一种水下高分辨率侧视声学成像方法

摘要

本发明提供了一种水下高分辨率侧视声学成像方法，该方法对应的系统包含：发射阵、接收阵、接收机，其中，该接收机包含信号调理和采集功能模块，用于对水下声波信号进行滤波、放大等于处理，并将模拟信号转换为数字信号；数据传输模块、数据处理模块，其中该模块还包含：存储模块、图像重建模块、运动误差估计与补偿处理模块和图像显示模块；其特征在于，所述的发射阵为两个发射阵组成的发射阵组，用于发射频带不同的声学信号，每个发射阵分别由一个发射机驱动；本发明还提出了一种利用该发射阵组进行水下高分辨率侧视声学成像方法。本发明的优点在于，降低声纳基阵多子阵长度对于移动速度的限制，提高成像系统的测绘效率。

主权项

1.一种水下高分辨率侧视声学成像方法，该方法用由两个发射阵组成的发射阵组实现，所述的方法包含如下步骤：1)在一个发射周期内，发射阵组的第一发射阵1和第二发射阵2同时发射两种频带不同的水下声信号或信号形式不同的水声信号；所述的水下声信号应当满足以下两个条件中的一个：11)f₁+B/2＜f₂-B/2，f₁＜f₂；21)能采用信号处理方法区分两个声纳发射阵发射的信号；2)接收阵接收发射阵组发射的水下声信号的回波信号，并对回波信号进行处理去除两组不同回波信号载频，得到两组不同的基带信号；3)计算第一发射阵1和第二发射阵2的等效相位中心在随阵坐标系中位置；4)利用第一发射阵1和第二发射阵2的目标回波信号估计声纳基阵的运动误差，根据得到的运动误差并结合第一发射阵1和第二发射阵2的等效相位中心在随阵坐标系中位置得到补偿后的目标回波信号；5)对补偿后的目标回波信号进行脉冲压缩；6)利用脉冲压缩的目标回波信号进行成像；步骤2)所述的将回波信号¹s_ni和²s_ni变为基带信号的处理方法步骤如下：2-1)对滤波得到的两个回波信号进行傅立叶变换，得到其频域表示¹F_ni和²F_ni；2-2)对于¹F_ni，根据其中心频率f₁的位置和带宽B对其进行频谱搬移，将f₁搬移为零频，经过频谱搬移后得到信号：¹G_ni(f)＝F_ni(f+f₁)W(f)其中W(f)为窗函数；2-3)对于²F_ni，根据其中心频率f₂的位置和带宽B对其进行频谱搬移，将f₂搬移为零频，经过频谱搬移后得到信号：²G_ni(f)＝F_ni(f+f₂)W(f)2-4)对¹G_ni(f)和²G_ni(f)进行傅立叶逆变换，得到基带信号¹g_ni和²g_ni；步骤4)所述的估计声纳基阵运动误差和补偿的方法包含如下步骤：4-1)第n屏时第二发射阵2对应的第i个等效相位中心位置为²x_ci(n)；4-2)根据合成孔径声纳基阵的运动速度计算第n+1屏时第二发射阵2对应的第i个等效相位中心位置为：²x_ci(n+1)＝²x_ci(n)+v×prt其中，前进方向的速度为v，发射周期为prt；4-3)找到第n+1屏第二发射阵2和第n屏第一发射阵1所有重叠的等效相位中心；4-4)根据找到的所有的重叠等效相位中心估计运动误差，步骤如下；前后两屏重叠的两个等效相位中心对分别为第n屏的k，l和第n+1屏的i，j；首先通过¹g_nk与²g_n+1，i，¹g_nl与²g_n+1，j进行互相关可以得到互相关函数c_ki(p)和c_lj(p)；然后通过寻找互相关函数的峰值可以得到c_ki和c_lj的最大值的位置p_ki和p_lj，信号¹g_nk与²g_n+1，i的长度均等于采样点数NR，采样率为f_s，声速为C，则等效相位中心k，i、等效相位中心l，j之间的运动误差分别为：${\mathrm{\Delta x}}_{\mathrm{ki}}=\frac{(p_{\mathrm{ki}}-\mathrm{NR})}{f_s}\frac{C}{2},$${\mathrm{\Delta x}}_{\mathrm{lj}}=\frac{(p_{\mathrm{lj}}-\mathrm{NR})}{f_s}\frac{C}{2}$则根据Δx_ki和Δx_lj可以估算出前后两屏合成孔径声纳基阵之间的位置关系，$\overrightarrow{d}(n+1)=\overrightarrow{d}\left(n\right)-\frac{({\overrightarrow{\Delta }}_{\mathrm{ki}}-{\overrightarrow{\Delta }}_{\mathrm{lj}})}{x_{\mathrm{ci}}-x_{\mathrm{cj}}}$${\overrightarrow{r}}_{O^{\prime }(n+1)}={\overrightarrow{r}}_{O^{\prime }\left(n\right)}+x_{\mathrm{ci}}\overrightarrow{d}\left(n\right)-x_{\mathrm{cj}}\overrightarrow{d}(n+1)-{\overrightarrow{\Delta }}_{\mathrm{lj}}$${\overrightarrow{r}}_i(n+1)={\overrightarrow{r}}_{O^{\prime }(n+1)}+x_{\mathrm{ci}}\overrightarrow{d}(n+1)$其中，声纳基阵的方向矢量；O′表示声纳基阵的随阵坐标系原点坐标；表示位置矢量；n和n+1表示乒索引；i，j，k，l表示等效相位中心索引；4-5)根据上述估计运动误差对基带目标回波信号进行补偿。