[发明专利]一种MIMO声纳高分辨三维前视成像方法

摘要

本发明提出一种使用MIMO声纳的高分辨三维前视成像方法。通过设计用于三维前视成像的MIMO声纳阵型、正交波形，并在接收端采用水平向大孔径虚拟阵常规波束形成、垂直向高分辨波束形成的处理方式，本发明所提方法可以在与SIMO声纳同尺寸、同工作频段的前提下，获得优于后者的水平向角度分辨率和更优的垂直向成像性能。

主权项

1.一种MIMO声纳高分辨三维前视成像方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：定义用于高分辨三维前视成像的MIMO声纳阵型和正交波形，包括以下子步骤：子步骤一：MIMO声纳阵型包括2个发射换能器和M条接收均匀直线阵(ULA:)；ULA的数目M大于等于3，每条ULA中的接收水听器的数目N大于等于8；2个发射换能器组成的2元ULA和M条接收ULA相互平行，且中垂线相互重合；发射换能器间距d_t与N元接收ULA的阵元间距d_r满足：d_t＝Nd_r接收ULA的阵元间距d_r的取值范围满足d_r∈[λ/2,λ]，其中，∈表示数学符号属于，λ为信号所覆盖频段中心频点上的波长；M条相互平行的接收ULA之间的距离为d_z，其取值范围满足d_z∈[λ/2,λ]；发射ULA和接收ULA之间的最小距离为L_z，其范围是L_z∈[λ/2,N×d_r]；子步骤二：2个正交波形具有相同的频段和相同的脉宽，其自相关函数具有相同的主瓣，自相关函数旁瓣小于等于自相关函数主瓣峰值的0.01倍，2个正交波形的互相关函数峰值小于等于自相关函数主瓣峰值的0.01倍；步骤二：根据步骤一得到的MIMO声纳阵型和正交波形，对正交信号进行发射和采集；通过2个发射换能器同时发射2个正交波形，使用M条N元接收ULA同时采集回波；第m(m＝1,2，···,M)条接收ULA中第n(n＝1,2，···,N)个接收水听器上的回波表示为其中表示时域，则第m条接收ULA上的回波X^m可表示为：步骤三：对发射和采集的信号进行成像处理，包括以下子步骤：子步骤一：进行水平向波束形成处理：对第m条接收ULA所获得的2N个匹配滤波输出，这2N个匹配滤波输出可等效为2N元大孔径虚拟ULA上接收信号；设其中某个匹配滤波输出为则2N个匹配滤波输出Y^m可表示为：对2N个匹配滤波输出Y^m进行水平向波束形成处理，获得Q个水平波束输出；第q(q＝1,2,…,Q)个水平波束对应的扫描向量w(θ_q)可表示为：其中，θ_q表示第q个水平波束的扫描角度，a表示幅度加权向量，⊙表示hadamard积，c表示水下声传播速度；对应的水平向常规波束形成输出可表示为：其中，下标h表示水平方向的意思，上标H表示取共轭；对所有M条2N元大孔径虚拟ULA进行水平多波束处理，共获得MQ个水平波束输出；子步骤二：进行垂直向高分辨处理：将具有相同水平波束角的水平波束输出归为一组，设第q组为p_h(θ_q)，其表达式为：在垂直向使用高分辨算法处理每组具有相同水平波束角的水平波束输出，获得垂直向高分辨波束输出；子步骤三：提取子步骤一和子步骤二中所有水平向、垂直向波束输出的强度，即得到三维成像结果。