快速干涉合成孔径声纳原始回波时域仿真方法技术

本发明专利技术涉及一种快速干涉合成孔径声纳原始回波时域仿真方法，该方法根据仿真的场景数据、声基阵位置和姿态数据、系统运行的几何参数，计算每一反射点的反射系数和延迟距离，最后直接在时域内生成每一接收阵元的原始回波信号。包括：设置三维地形数据；计算声纳基阵的位置和姿态信息；通过参考信号时移叠加快速计算各个接收子阵的回波数据；存储生成的原始回波数据。本发明专利技术的特点是在计算各个接收子阵回波过程中，将因距离产生的时延转换为距离向上的平移量，并建立参考信号二维数组，回波生成过程中可快速查找定位任意一点的回波起点和终点，有效避免冗余计算，可大大提高原始回波计算效率，有利于合成孔径成像和干涉信号处理后续算法验证。

Time domain simulation method of raw echo in rapid interferometric synthetic aperture sonar

The invention relates to a fast interferometric synthetic aperture sonar echo time domain simulation method, the method based on the geometric parameters of the scene data, the simulation of acoustic array position and attitude data of the system, and calculate the reflection coefficient of each reflection point and delay distance, finally directly in the time domain to generate each received echo signal of the array the. It includes setting up 3D terrain data, calculating the position and attitude information of sonar array, and calculating the echo data of each receiving subarray through the time shift and superposition of reference signal. The invention is characterized in the calculation of each subarray receives the echo process, due to delay arising from the conversion of range shift upward, and establish the reference signal and two-dimensional array echo generation process can quickly locate any point of the starting point and end point echo, effectively avoid the redundant computation, which can greatly improve the original echo calculation efficiency, is conducive to the synthetic aperture imaging and interferometric signal processing algorithm to verify the following.

【技术实现步骤摘要】
快速干涉合成孔径声纳原始回波时域仿真方法
本专利技术涉及干涉合成孔径声纳原始回波的仿真，具体地指一种快速干涉合成孔径声纳原始回波时域仿真方法。
技术介绍
干涉合成孔径声纳(InSAS)是在合成孔径声纳基础上增加一幅(或多幅)接收基阵，通过比相测高的方法得到场景的高度信息，从而得到场景的三维图像。InSAS兼备了合成孔径声纳分辨率与成像距离和工作频率无关的优点和干涉测深精度高的优点。可以用于海底测量、水下考古、海底石油勘探和搜寻水下失落物体等，也能提高水雷的识别能力。干涉合成孔径声纳信号处理包括合成孔径成像处理和干涉信号处理，信号处理过程非常复杂。为了验证各部分信号处理算法的正确性，在试验之前充分测试程序，必须开展原始回波的仿真方法研究。原始信号的计算过程十分复杂，特别是对于大场景的原始回波仿真，效率显得至关重要，研究快速的回波仿真方法意义重大。目前干涉合成孔径声纳原始回波仿真方法主要有时域仿真和频域仿真两类。时域仿真完全按照干涉合成孔径声纳的工作过程进行仿真，是最精确的仿真方法，但是计算量也非常大，对计算机的性能要求很高。频域仿真方法效率比时域仿真要高，但是精度低。如何在保持仿真精度的前提下提高速度是一个技术难题。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有技术中干涉合成孔径声纳原始回波时域仿真效率低的问题，从而提供一种快速的干涉合成孔径声纳原始回波时域仿真方法。为了实现以上目的，本专利技术采用如下方案：根据仿真的场景数据、声基阵位置和姿态数据、系统运行的几何参数，计算每一反射点的反射系数和延迟距离，最后直接在时域内生成每一接收阵元的原始回波信号。具体地，包括：1)生成仿真所用的三维场景数据。将场景划分为小三角形面元，面元尺寸要大于声波波长，小于成像分辨率。计算出场景中每个三角形面元的反射系数和遮挡效应。对于场景的距离向、方位向和高度信息都加入随机偏移量。2)根据声纳的工作参数载体速度、脉冲重复频率、基阵距底高度、基线倾角确定声基阵的空间位置。3)参考信号二维数组的生成。发射信号的时宽乘以距离向采样频率作为二维数组的列数，将一个距离采样时间间隔T细分成NS等份，每份记为Ts，NS作为二维数组的行数，二维数组的每行起始时间相差Ts。4)场景中每个面元的回波计算。按照基阵在方位向采样点的位置，计算发射阵到面元的距离和接收子阵到面元的距离，两者之和的一半作为延迟距离。延迟距离减去最近采样距离再除以距离向采样间隔的整数部分作为整数平移量，即回波信号中距离向采样起点，小数部分乘以NS后的整数部分作为参考信号在二维数组中的索引。5)将场景中每个面元的回波进行叠加作为最终的回波结果。6)采用同样方法分别对主、辅接收阵进行计算，获得原始干涉合成孔径声纳原始回波数据。本专利技术方法能够有效避免冗余计算，大大提高原始回波计算效率，有利于合成孔径成像算法和干涉信号处理算法验证。附图说明图1为本专利技术快速干涉合成孔径声纳原始回波时域仿真方法的流程示意图。图2为参考信号示意图。图3为平移量计算示意图。图4为平移量小数部分计算示意图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步的详细说明。本专利技术的流程如附图1所示，下面结合附图和具体实施方式对本专利技术做进一步的详细说明。(1)计算待仿真的三维场景数据。首先确定需要仿真的场景的大小，根据成像分辨率和波长的大小确定出面元尺寸，面元的大小要符合两个要求：第一，面元要大于声波的波长，第二，面元要小于成像分辨率。然后计算出整个场景在方位向和距离向上划分的面元数Ny，Nx。由于真实的场景并不是平坦的，有高低起伏，为了更真实的反应场景信息，在方位向和距离向以及场景高度上都加入随机量，随机量小于面元的尺寸。本实施例中，随机偏移量分为距离向随机偏移量、方位向随机偏移量和高度随机偏移量，其中距离向随机偏移量和方位向随机偏移量分别控制在半个距离向和方位向分辨率范围内，高度随机偏移量控制在半个波长范围内。最后，将三角形的中点作为面元的中心，本实施例中所用三角形的中点为三角形三个顶点的坐标和的均值即为中点。(2)计算场景中各个面元的反射系数。首先计算入射角，即发射阵与面元中心连线向量与面元的法向量的夹角，然后根据兰伯特定律计算出反向散射系数。最后，考虑遮挡效应，将位于阴影中的点处的反射系数设置为0。(3)仿真基阵位置和姿态信息。加入姿态信息，可以使仿真的基阵位置更准确，更接近真实情况，因此本实施例需要考虑基阵的横滚、俯仰、横摇、纵荡、侧摆和升沉六个运动参数，以及x,y,z的空间位置信息。具体地，声基阵的位置根据载体速度、脉冲重复频率、基阵距底高度、基线倾角确定，声基阵姿态数据根据六自由度运动仿真参数确定。(4)预先生成的参考信号是一个二维数组，如附图2所示。其行数NTp＝Tp·rFs，其中Tp是发射信号的时宽，rFs是距离向采样频率。参考信号的行数NS等于一个距离向采样间隔的划分数，即将一个距离向采样时间间隔T细分成1000等份，每份记为Ts，参考信号的每行相差一个Ts。参考信号的表达式为其中K是线性调频斜率，是参考信号列索引，ia＝0,1,…999是参考信号行索引。(5)计算场景中每个面元的回波。根据基阵的位置计算发射阵到面元的距离r1和接收子阵到面元的距离r2，延迟距离(6)计算当前延迟距离r对应的参考信号的平移量，平移量计算如附图3所示，计算平移量的整数部分是最近采样距离，Δr是距离向一个采样间隔。NRstrat即对应该点回波信号的距离向采样点的起始点。(7)计算平移量的小数部分，如附图4所示，将一个距离采样间隔Δr细分成NS等份，每份为每份对应的时间记为Ts，计算从NRstrat到r处共有多少个Ts，计算式为it即对应着二维参考信号中的行数。例如将距离向上一个时间采样间隔T分为1000等分，每份记为Ts，生成1000个发射参考信号，将其存放在一个二维数组中，参考信号每行的起始时间分别为0,1*Ts,…,999*Ts。时间采样间隔的选取与计算机资源有关，采样间隔分割数选取越大，仿真回波效果越好。对于延迟距离为r的回波反射点，其回波的起始下标为(r-Rmin)/Δr的整数部分，其中Rmin为最近采样距离，回波在参考信号二维数组中的行数为(r-Rmin)/Δr的小数部分乘以NS(1000)后的整数部分。(8)将参考信号的it行数据的开头平移到回波信号的NRstrat处，其结尾对应着回波信号的NRstrat+NTp处。(9)对方位向每个脉冲和每个采样点都进行循环，计算回波的叠加，这样就完成了一个面元的仿真。(10)对场景中的每个面元都进行上述过程，然后进行回波叠加，得到最终的仿真回波数据。(11)对主、辅接收阵回波采用同样方式计算，获得干涉合成孔径声纳回波的原始数据数据。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种快速干涉合成孔径声纳原始回波时域仿真方法，其特征在于：根据仿真的场景数据、声基阵位置和姿态数据、系统运行的几何参数，计算每一反射点的反射系数和延迟距离，最后直接在时域内生成每一接收阵元的原始回波信号。

【技术特征摘要】
1.一种快速干涉合成孔径声纳原始回波时域仿真方法，其特征在于：根据仿真的场景数据、声基阵位置和姿态数据、系统运行的几何参数，计算每一反射点的反射系数和延迟距离，最后直接在时域内生成每一接收阵元的原始回波信号。2.根据权利要求1所述快速干涉合成孔径声纳原始回波时域仿真方法，其特征在于：仿真场景的小面元的距离向和方位向间隔要小于合成孔径成像结果的距离向和方位向分辨率，大于波长，并且仿真场景中每一点的位置加入随机偏移量。3.根据权利要求2所述快速干涉合成孔径声纳原始回波时域仿真方法，其特征在于：随机偏移量包括距离向随机偏移量、方位向随机偏移量和高度随机偏移量，其中距离向随机偏移量和方位向随机偏移量分别控制在半个距离向和方位向分辨率范围内，高度随机偏移量控制在半个波长范围内。4.根据权利要求1所述快速干涉合成孔径声纳原始回波时域仿真方法，其特征在于：声基阵的位置根据载体速度、脉冲重复频率、基阵距底高度、基线倾角确定，声基阵姿态数据根据六自由度运动仿真参数确定。5.根据权利要求1所述快速干涉合成孔径声纳原始回波时域仿真方法，其特征在于：系统运行几何参数需要满足仿真场景照射条件，将仿真场景置于声纳照射范围内。6.根据权利要求1所述快速干涉合成孔径声纳原始回波时域仿真方法，其特征在于：首先计算入...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟何平，唐劲松，黄攀，张森，田振，吴浩然，徐魁，丘昌镇，
申请(专利权)人：中国人民解放军海军工程大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42