内容简介
《密布式MIMO声呐成像原理与技术》主要介绍MIMO声呐成像原理与技术，主要内容包括声呐成像基本原理、MIMO声呐成像基本原理、基于虚拟阵列的MIMO声呐成像方法、基于带宽合成的MIMO声呐成像方法、基于低运算量处理的MIMO声呐成像方法、基于时间分集的MIMO声呐成像方法、基于解卷积的MIMO声呐成像方法等。在介绍MIMO声呐成像原理的同时，给出不同成像方式（二维成像、三维成像、条带式测深与扫海等）所需的阵型、波形、回波处理流程，建立了完整的方法体系，为实现小尺寸、低成本、高分辨成像奠定原理和方法基础。
目录
目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.2 研究历史及研究现状 3
1.2.1 传统声呐成像技术 3
1.2.2 MIMO声呐信号处理技术 7
1.3 本书的主要内容 12
参考文献 13
第2章 声呐成像基本原理 17
2.1 波束形成 17
2.1.1 波束形成概念与数学表示 17
2.1.2 波束响应和波束图 18
2.1.3 阵增益和指向性指数 27
2.2 匹配滤波 29
2.3 基本成像流程 33
2.4 成像声呐基本指标 34
2.5 传统声呐成像技术的不足 35
2.6 本章小结 36
参考文献 36
第3章 MIMO声呐成像基本原理 38
3.1 MIMO声呐成像模型 38
3.1.1 任意阵型下的信号模型 38
3.1.2 对发射信号的要求 42
3.2 虚拟阵元和虚拟阵列 43
3.2.1 虚拟阵元坐标解析解 43
3.2.2 二维成像中的阵列设计 45
3.2.3 三维成像中的阵列设计 46
3.3 MIMO声呐角度分辨率和距离分辨率 49
3.3.1 MIMO声呐角度分辨率 49
3.3.2 MIMO声呐距离分辨率 57
3.4 MIMO声呐成像的优势和劣势 62
3.5 本章小结 63
参考文献 63
第4章 基于虚拟阵列的MIMO声呐成像方法 65
4.1 MIMO声呐二维成像 65
4.1.1 二维成像的小尺寸阵型设计 65
4.1.2 二维成像的低成本阵型设计 68
4.1.3 二维成像波形设计 70
4.1.4 二维成像的基本流程 70
4.1.5 二维成像仿真示例 72
4.1.6 LFM脉冲信号的设计与使用 75
4.2 MIMO声呐条带式测深与成像 87
4.2.1 条带式测深与成像的原理和分辨率 87
4.2.2 条带式测深与成像阵型设计 89
4.2.3 条带式测深与成像波形设计 90
4.2.4 条带式测深与成像流程 91
4.2.5 条带式测深与扫海仿真示例 92
4.3 MIMO声呐三维正视成像 96
4.3.1 口字型MIMO声呐阵型设计 97
4.3.2 口字型MIMO声呐波形设计 99
4.3.3 三维正视成像流程 99
4.3.4 三维正视成像仿真示例 100
4.4 MIMO声呐三维前视成像 103
4.4.1 三维前视成像阵型设计 103
4.4.2 三维前视成像波形设计 104
4.4.3 三维前视成像流程 104
4.4.4 三维前视成像仿真示例 108
4.5 本章小结 111
参考文献 112
第5章 基于带宽合成的MIMO声呐成像方法 114
5.1 信号设计基本准则 114
5.2 大带宽信号合成与成像 118
5.2.1 二维扇扫成像 118
5.2.2 三维成像 123
5.3 超宽带信号合成与成像 127
5.3.1 二维扇扫成像 128
5.3.2 三维成像 134
5.4 利用互相关函数的带宽合成 136
5.4.1 波形设计 136
5.4.2 成像流程 140
5.4.3 二维成像数值仿真 140
5.5 本章小结 141
参考文献 142
第6章 基于低运算量处理的MIMO声呐成像方法 143
6.1 传统低运算量处理方法 143
6.1.1 MIMO声呐高运算量的来源 143
6.1.2 频带搬移与降采样处理 143
6.1.3 基于DFT的快速处理 144
6.2 MIMO声呐虚拟阵列的稀疏优化与成像 146
6.2.1 满采样阵列的稀疏优化 146
6.2.2 虚拟阵列的稀疏优化 152
6.2.3 基于虚拟稀疏直线阵的成像方法 153
6.2.4 基于虚拟稀疏平面阵的成像方法 159
6.2.5 基于虚拟稀疏柱面阵的成像方法 167
6.3 大孔径MIMO声呐的折中处理 175
6.3.1 大孔径MIMO声呐的幅度损失 175
6.3.2 幅度损失的补偿和克服 179
6.3.3 多层混合波束形成 185
6.4 本章小结 193
参考文献 194
第7章 基于时间分集的MIMO声呐成像方法 195
7.1 时间分集MIMO声呐的基本概念 195
7.2 时间分集MIMO声呐高分辨成像方法 197
7.2.1 时间分集MIMO声呐阵型设计 197
7.2.2 时间分集MIMO声呐波形与成像流程 207
7.2.3 仿真与分析 208
7.3 时间和波形联合分集成像方法 210
7.3.1 时间分集的不足 210
7.3.2 抑制互相干函数干扰 210
7.3.3 同时提高角度分辨率和距离分辨率 214
7.4 本章小结 218
参考文献 219
第8章 基于解卷积的MIMO声呐成像方法 220
8.1 解卷积成像处理 220
8.1.1 解卷积的数学模型 220
8.1.2 传统SIMO声呐解卷积成像流程 221
8.1.3 成像示例 225
8.2 MIMO声呐解卷积原理 233
8.2.1 MIMO声呐成像与解卷积处理的关系 233
8.2.2 MIMO声呐成像与解卷积处理的几种组合形式 236
8.3 基于解卷积的MIMO声呐低旁瓣成像 238
8.3.1 问题描述与方法原理 238
8.3.2 距离维低旁瓣成像流程 242
8.3.3 成像示例 242
8.4 基于
试读
第1章 绪论
海洋是大宗物流的主要通道，是军事斗争的重要战场，是储量丰富的矿藏宝库。随着人类活动逐渐从陆地扩张到海洋，海洋对人类文明发展所起的作用与日俱增。从15世纪开始的大航海时代直至如今的信息化时代，诸强国的兴衰无不与海洋有着密切关系。如何更好地开发和利用海洋，成为临海国家和地区不断追求的目标之一。然而，由于海水介质的阻隔，蕴藏丰富资源的水下世界并未被人类充分认知。为了感知水下世界，选择合适的信息载体至关重要。由于海水的导电性、浑浊性及耗散性，电磁波(包括可见光)在水下的传播距离非常有限，因而在雷达中被广泛使用的电磁波并不适用于水下环境。不同于电磁波，声波在水下具有良好的传播性能。因此，人类利用声波作为探索水下世界的主要信息载体，并将相应的水声设备称为声呐[1-4]。
英国海军尼克松(Nixon)1906年发明现代声呐以来，声呐系统就成为水下探测、导航和通信等的主要设备。鉴于在军事作战中的出色表现，声呐技术备受重视，成为各国海军重点发展的技术之一。随着海洋开发活动的日益增多，人类对声呐的运用已不局限于军事目的，而是逐渐转向商用和民用，如水下施工、水下考古、水下搜救、鱼群探测和航道勘测等。这些应用场合都要求获取水下目标或者环境的精细信息。为了达到这一目的，使用成像声呐是主流技术手段，然而已有的成像声呐在工作过程中主要使用单个波形。当需要提高成像分辨率时，传统单波形成像声呐面临着的阵元个数增加、阵列尺寸和系统带宽增大等缺点，导致其系统规模和成本居高不下。针对这些缺点，本书通过使用正交波形的多输入多输出(multiple-input multiple-output，MIMO)声呐，将波形分集技术引入声呐成像领域，突破传统声呐使用单个波形带来的种种限制，达到降低阵元个数、减小阵列尺寸和提高成像分辨率的目的。
1.1 研究背景及意义
水下声成像以声波作为信息载体获取水下目标或环境的精细信息，如目标的形状和轮廓[5-11]、水下区域的地形地貌等[12-16]。人们将进行水下声成像的设备称为成像声呐，并将其与常规探测声呐进行如下区别：常规探测声呐的主要功能是对目标进行检测和定位(目标在哪里)[2，4]，而成像声呐的任务则是对目标形状进行描绘(目标长什么样)[5-6]。需要指明的是，本书研究的是单基地实孔径成像声呐，不考虑多基地声呐和合成孔径声呐。此外，成像这一概念也包括被动成像[17-21]，本书聚焦主动成像方式。为了叙述简便，后文直接将主动式单基地实孔径成像声呐简称为成像声呐。
随着经济和科技的发展，人类的水下活动日益频繁，水下作业越来越依赖具有高分辨能力的成像声呐。为了获取水下地形地貌等信息，需要使用成像声呐(如多波束测深声呐)对海底地形地貌进行精确绘制[12-14]。在水下考古方面，利用成像声呐(如侧扫声呐)可以快速确认古代沉船的姿态及轮廓，也可以获得水下古迹的具体分布和构造[22-23]。进行水下搜救时，利用成像声呐可以迅速发现落水飞机或沉船，并准确获得残骸的分布信息，显著提高工作效率。在码头、港口和堤坝，人类活动会导致水体浑浊，需要使用成像声呐进行实时监控和探测。修筑大坝、桥梁及铺设水下管道时，需要利用成像声呐对水下施工过程进行实时监测。勘测江河及浅海区的航道时，使用成像声呐(如前视声呐[24]、多波束测深声呐)既可以避开一些浅滩和暗礁，也可以高效率地获得整个航道的精确水深信息。此外，捕鱼作业时使用成像声呐可以迅速对鱼群的数量、规模、方位等进行确认，提高捕获效率(如三维成像声呐)[25]。类似地，成像声呐也可以用于研究某个水域的鱼群分布情况(如透镜声呐)[26]，为鱼类养殖或者科学考察快速提供详实有效的数据。
尽管成像声呐已得到广泛运用，但仍存在一些缺点和不足。为了获得高质量的成像结果，提高成像声呐的分辨率是关键，但是分辨率的提高往往是以更多的阵元个数、更大的物理尺寸和更复杂的硬件设备为代价。提高分辨率不但会导致成像声呐的价格极其昂贵，也会导致成像声呐过于庞大笨重而难以安装在自主水下航行器(autonomous underwater vehicle， AUV)和远程遥控航行器(remotely operated vehicle，ROV)等水下小型平台上。
造成这些问题的原因在于传统成像声呐所采用的单波形信号，以及单个宽波束发射、多个窄波束接收的工作方式。传统成像声呐主要分为多为单输入多输出(single-input multiple-output，SIMO)声呐和使用多元发射阵、多元接收阵的主动声呐两种。SIMO声呐采用单个发射阵元和多个接收阵元的布阵方式，虽然获得了宽发射波束，增大了视场范围，但是其角度分辨率仅仅由接收阵列决定。若是要提高角度分辨率，只能对接收阵列进行设计与改进(接收阵列的设计自由度太小)，难以解决高角度分辨率与高成本、大尺寸之间的矛盾。采用多元发射阵和多元接收阵的主动声呐，其角度分辨率由发射阵列和接收阵列的联合孔径决定，其阵列设计自由度高于 SIMO声呐。因此，可以通过联合
