基于空时频联合处理的水下远距离运动目标成像研究

Underwater imaging is a hot topic in underwater signal processing. This project takes underwater array's far-field moving target's detection and recognition for background,probs high resolution acoustic imaging methods based on joint processing in space-time-frequency domain. Target with complex shape is modeled by planar elements method to analize the sound scattering characteristics. We take the wavelet transform to study the target's wideband echoes' separability;2-D spatial spectrum can be derived by the method of wavelet transform to suppress the noise and interferences ulitizing the energy accumulation and to increase the ability to suppress the sidelobes when the target is in far distance and the signal-to-noise ratio is very low.Range and velocity in time-frequency domian and direction-of-arrival(DOA) in spatial domain are united to form the image of the target's structure and the motion attitude can be provided in the meanwhile.The significance and value of the study is solve target's structure imaging with small angle expansion when the target is in far distance, so as to improve the target recognition ability of sonar and other underwater vehicles.

水下目标成像是近年来水下信号处理领域的研究热点问题。本项目以水下传感器阵列远距离复杂运动目标的探测和识别为研究背景，探索基于空时频域联合处理的高分辨声成像方法。研究复杂目标建模的板块元方法，分析具有空间复杂结构目标的声散射特性；利用小波变换研究宽带信号的可分离性；研究基于小波变换的基阵空间二维功率谱，利用小波变换良好的能量聚焦性，抑制噪声和干扰，提高远距离即低信噪比下波束旁瓣抑制能力；综合空间域的角度分布和时频域的距离-速度分布情况，研究基于空时频域联合处理的复杂运动目标角度-距离-强度成像方法，形成复杂目标空间结构的分布情况图像，进而判断其空间姿态和运动方向。本项目的研究意义在于：充分利用复杂结构目标宽带回波的空间、时间、频率域的信息，解决水下远距离目标小扩展角情况下目标空间结构的探测和成像问题，提高声纳或其他水下航行器识别目标的作用距离。

本项目以水下传感器阵列远距离复杂运动目标的探测和识别为研究背景，探索基于空时频域联合处理的高分辨声成像方法。主要研究水下复杂结构目标的声散射特性，建立宽带目标回波模型，研究基于线性时频分析工具——小波变换的时频域信号分离方法以及基于空时频域联合处理的目标回波多维参数估计方法，进而形成目标的声图像。.通过项目研究工作，利用板块元方法分析了具有空间复杂结构目标的声散射特性，结果表明目标处于不同姿态下均显示出亮点结构的特点，且亮点位置和强度随信号入射角不同而有所变化，基于此我们采用四参数修正亮点模型和宽带回波特点建立了运动条件下复杂结构目标的宽带回波模型；通过研究宽带脉冲信号自小波变换，并结合其与宽带模糊度函数之间的数学关系，分析了宽带回波信号在小波变换域的可分离性，理论分析和仿真结果表明宽带信号在小波变换域的距离分辨能力随信号带宽增大而增强；研究了基于小波变换的基阵空间二维功率谱，利用小波变换良好的能量聚焦性，抑制噪声和干扰，提高了远距离即低信噪比下波束旁瓣抑制能力；综合空间域的角度分布和时频域的距离-速度分布情况，提出了基于空时频域联合处理的复杂运动目标角度-距离-强度成像方法，形成复杂目标空间结构的分布情况图像，可以正确反映远距离下目标的空间姿态和尺寸大小。在消声水池中进行了缩比试验，利用悬挂于接收基阵前方不同位置处的水听器模拟目标不同位置处的亮点，对宽带基阵的输出信号进行空时频域联合处理，形成了空间三维像，能够正确反映亮点的空间分布情况，验证了理论研究的正确性和有效性。.本项目的研究意义在于：充分利用复杂结构目标宽带回波的空间、时间、频率域的信息，解决水下远距离目标小扩展角情况下目标空间结构的探测和成像问题，可以有效提高声呐和其它水下航行器对目标识别的有效作用距离。项目研究成果在水下航行器远距离目标识别和反对抗领域有很好的应用前景。