法，其特征在 于，所述的步驟1)中，所述的聲納基陣運動信息是根據(jù)測試要求設定；所述的聲納基陣運動信息包括仿真開始時，合成孔徑聲納基陣在坐標系中運動軌跡 和姿態(tài)；仿真時間段中，合成孔徑聲納基陣在坐標系中運動軌跡和姿態(tài)；其中，合成孔徑聲納基陣的運動軌跡以聲納基陣的中心為準，合成孔徑聲納基陣的姿 態(tài)采用聲納基陣與坐標軸的夾角描述；設聲納基陣的坐標中心0的坐標為[ox(y) oy(y) oz(y)]，聲納基陣與坐標軸的夾角 為[a (y) β (y) γ (y)]；其中，y表示合成孔徑聲納基陣移動的前進方向；則聲納基陣中各陣元的位置可以由聲納基陣的運動軌跡和聲納基陣的夾角按照式(1) 計算得出
8.根據(jù)權利要求7所述的對合成孔徑聲納系統(tǒng)相位誤差估計的測試方法，其特征在 于，所述的合成孔徑聲納基陣的位置和姿態(tài)信息存儲在文件中或內(nèi)存中。
9.根據(jù)權利要求3所述的對合成孔徑聲納系統(tǒng)相位誤差估計的測試方法，其特征在 于，所述的步驟1)步驟1.1)根據(jù)設定的工作參數(shù)隨機生成待模擬區(qū)域的點目標； 設定模擬區(qū)域X e [Xmin XmaJ，y e [ymin ymaJ，ζ e [zmin zmax]，設定點目標的個數(shù)N， 隨機生成N個目標點，目標點位置為(Xi Yi Zi)，且使Xi e [xmin XmaJ，Yi e [ymin ymax]，^ [Zmin Zmax]；步驟ι. 2)利用待模擬區(qū)域的點目標根據(jù)合成孔徑聲納發(fā)射基陣的波束形狀計算發(fā) 射波束覆蓋的區(qū)域；首先，采用橢圓錐近似發(fā)射波束的主瓣形狀，橢圓錐與地平面交線為一橢圓，該橢圓的 兩軸為a和b，假設rmax為聲波束覆蓋的最遠距離，則 a ^ α irmax ⑵ b ^ α 2rmax (3)其中，Q1, α 2分別為聲納基陣的方位向開角和垂直向開角；其次，采用一個多棱錐OF1F2. . . Fn逼近橢圓錐并近似發(fā)射波束的主瓣形狀，假設平面 OFiFw的平面方程為Pi (Ai, Bi, Ci, Di) = AiX+B^+CiZ+Di = O (4)對于目標點 (Xta，Yta，Zta)， 如果滿足[P1 > 0]&[P2 > 0]&[P3 > 0]&· · · &[Pn > 0] (5)則目標(xta，yta，Zta)處在發(fā)射波束的照射范圍內(nèi)；步驟1. 3)利用發(fā)射波束覆蓋的區(qū)域計算回波聲納信號；首先，計算聲納接收子陣的等效相位中心；假設發(fā)射陣的位置為(xt，Jt, zt)，第i個接收陣的位置為(Xri，Jru Zj，則等效相位中 心的位置為 0cci，yci，Zci)；其中，xci = (xt+xri)/2, yci = (yt+yri)/2, zci = (zt+zri)/2 ； 其次，計算等效相位中心至目標的聲程差；假設目標點i對應的坐標為(Xi，Yi, Zi)，則目標i對應等效相位中心j的聲程差為
10.根據(jù)權利要求3所述的對合成孔徑聲納系統(tǒng)相位誤差估計的測試方法，其特征在 于，所述的步驟3)按照式(12)和式(13)評估被測試合成孔徑聲納系統(tǒng)的性能；
全文摘要
本發(fā)明涉及一種合成孔徑聲納運動誤差估計測試系統(tǒng)及方法，其特征在于，該系統(tǒng)包括聲納回波信號計算模塊、模擬輸出模塊和測試評估模塊；所述的聲納回波信號計算模塊，用于根據(jù)設定的工作參數(shù)、聲納基陣運動信息、模擬的場景信息和相位誤差信息e(y)來計算出聲納回波數(shù)字信號；所述的模擬輸出模塊，用于將所述的聲納回波信號計算模塊輸出的聲納回波數(shù)字信號轉換為聲納回波模擬信號，并輸入給合成孔徑聲納系統(tǒng)來估計得到相位誤差e1(y)；所述的測試評估模塊，用于根據(jù)所述的合成孔徑聲納系統(tǒng)估計得到相位誤差e1(y)和初始生成聲納回波信號的相位誤差信息e(y)進行比較來完成對合成孔徑聲納系統(tǒng)相位誤差估計性能的測試。
文檔編號G01S7/52GK102129068SQ20101058846
公開日2011年7月20日 申請日期2010年12月8日 優(yōu)先權日2009年12月8日
發(fā)明者劉紀元, 劉維, 張春華, 黃海寧 申請人:中國科學院聲學研究所