MIMO声纳高距离分辨成像方法研究

An imaging sonar is often applied to the ocean exploitation. Nevertheless, the range resolution of the imaging sonar is restricted by the instantaneous system bandwidth. To overcome the disadvantage, the project introduces the multiple-input multiple-output (MIMO) technique to the sonar imaging, and proposes the high range resolution MIMO sonar imaging method. The project will be carried out as follows: 1) the high range resolution imaging model using the MIMO sonar will be established, which divides the transmission and processing of a large bandwidth signal into the transmission and processing of a set of small bandwidth signals; 2) to improve the imaging result, the proposed imaging model and method will be improved, where the angle-range decoupling, the range sidelobe suppression and the low-complexity processing will be realized; 3) the proposed imaging model will be further extended to synthesize ultra-wideband (UWB) signals, where the MIMO sonar combining with a set of small bandwidth signals will obtain a similar imaging performance as an UWB imaging system.

成像声纳在海洋开发领域发挥着重要作用，但是其距离分辨率受系统带宽限制难以提高。为了克服这一缺点，本项目将多输入多输出（MIMO）技术应用到声纳成像领域，提出MIMO声纳高距离分辨成像方法。本项目分为以下几部分：构建MIMO声纳高距离分辨成像模型，利用MIMO声纳将单个大带宽信号的发射与处理转化为一组小带宽频分信号的发射与处理，在不增加系统瞬时带宽的前提下获得高于传统方法的距离分辨率；优化MIMO声纳成像方法，在获得高距离分辨率的基础上，研究角度-距离解耦合、距离旁瓣抑制、低运算量处理等方法，以改善成像结果；构建MIMO声纳进行超宽带（UWB）信号合成的成像模型，使用MIMO声纳并结合一组小带宽信号以获得与UWB系统类似的成像性能。最终，为成像声纳距离分辨率的改善奠定基础。

本项目以成像声纳在海洋工程领域的需求为应用背景，研究了频分多输入多输出（MIMO: multiple-input multiple-output）声纳距离维高分辨成像方法。其基本思路为，基于MIMO声纳技术，在发射端使用多元发射阵发射多个小带宽频分信号，在接收端将所有小带宽频分信号的回波合成为单个大带宽信号，从而不增加系统瞬时带宽获得高于传统方法的距离分辨率。本项目主要研究内容包括：MIMO声纳距离维高分辨成像建模、MIMO声纳距离维成像方法优化、超宽带（UWB: ultra wideband）信号合成成像等。在完成相关研究的前提下，给出了完整的频分MIMO声纳距离维高分辨成像方法，包括频分波形设计、阵型设计和成像流程优化。在此基础上对所提方法进行了方法改进，在获得距离维高分辨成像结果的同时达到了抑制距离维旁瓣、降低成像处理运算量等效果。相关研究成果可以用于高分辨声纳成像，在水下施工、港口安保、航道清障等领域具有应用前景。