一种新的多子阵合成孔径声纳快速成像算法

摘要

本发明提供了一种新的多子阵合成孔径声纳快速成像算法，针对单个接收阵元和发射阵元所组成的子系统计算二维频域系统函数；基于方位向聚焦与距离向处理相对独立的特点，计算方位向脉冲压缩相位调制函数；基于二维频域系统函数和方位向脉冲压缩调制函数的相位，计算距离‑方位耦合相位项；对子系统回波数据进行耦合相位一致校正处理；距离向数据分块；利用耦合相位差分校正实现子系统信号的参与距离徙动校正；对子系统信号进行方位向脉冲压缩；对每个接收阵元和发射阵元所组成子系统的回波数据进行成像处理后，将所有粗分辨图像进行相干叠加便得到最终的合成孔径声纳高分辨图像，克服传统成像算法复杂的设计过程和提高成像算法在整个测绘带内的成像性能。

说明书

技术领域

本发明属于信号处理领域，特别涉及一种新的多子阵合成孔径声纳快速成像算法。

背景技术

合成孔径声纳技术依靠小尺寸基元的匀速直线运动虚拟合成一副长度随探测距离成正比的大孔径基阵，通过空间不同位置采样信号的相干叠加得到与距离、频率无关的方位向高分辨率，解决了传统侧扫声纳成像分辨率受基阵实孔径长度、信号频率以及作用距离等因素制约的问题，将常规侧扫声纳的方位分辨率提高了1～2个数量级，而多子阵技术的采用更是解决了方位向高分辨和距离向测距之间的矛盾，使合成孔径声纳技术开始真正走向工程实用化的道路。

成像算法是合成孔径声纳技术的核心，现有的多子阵合成孔径声纳频域成像算法一般可以分为三类。第一类是基于等效收发合置合成孔径声纳的思想，典型代表是相位中心近似方法，通过类比收发合置合成孔径声纳的双程斜距历程对多子阵合成孔径声纳双根号形式的斜距历程进行修正，便转换为传统收发合置合成孔径声纳成像问题，这类方法在数据收发合置转换过程中需要进行插值和二维空变相位误差的补偿，难补偿完全的相位中心近似误差还会导致近距离处目标散焦。第二类方法是基于数值计算的成像方法，此类方法需要通过数值计算得到成像处理过程中的系统转移函数，计算量较大。第三类方法是基于代数或几何方法求解多子阵合成孔径声纳二维频域系统函数的显示表达式，典型代表有Loffeld双基公式法、级数反演法、瞬时多普勒法等。这类方法的最大特点是需要多次采用泰勒近似或其它多项式近似方法求解系统函数的解析表达式。总的来说，这三类方法都比较复杂，需要多次利用级数近似和求导数运算才能获得距离-多普勒域和二维频域内的系统函数，计算过程复杂繁琐，极大地限制了成像算法设计的灵活性及成像算法在整个测绘带内的成像性能。

发明内容

本发明的目的在于克服传统成像算法复杂的设计过程和提高成像算法在整个测绘带内的成像性能，提供一种适用于宽测绘带的多子阵合成孔径声纳高分辨成像算法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种新的多子阵合成孔径声纳快速成像算法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、针对单个接收阵元和发射阵元所组成的子系统计算二维频域系统函数；

S2、基于方位向聚焦与距离向处理相对独立的特点，计算方位向脉冲压缩的相位调制函数；

S3、基于二维频域系统函数和方位向脉冲压缩调制函数的相位，计算距离-方位耦合相位项；

S4、对子系统回波数据进行耦合相位一致校正处理；

S5、距离向数据分块；

S6、利用耦合相位差分校正实现子系统信号的残余距离徙动校正；

S7、对子系统信号进行方位向脉冲压缩；

S8、对所有子图像进行相干叠加。

作为本发明的一个优选的技术方案，所述的步骤S2方位向脉冲压缩相位调制函数，其相位计算公式如下：

其中i表示第i个接收阵元和发射阵元所组成的第i个子系统；r表示目标斜距；f_c表示宽频带信号的中心频率；f_τ和f_t分别表示对应于距离维快时间τ与方位维慢时间t的瞬时频率；表示信号历经的双程斜距历程；d_i表示第i个子系统的收、发阵元间距；v和c分别表示声纳载体速度和声音在水中的传播速度；τ^*表示信号的精确传播时间；表示相位驻留点在f_τ＝0时的值，即

作为本发明的一个优选的技术方案，所述的步骤S3距离-方位耦合相位项的计算公式如下：

其中表示二维频域系统函数的相位，P(f_τ)表示发射信号频谱的相位。

作为本发明的一个优选的技术方案，所述的步骤S4的耦合相位一致校正处理，其补偿函数的计算公式如下：

其中r_ref表示以整个测绘带的中心目标距离为参考的参考距离，表示距离徙动函数在二维频域内的相位表达式。

作为本发明的一个优选的技术方案，所述的步骤S5距离向数据的分块，其数据块的长度通过下式计算：

其中表示以第n个数据块的中心目标距离为参考的参考距离。

作为本发明的一个优选的技术方案，所述的步骤S6残余耦合相位补偿，其补偿函数的计算公式如下：

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

克服传统成像算法复杂的设计过程和提高成像算法在整个测绘带内的成像性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明适用于宽测绘带的多子阵合成孔径声纳快速成像算法流程。

图2为多子阵合成孔径声纳系统二维成像几何。

图3为单个发射/接收阵元系统成像结果。

图4为单个发射/接收阵元系统成像结果方位向剖面。

图5为系统最终高分比成像结果。

图6为系统最终高分比成像结果方位向剖面。

具体实施方式

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

如图1所示，本实施例所述的一种新的多子阵合成孔径声纳快速成像算法的实施流程主要由以下步骤组成：针对单个接收阵元和发射阵元所组成的子系统计算二维频域系统函数；基于方位向聚焦与距离向处理相对独立的特点，计算方位向脉冲压缩的相位调制函数；基于二维频域系统函数和方位向脉冲压缩调制函数的相位，计算距离-方位耦合相位项；对子系统回波数据进行耦合相位一致校正处理；距离向数据分块；利用耦合相位差分校正实现子系统信号的残余距离徙动校正；对子系统信号进行方位向脉冲压缩；对每个接收阵元和发射阵元所组成子系统的回波数据进行成像处理后，将所有粗分辨图像进行相干叠加便得到最终的合成孔径声纳高分辨图像。

如图2所示为多子阵合成孔径声纳系统二维成像几何，平台在以速度v前进的过程中，发射阵元同时向正侧视方向以固定的脉冲重复频率发射与位置无关的宽频带信号；经过t时间后，发射阵元在方位向的位置为vt，此时发射阵元与点理想点目标的距离R_T(t；r)为：

多子阵的采用提高了传统合成孔径声纳系统的测绘速率，如果忽略声波传播时间τ^*内平台的运动，那将会导致方位向聚焦性能的下降以及距离向目标走动现象的发生；当波束较窄时，τ^*可用2r/c近似。不失一般性，在此仅考虑与发射阵相隔d_i的第i个接收阵元，那么理想点目标到第i个接收阵元的实际传播距离为：

信号所历经的双程斜距历程为：

发射信号的频谱为P(f_τ)，对于第i个接收阵元和发射阵元所组成的第i个子系统，其相位驻留点为可计算二维频域系统函数为：

用表示相位驻留点在f_τ＝0时的值，即那么根据方位向脉冲压缩与距离向处理独立的特点，计算方位向脉冲压缩相位调制函数的相位为：

根据二维频域系统函数φⁱ(f_τ,f_t；r)，发射信号的频谱P(f_τ)和方位向脉冲压缩相位调制函数的相位，在二维频域内计算距离-方位耦合相位项，其表达式如下：

根据参考距离r_ref处的二维频域系统函数，以及二维频域内的距离徙动函数在二维频域内进行耦合相位一致校正处理，其补偿函数为：

为使相位误差不显著影响成像性能，距离向各数据块的划分必须满足相位误差远小于π/8的要求，基于以第n个数据块中心距离为参考的二维频域距离徙动函数和以整个测绘带中心r_ref为参考的二维频域距离徙动函数的差值，距离向数据块的长度计算公式为：

在二维频域内进行耦合相位一致校正处理后，测绘带中心r_ref处的目标得到了完全聚焦，而非测绘带中心的目标仍然存在残余误差，根据以第n个数据块中心距离为参考的二维频域距离徙动函数和以整个测绘带中心r_ref为参考的二维频域距离徙动函数差值，每个数据块内的残余耦合相位误差补偿函数为：

在距离-多普勒域内实现目标的方位聚焦，其相位补偿函数为：

按照上述步骤处理单个接收阵元和发射阵元所组成子系统的回波数据就可以得到一幅粗分辨图像，粗分辨结果如图3所示，粗分辨结果的方位向剖面如图4所示。

按照上述步骤处理每个接收阵元和发射阵元所组成子系统的回波数据，就可以得到对应于M个子系统的粗分辨图像，将所有M子系统的粗分辨图像进行相干叠加便得到最终的合成孔径声纳高分辨图像，成像结果如图5所示，高分辨成像结果的方位向剖面如图6所示。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。