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基于声自导平台解卷积MIMO声呐高分辨成像方法

崔致远 杨云川 石磊 姚远 刘罡

崔致远, 杨云川, 石磊, 等. 基于声自导平台解卷积MIMO声呐高分辨成像方法[J]. 水下无人系统学报, xxxx, x(x): x-xx doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0119
引用本文: 崔致远, 杨云川, 石磊, 等. 基于声自导平台解卷积MIMO声呐高分辨成像方法[J]. 水下无人系统学报, xxxx, x(x): x-xx doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0119
Cui Zhi-yuan, Yang Yun-chuan, Shi Lei, Yao Yuan, Liu Gang. Deconvolution MIMO Sonar High Resolution Imaging Method Based on Acoustic Homing Platform[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0119
Citation: Cui Zhi-yuan, Yang Yun-chuan, Shi Lei, Yao Yuan, Liu Gang. Deconvolution MIMO Sonar High Resolution Imaging Method Based on Acoustic Homing Platform[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0119

基于声自导平台解卷积MIMO声呐高分辨成像方法

doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0119
详细信息
    作者简介:

    崔致远(2000-), 男, 在读硕士, 研究方向为声自导信号处理技术

  • 中图分类号: TJ630.2

Deconvolution MIMO Sonar High Resolution Imaging Method Based on Acoustic Homing Platform

  • 摘要: 针对水下航行器对目标期望导引部位成像的需求, 首次尝试将MIMO声呐成像应用于水下航行器的声自导平台, 旨在有限孔径条件下提高水下航行器声自导平台主动成像的分辨率, 获取清晰图像, 以引导水下航行器判断目标期望部位。结合声自导平台对MIMO声呐收发基阵进行讨论, 并通过仿真证明了MIMO声呐可等效为更大孔径的虚拟SIMO声呐, 兼具高于传统SIMO声呐的角度分辨率与小体积的优势。使用解卷积处理可以有效提高MIMO声呐的角度分辨率和距离分辨率, 同时显著抑制角度维和距离维旁瓣。文章创新点在于根据声自导平台设计收发阵型和Costas编码发射信号, 对目标散射回波进行处理, 验证了解卷积MIMO声呐高分辨成像方法在声自导平台上的可行性, 为MIMO声呐高分辨成像提供了新的技术参考和实现路径。

     

  • 图  1  MIMO声呐坐标示意图

    Figure  1.  Coordinate schematic diagram of MIMO sonar

    图  2  MIMO声呐二维成像流程

    Figure  2.  Two-dimensional imaging process of MIMO sonar

    图  3  两步R-L算法的处理流程

    Figure  3.  Processing flow chart of the two-step R-L algorithm

    图  4  声学基阵结构

    Figure  4.  Acoustic phased array structure

    图  5  实际阵列与等效虚拟阵列位置对比

    Figure  5.  Comparison of positions between actual array and equivalent virtual array

    图  6  水平方向波束图

    Figure  6.  Horizontal direction radiation pattern

    图  7  信号1特性

    Figure  7.  Characteristics of Signal 1

    图  8  信号2特性

    Figure  8.  Characteristics of Signal 2

    图  9  目标在角度维和距离维上的分布

    Figure  9.  Distribution of targets in angular and range dimensions

    图  10  传统声呐成像结果对比

    Figure  10.  Comparison of traditional sonar imaging results

    图  11  R-L算法成像结果

    Figure  11.  Imaging results of the R-L algorithm

    图  12  两步R-L算法成像结果

    Figure  12.  Imaging results of the two-step R-L algorithm

    图  13  成像结果剖面比较

    Figure  13.  Comparison of imaging result profiles

    图  14  主瓣宽度随迭代次数变化曲线

    Figure  14.  Curves of main-lobe width with the number of iterations

    图  15  迭代耗时随迭代次数变化曲线

    Figure  15.  Curves of iteration time with the number of iterations

    图  16  不同信噪比下两步R-L算法成像结果

    Figure  16.  Imaging results of two-step R-L algorithm under different signal-to-noise ratio

    图  17  试验水池示意图

    Figure  17.  Schematic diagram of the test pool

    图  18  Costas信号时频图

    Figure  18.  Time-frequency diagram of Costas signal

    图  19  SIMO与MIMO声呐成像结果

    Figure  19.  Imaging results of SIMO and MIMO sonar

    图  20  两步R-L算法成像结果

    Figure  20.  Imagin results of the two-step R-L algorithm

    图  21  角度维方位剖面对比

    Figure  21.  Comparison of azimuth profiles in angular dimansion

    图  22  距离剖面比较

    Figure  22.  Comparison of range Profiles in range dimansion

    表  1  22位Costas编码

    Table  1.   22-bit Costas code

    发射信号编码序列
    信号11, 5, 2, 10, 4, 20, 8, 17, 16, 11, 9,
    22, 18, 21, 13, 19, 3, 15, 6, 7, 12, 14
    信号21, 14, 12, 7, 6, 15, 3, 19, 13, 21, 18,
    22, 9, 11, 16, 17, 8, 20, 4, 10, 2, 5
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    表  2  散射点坐标

    Table  2.   Coordinates of scattered points

    目标 角度/(°) 距离/m 目标 角度/(°) 距离/m
    散射点1 −25 99 散射点15 0 102
    散射点2 −20 98 散射点16 5 98
    散射点3 −20 100 散射点17 5 100
    散射点4 −15 98 散射点18 5 102
    散射点5 −15 100 散射点19 10 98
    散射点6 −10 98 散射点20 10 100
    散射点7 −10 100 散射点21 10 101
    散射点8 −10 101 散射点22 10 102
    散射点9 −10 102 散射点23 15 98
    散射点10 −5 98 散射点24 15 100
    散射点11 −5 100 散射点25 20 98
    散射点12 −5 102 散射点26 20 100
    散射点13 0 98 散射点27 25 99
    散射点14 0 100
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    表  3  角度维半功率波束宽度和旁瓣级对比

    Table  3.   Comparison of half-power beamwidth and sidelobe level in angular dimension

    成像方法 半功率波束宽/(°) 旁瓣级/dB
    1发26收SIMO成像 4.07 −13.25
    1发50收SIMO成像 2.03 −13.25
    2发25收MIMO成像 2.03 −13.25
    解卷积MIMO成像 0.43
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    表  4  角度维的半功率波束宽度和旁瓣级对比

    Table  4.   Comparison of half-power beamwidth and sidelobe level in angular dimension

    成像方法半功率波束宽/rad旁瓣级/dB
    1发26收SIMO成像0.10-4.60
    2发25收MIMO成像0.08-5.46
    解卷积MIMO成像0.03-8.33
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2025-09-03
  • 修回日期:  2025-11-23
  • 录用日期:  2025-11-26
  • 网络出版日期:  2026-01-27
图(22) / 表(4)

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