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多波束合成孔径声呐成像技术与DSP实时系统实现

摘要

随着科技的不断进步，水声探测技术得到了迅速发展和应用，成为解决海洋资源开

发、环境监测等问题的关键手段。传统的合成孔径声呐采用双幅基阵侧扫模式，存在探

测盲区且仅限于二维成像，难以满足三维成像需求。多波束测深声呐虽能测深，但航迹

向分辨率受限且随距离增加而降低。多波束合成孔径声呐融合了两者的技术优势，实现

了水下目标的高精度全覆盖测量与三维成像，为水下探测领域带来新突破。本研究从多

波束合成孔径声呐原理入手，对成像算法实现了进一步的优化，并提出了实时信号处理

方案，最终在多核DSP平台上进行了实现。

首先详细探讨了多波束探测及合成孔径的成像机理，介绍了多波束测深声呐的成像

原理，引入了菲涅尔近似应对近场波束形成问题，采用了MVDR波束形成技术以提高

目标分辨率和抗干扰能力；同时，全面阐述了合成孔径声呐的原理，通过逐点成像算法

提高成像结果航迹向分辨率，并采用距离——多普勒算法提高算法处理时间，从而实现

高效清晰成像，最后对多波束合成孔径声呐成像机理展开研究。

其次基于现有基阵结构，详细描述了多波束合成孔径声呐的信号回波模型。针对点

目标和立方体目标进行仿真，并对预处理后的目标回波数据进行水平方向的波束形成处

理，以及在航迹向上进行多子阵合成孔径处理，最后应用目标提取和坐标转换技术，成

功得到了立体目标的三维成像结果。

然后对DSP多个功能模块进行了开发，并提出了一种可行的实时信号处理方案，特

别针对多波束合成孔径成像算法进行了设计，确立了合理的处理流程。采用了滑动合成

孔径成像的方法提高了成像算法的速度；同时通过预先构建所需的时延表以实现算法的

实时处理，为实时成像提供了可靠的技术支持。

最后，对多波束合成孔径声呐在不同环境下的成像性能进行了探索。利用水池试验

数据对多波束合成孔径成像算法与传统多波束测深算法和合成孔径算法进行对比，验证

了其在探测小尺寸目标方面的优势；将DSP系统实时处理的成像结果与计算机后处理

结果进行了对比分析，充分验证了实时成像系统的正确性和有效性。利用湖上试验数据，

采用后处理的方式对数据进行优化，准确地识别出目标的尺度和形状特征，进一步验证

了多波束合成孔径声呐在实际海洋环境中的稳定性和可靠性。

关键词：波束形成；多波束；合成孔径；多核DSP处理；实时成像

多波束合成孔径声呐成像技术与DSP实时系统实现

ABSTRACT

Withthecontinuousadvancementoftechnology,underwateracousticdetection

technologyhasrapidlydevelopedandbeenapplied,becomingakeymeanstoaddressissuesin

oceanresourcedevelopmentandenvironmentalmonitoring.Traditionalsyntheticaperture

sonar(SAS)usesadual-apertureside-scanmode,whichhasdetectionblindspotsandislimited

totwo-dimensionalimaging,makingitdifficulttomeettheneedsofthree-dimensionalimaging.

Multibeamechosounders(MBES)canmeasuredepth,buttheiralong-trackresolutionis

limitedanddecreaseswithdistance.Multibeamsyntheticaperturesonar(MB-SAS)integrates

thetechnicaladvantagesofboth,achievinghigh-precisionfull-coveragemeasurementsand