基于Matlab的合成孔徑聲納回波快速仿真方法?

楊 杰 馬夢博 鐘何平

（1.海軍裝備部駐天津地區(qū)防救軍事代表室 天津 300042）（2.海軍工程大學海軍水聲技術研究所 武漢 430033）

1 引言

合成孔徑聲納（Synthetic Aperture Sonar，SAS）是一種高分辨率成像聲納，其具有距離向分辨率高和方位向分辨率與距離無關的優(yōu)點，與常規(guī)的側掃聲納和多波束測深儀相比，分辨率高1～2個數量級，可以廣泛用于海底測量、水下考古、海底石油勘探和搜尋水下失落物體等，也能提高水雷的識別能力［1～5］。在合成孔徑聲納系統(tǒng)設計過程中，原始回波仿真是一個比不可少的環(huán)節(jié)［6～7］，可通過仿真來預測設計的系統(tǒng)性能，驗證系統(tǒng)設計參數的合理性，避免造成錯誤設計所帶來的損失。常用的回波仿真方法主要有時域法［8～9］和頻域法［10～12］兩種。時域法主要是完全按照回波模型進行仿真，沒有進行任何近似，是最精確的仿真方法，其缺點是運算量極大，嚴重限制了其應用。頻域仿真方法與時域仿真方法相比，效率較高，但是降低了所生成的仿真回波精度。

隨機計算機技術的發(fā)展，多核計算已在多種應用領域取得顯著加速性能，它為快速原始合成孔徑聲納回波生成提供了一種有效手段。本文在共享內存環(huán)境下，采用Matlab并行編程方式實現(xiàn)了一種快速合成孔徑聲納回波仿真方法。首先給出了合成孔徑聲納回波仿真模型，然后在共享內存環(huán)境下設計了并行仿真方法，并通過試驗對并行回波仿真方法的正確性和效率進行了驗證。試驗結果表明：并行算法與串行算法相比，加速比高達3.74，并且其加速性能還會隨著計算平臺性能提升而提升。

2 合成孔徑聲納回波仿真模型

圖1 合成孔徑聲納回波模型

圖1 直角坐標系中，合成孔徑聲納平臺沿著方位向運動，目標位于坐標(r，0)處，發(fā)射陣和N個接收子陣沿方位向排列，發(fā)射陣位于尾端，其位置為(0，vt)。為簡化處理，我們僅考慮一個接收子陣（取第i個接收子陣）的情況，此接收子陣與發(fā)射陣方位向相位中心間隔為Δhi，第i個接收子陣接收到的回波信號可表示為

其中Ri(t，r)=R1+R3為信號實際傳播路徑，其中去回程為s(τ)=rect(τT)為發(fā)射信號包絡，c為聲速，f0為信號中心頻率，k為信號調頻斜率。

對于多個點目標進行仿真時，需要在每個發(fā)射陣位置依次判斷每個點目標是否在波束照射范圍內。對于位于波束范圍內的點目標，計算其與每個接收陣之間的時延，將發(fā)射信號進行對應時延后疊加到對應子陣回波上。

3 共享內存環(huán)境下的Matlab并行仿真方法

Matlab的并行計算實質還是主從結構的分布式計算。初始化Matlab并行計算環(huán)境時，起始的Matlab進程自動成為主節(jié)點，同時初始化多個Matlab計算子節(jié)點，子節(jié)點個數通過參數指定。Matlab的并行計算架構主要依賴于并行計算工具箱（Parallel Computing Toolbox），為完成并行計算，Matlab提供了一系列的并行結構，其中最常用的為parfor循環(huán)結構，可方便用戶進行并行程序設計。為簡化用戶操作，Matlab隱藏了并行任務創(chuàng)建和管理的具體細節(jié)，降低了用戶開發(fā)的難度，同時存在限制用戶靈活性的問題。

采用Matlab進行并行計算前，首先要調用parpool函數配置和開啟并行計算池。Matlab并行執(zhí)行parfor循環(huán)時，采用client和worker模式，其中client指啟動并行代碼的Matlab段，worker指并行運行代碼的Matlab段。Matlab在處理parfor代碼段時，它將任務分配給多個workers上并行執(zhí)行。假設worker的數量為m，循環(huán)的次數為n。如果兩者之比為整數，則剛好實現(xiàn)計算任務的均衡分配；否則，部分worker的計算任務會比較大，只能采用非均衡的計算任務分配方法。

圖2 并行回波仿真流程

基于Matlab的合成孔徑聲納原始回波仿真流程如圖2所示，具體步驟如下：

1）啟動Matlab，載入原始回波參數。

2）根據仿真回波參數開辟原始回波存儲空間。

3）調用matlabpool命令，啟動Matlab并行環(huán)境，并指定計算核數。

4）根據計算核數和仿真的原始回波在空間上的長度進行原始回波分塊，每一計算核負責不同分塊上的回波計算，該部分主要依靠parfor來實現(xiàn)。

5）將分塊計算的回波在進行拼接獲取完整的原始回波。

6）調用matlabpool close命令，釋放Matlab并行環(huán)境，并結束程序運行。

4 試驗結果與分析

為了驗證并行合成孔徑聲納回波仿真方法性能，在如下計算環(huán)境進行了回波仿真試驗：處理器Intel（R）Xeon（R）CPU 3.3G（4核）；內存8G；操作系統(tǒng)Windows 7專業(yè)版；軟件環(huán)境Matlab2015。

仿真試驗中采用了3個點目標，它們的相對位置如圖3所示，中心點位于（70m，0m），左邊點目標位于（60m，0m），右邊點目標位于（80m，0m）。仿真試驗參數如表1所示，中心頻率為150kHz，帶寬15kHz，脈寬10ms，陣長0.04m，載體速度1m/s，聲速1500 m/s，接收子陣10個，脈沖間隔為0.2s。串行回波仿真所得原始回波如圖4（a）所示，回波在方位向的長度隨距離而增加，并行回波仿真幅度如圖4（b）所示，可看出兩者結果一致。在驗證并行回波仿真算法效率前，我們先采用距離多普勒成像算法對仿真回波進行了成像試驗，圖5（a）為成像結果的幅度圖，其位置與仿真目標位置完全一致。點目標對應的距離和方位向剖面如圖5（b）所示，其旁瓣和分辨率都滿足成像要求，驗證了并行合成孔徑聲納回波仿真算法的正確性。

圖3 仿真目標點相對位置

表1 原始回波仿真參數

圖4 原始回波幅度圖

圖5 點目標成像結果

不同計算核數下回波信號仿真效率比較如表2所示。從表中可以看出，單核進行原始回波計算時，所需時間最長，為14.6s，在加速比計算過程中，以單核計算時間為參考，將其加速比設置為1。隨著計算核數增加，加速比顯著增加，計算核數分別為 2、3、4和 5時，加速比分別為 1.92、2.81、3.74、3.65。由于計算平臺總核數為4，因此當設置計算核數為5時，對效率提升沒有效果，反而效率略有下降。一般情況下，為達到最高加速比，應該將計算核數設置為計算平臺的核數。從回波仿真計算時間結果來看，采用并行計算方式后，合成孔徑聲納回波仿真效率得到顯著提升。

表2 回波仿真算法成像效率比較（s）

5 結語

本文提出了一種基于Matlab的合成孔徑聲納回波并行仿真方法。首先給出了合成孔徑聲納回波仿真模型，然后在共享內存環(huán)境下基于Matlab進行了并行回波仿真方法設計，最后通過實驗驗證了并行回波仿真方法的正確性和高效性。隨著計算平臺計算性能的提升，計算核數增加，并行算法的加速性能在無需修改程序的情況下可得到進一步提升。