基于Matlab的合成孔径声纳回波快速仿真方法∗

杨 杰 马梦博 钟何平

（1.海军装备部驻天津地区防救军事代表室 天津 300042）（2.海军工程大学海军水声技术研究所 武汉 430033）

1 引言

合成孔径声纳（Synthetic Aperture Sonar，SAS）是一种高分辨率成像声纳，其具有距离向分辨率高和方位向分辨率与距离无关的优点，与常规的侧扫声纳和多波束测深仪相比，分辨率高1～2个数量级，可以广泛用于海底测量、水下考古、海底石油勘探和搜寻水下失落物体等，也能提高水雷的识别能力［1～5］。在合成孔径声纳系统设计过程中，原始回波仿真是一个比不可少的环节［6～7］，可通过仿真来预测设计的系统性能，验证系统设计参数的合理性，避免造成错误设计所带来的损失。常用的回波仿真方法主要有时域法［8～9］和频域法［10～12］两种。时域法主要是完全按照回波模型进行仿真，没有进行任何近似，是最精确的仿真方法，其缺点是运算量极大，严重限制了其应用。频域仿真方法与时域仿真方法相比，效率较高，但是降低了所生成的仿真回波精度。

随机计算机技术的发展，多核计算已在多种应用领域取得显著加速性能，它为快速原始合成孔径声纳回波生成提供了一种有效手段。本文在共享内存环境下，采用Matlab并行编程方式实现了一种快速合成孔径声纳回波仿真方法。首先给出了合成孔径声纳回波仿真模型，然后在共享内存环境下设计了并行仿真方法，并通过试验对并行回波仿真方法的正确性和效率进行了验证。试验结果表明：并行算法与串行算法相比，加速比高达3.74，并且其加速性能还会随着计算平台性能提升而提升。

2 合成孔径声纳回波仿真模型

图1 合成孔径声纳回波模型

图1 直角坐标系中，合成孔径声纳平台沿着方位向运动，目标位于坐标(r，0)处，发射阵和N个接收子阵沿方位向排列，发射阵位于尾端，其位置为(0，vt)。为简化处理，我们仅考虑一个接收子阵（取第i个接收子阵）的情况，此接收子阵与发射阵方位向相位中心间隔为Δhi，第i个接收子阵接收到的回波信号可表示为

其中Ri(t，r)=R1+R3为信号实际传播路径，其中去回程为s(τ)=rect(τT)为发射信号包络，c为声速，f0为信号中心频率，k为信号调频斜率。

对于多个点目标进行仿真时，需要在每个发射阵位置依次判断每个点目标是否在波束照射范围内。对于位于波束范围内的点目标，计算其与每个接收阵之间的时延，将发射信号进行对应时延后叠加到对应子阵回波上。

3 共享内存环境下的Matlab并行仿真方法

Matlab的并行计算实质还是主从结构的分布式计算。初始化Matlab并行计算环境时，起始的Matlab进程自动成为主节点，同时初始化多个Matlab计算子节点，子节点个数通过参数指定。Matlab的并行计算架构主要依赖于并行计算工具箱（Parallel Computing Toolbox），为完成并行计算，Matlab提供了一系列的并行结构，其中最常用的为parfor循环结构，可方便用户进行并行程序设计。为简化用户操作，Matlab隐藏了并行任务创建和管理的具体细节，降低了用户开发的难度，同时存在限制用户灵活性的问题。

采用Matlab进行并行计算前，首先要调用parpool函数配置和开启并行计算池。Matlab并行执行parfor循环时，采用client和worker模式，其中client指启动并行代码的Matlab段，worker指并行运行代码的Matlab段。Matlab在处理parfor代码段时，它将任务分配给多个workers上并行执行。假设worker的数量为m，循环的次数为n。如果两者之比为整数，则刚好实现计算任务的均衡分配；否则，部分worker的计算任务会比较大，只能采用非均衡的计算任务分配方法。

图2 并行回波仿真流程

基于Matlab的合成孔径声纳原始回波仿真流程如图2所示，具体步骤如下：

1）启动Matlab，载入原始回波参数。

2）根据仿真回波参数开辟原始回波存储空间。

3）调用matlabpool命令，启动Matlab并行环境，并指定计算核数。

4）根据计算核数和仿真的原始回波在空间上的长度进行原始回波分块，每一计算核负责不同分块上的回波计算，该部分主要依靠parfor来实现。

5）将分块计算的回波在进行拼接获取完整的原始回波。

6）调用matlabpool close命令，释放Matlab并行环境，并结束程序运行。

4 试验结果与分析

为了验证并行合成孔径声纳回波仿真方法性能，在如下计算环境进行了回波仿真试验：处理器Intel（R）Xeon（R）CPU 3.3G（4核）；内存8G；操作系统Windows 7专业版；软件环境Matlab2015。

仿真试验中采用了3个点目标，它们的相对位置如图3所示，中心点位于（70m，0m），左边点目标位于（60m，0m），右边点目标位于（80m，0m）。仿真试验参数如表1所示，中心频率为150kHz，带宽15kHz，脉宽10ms，阵长0.04m，载体速度1m/s，声速1500 m/s，接收子阵10个，脉冲间隔为0.2s。串行回波仿真所得原始回波如图4（a）所示，回波在方位向的长度随距离而增加，并行回波仿真幅度如图4（b）所示，可看出两者结果一致。在验证并行回波仿真算法效率前，我们先采用距离多普勒成像算法对仿真回波进行了成像试验，图5（a）为成像结果的幅度图，其位置与仿真目标位置完全一致。点目标对应的距离和方位向剖面如图5（b）所示，其旁瓣和分辨率都满足成像要求，验证了并行合成孔径声纳回波仿真算法的正确性。

图3 仿真目标点相对位置

表1 原始回波仿真参数

图4 原始回波幅度图

图5 点目标成像结果

不同计算核数下回波信号仿真效率比较如表2所示。从表中可以看出，单核进行原始回波计算时，所需时间最长，为14.6s，在加速比计算过程中，以单核计算时间为参考，将其加速比设置为1。随着计算核数增加，加速比显著增加，计算核数分别为 2、3、4和 5时，加速比分别为 1.92、2.81、3.74、3.65。由于计算平台总核数为4，因此当设置计算核数为5时，对效率提升没有效果，反而效率略有下降。一般情况下，为达到最高加速比，应该将计算核数设置为计算平台的核数。从回波仿真计算时间结果来看，采用并行计算方式后，合成孔径声纳回波仿真效率得到显著提升。

表2 回波仿真算法成像效率比较（s）

5 结语

本文提出了一种基于Matlab的合成孔径声纳回波并行仿真方法。首先给出了合成孔径声纳回波仿真模型，然后在共享内存环境下基于Matlab进行了并行回波仿真方法设计，最后通过实验验证了并行回波仿真方法的正确性和高效性。随着计算平台计算性能的提升，计算核数增加，并行算法的加速性能在无需修改程序的情况下可得到进一步提升。