精品PPT课件----分布式目标方位估计具体讲解.doc

第二章分布式目标回波分析方法
当声波在传播中遇到目标时,会在目标表面激发起次级声源,它们向周围介质中辐射次级声波,我们把这些次级声波统称为散射波。在收发合置的情况下,返回声源方向的那部分散射波被称为目标回波。目标回波与目标的散射特征密切相关,它是入射波与目标相互作用后才产生的,在此过程中,有关目标本身的某些特征信息会包含在回波中,人们通过对回波的分析处理,可以将目标的特征信息提取出来,再辅以某些先验知识,从而实现对目标的探测。例如,通过接收基阵采集目标对某种入射激励信号的回波,再对阵列的快拍数据进行分析处理,就可以估计出目标的个数、方位、距离、速度等参数。由此可见,研究目标回波的特性,在工程上是很有意义的。
目标回波不仅与目标本身的各种特征有关,如形状、大小、材料、结构等,还与入射波的形式有关,入射波时宽、带宽将直接决定回波的结构。宽带入射信号将产生宽带回波,窄带入射信号引起窄带回波,时宽入射信号产生稳态响应,窄脉冲信号产生瞬态响应。本文主要就高频窄带信号在稳态和瞬态两个方面进行介绍。此外,目标回波一般来说包括几何散射波和弹性散射波,几何散射波是由目标本身的外形特征决定的,与目标的材料无关;而弹性散射波是由于目标的弹性声阻抗与介质不同而引起的,与目标本身的材料有关系。本文所关心的主要是目标的几何特征,因此,以后将对几何回波作着重研究。
§ 离散散射型目标回波
所谓离散散射型目标是把目标当作若干个散射很强的亮点组成的的散射体,目标的回波是由所有亮点的子回波的线性叠加。式()、()分别给出了单亮点和多亮点目标的传递函数,要得到目标的传递函数,必须先确定式中的三组参数,即幅度因子Am 、时间延迟τm 、相位跳变φm(m=1,2,…,N),人们通过研究发现了一些几何体的参数。

设Pi(ω)为镜反射亮点处入射波的频谱,则由该亮点产生的镜反射波的频谱为:
()
其中,R1、R2为镜反射亮点处的目标表面的两个主曲率半径,r为空间散射场中某一点与亮点之间的距离,k为入射波波数,ejkr/r用于修正信道传输的影响,因为无论目标多么复杂,在远场中散射波都以ejkr/r的规律扩展。三个亮点参数分别为:
, τ=0, φ=0 ()若满足r>>R1及r>>R2,则
()
有限长圆柱体
L
2aa
1
2
3
4
θ
图2-1 有限长圆柱体
如图 2-1所示,θ为声波相对于圆柱体的入射角, L为圆柱体长度,2α为直径,取棱角1为参考点,则被照射到的三个亮点的散射参数为:
, , ()
, , ()
, , ()
可见,幅度因子和时间延迟是波数k、半径a、圆柱体长度L以及入射角θ的函数,而相位跳变是一个常数。

根据Sommerfeld-Watson变换分析和实验结果,无限长圆柱回波包括镜反射波和各型表面环绕波组成,在远场高频条件下,回波的主要成分为镜反射回波。镜反射回波可以表示为:
()镜反射亮点反射参数为:
, , ()这里参考点取在镜反射点上,M为镜反射系数,当高频(大ka)时可以用平面波正入射到柱体表面的反射系数近似。
一旦确定的目标的亮点散射参数,就可以根据式()模拟出目标的散射回波。
§ 连续散射型目标回波
所谓连续散射型目标是指把分布式目标看作表面各点的散射特性在空间位置上是连续变化的几何体,目标表面各点都对回波有贡献。这种观点更有利于准确地描述目标的散射特性以及精确探测目标的回波结构。由于表面各点的位置、法线向量、声阻抗等参数不同,它们对回波贡献也就不同。对于连续散射型目标回波是通过一些基于面元法的思想来描述和分析的,将目标表面的面积微元对回波的贡献在整个表面进行面积分,就可以获得回波响应。若表面形状很复杂,对表面积分就很繁琐,甚至根本不能得出结果,在这种情况下,可以将表面按某种方式网格化,再运用数值计算的方法就可以得出模拟的回波结果,人们在实际中发现,这些数值方法得出的结果具有足够的精确度,可以满足工程应用的要求。
(Helmholtz)积分近似法
A
r1
B
dS
图2-2 声散射几何关系
r2
设有一目标置于均匀介质空间中,目标的外表面为封闭曲面S,其外法线向量为n,有一点声源位于点A,下面计算介质空间中另一点B处的散射声场。
如图2-2所示,B点散射声场的赫姆霍兹积分公式为:
()其中,k为波数,φs是散射声场的速度势函数,表示在S面上的外法线方向导数, r1、r2分别是A、B点到表面上面元dS的距离。由于被积函数中的φs及其法线方向导数是未知量,所以,上式的积分一般不能直接求出