一种三维前视声像声纳系统和方法技术方案

技术编号:21139397 阅读:39 留言:0更新日期:2019-05-18 04:42
本发明专利技术提出一种三维前视声像声纳(3DFLS)系统和方法,所述系统包括声纳舱、发射线阵、接收阵和数据处理模块;发射阵通过改变竖直向发射孔径,调节竖直向发射波束宽度,实现浅水环境探测;接收阵包括多层接收圆弧阵,层间距相同,每层接收圆弧阵等间隔排布多个接收基元,所述接收圆弧阵附着于声纳舱底部;数据处理模块置于声纳舱体内,用于处理发射阵和接收阵的探测数据。所述方法包括发射阵通过数据处理模块设定发射波束,进行发射波束的稳定处理和接收阵对回波数据进行处理,计算散射点在三维空间中的坐标,获得三维声成像。本发明专利技术采用波束宽度可调的发射方案,更优的适应不同的水体环境,从而提升3DFLS的探测效果、提高对于环境的适应性。

A 3-D Forward-looking Sonar System and Method

【技术实现步骤摘要】
一种三维前视声像声纳系统和方法
本专利技术涉及海洋声学装备
,具体而言,尤其涉及一种三维前视声像声纳系统。
技术介绍
随着人类海洋活动的日益增多,水下目标的探测和成像成为了近年来研究的主要方向之一。三维前视声纳(3DFLS)主要用于探测载体前方三维空间内的障碍物、目标和海底,是安装在水下载体上的重要声成像声纳。从波束形成的扫描形式来看,现有的3DFLS可以分为机械扫描式和电子扫描式两大类:机械扫描式3DFLS利用机械旋转的方式完成水平和竖直两个维度的扫描进而完成水下三维重建,该类型一般结构简单成像效率低;电子扫描式3DFLS又可分为基于一维接收线阵的3DFLS、基于二维面阵与波束形成技术的3DFLS和基于二维面阵与波达方向估计技术的3DFLS。由于稀疏处理使得平面阵列设计得以优化,采用波束形成技术的基于二维面阵的3DFLS成为目前的主流产品,但此种声纳的数据处理中采用常规波束形成的方法,角度分辨率受阵列孔径、即波束宽度的影响,欲获取高分辨率的声成像,则需较大孔径的声纳;常规波束形成中不同定向方向波束宽度不同,实际探测中每个波束结果在相同距离处对应不同的物理尺度,一般影响最终的声成像效果。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决现有技术中声纳的数据处理采用常规波束形成的方法时角度分辨率受阵列孔径即波束宽度的影响,不同定向方向波束宽度不同的问题,从而提升3DFLS的探测效果、提高其对于环境的适应性。为实现上述目的,本专利技术提出一种高分辨率三维前视声像声纳系统,包括声纳舱、发射阵和接收阵,发射阵内每个发射基元对应一个发射机,接收阵内每个接收基元对应一个接收机,其特征在于,所述系统还包括数据处理模块;所述发射阵的发射基元沿声纳舱轴向呈线列排布,紧贴于声纳舱外壁,用于调节竖直向发射波束宽度,实现浅水环境探测;所述接收阵包括多层接收圆弧阵,层间距相同,每层接收圆弧阵等间隔排布多个接收基元,所述接收圆弧阵附着于声纳舱底部;所述数据处理模块置于声纳舱体内,用于处理发射阵和接收阵的探测数据。基于所述的高分辨率三维前视声像声纳系统,本专利技术还提出一种三维前视声成像方法,所述方法包括:步骤1)所述发射阵通过数据处理模块设定发射波束,采用波束稳定方法,根据载体姿态的变化,实时计算发射基元位置的相对变化,将位置变化转化为时延,在时域内进行补偿,将发射中心稳定于发射预定方向上,从而完成发射波束的稳定处理;步骤2)所述接收阵通过数据处理模块对接收的回波数据进行滤波和解调预处理,每层基元水平方向形成多个定向于子阵的中心基元法线方向的接收波束;进行波束的脉冲压缩处理,在垂直平面对各层同水平方向波束信号进行信源数估计和波达方向估计,结合回波到达时间,计算散射点在三维空间中的坐标,获得三维声成像。作为所述方法的一种改进,所述步骤1)具体包括:步骤1-1)设定单脉冲信号的宽波束覆盖模式或多脉冲信号的窄波束覆盖模式;通过设定工作时使用的发射基元的数目确定不同宽度波束的发射;步骤1-2)根据某t时刻水平面内载体偏航角纵倾角P(t)、横滚角R(t)、发射基元初始坐标T0,计算载体存在姿态变化后的坐标T;所述偏航角为水平面内载体首部方向偏离航迹方向的角度,从载体上方看,载体首部顺时针偏离航迹方向为正;所述纵倾角P(t)为载体纵向与水平面的夹角,从载体上方看,载体首部抬起为正;所述横滚角R(t)为载体横向与水平面的夹角,从载体上方看,载体左半部分抬起为正;所述发射阵基元初始坐标T0=(X0,Y0,Z0);所述载体存在t时刻姿态变化后的坐标为T=(X,Y,Z):T=Γ*T0(1)表示t时刻偏航角的修正矩阵,ΓP(t)表示t时刻纵倾角的修正矩阵,ΓR(t)表示t时刻横滚角的修正矩阵,Γ(t)表示t时刻姿态下的坐标转换矩阵;步骤1-3)计算第num个基元相对于参考点的时延量tn:其中,发射阵基元间隔为d,线阵垂直向的基元个数为Num,c为声速,为发射波束预定方向向量与存在姿态变化的发射阵的方向向量间夹角;步骤1-4)设t时刻参考点发射信号为s0(t),则经延时补偿后第p个基元的发射信号为:snum(t)=s0(t-tnum)(4)步骤1-5)对各个发射基元进行加窗处理后形成发射波束:其中,wnum为第num个基元的窗函数系数:wnum=chebwin(N,β)(5)其中,β表示主瓣高于旁瓣dB值。作为所述方法的一种改进,所述步骤2)包括:步骤2-1)将接收基元获取的原始AD数据滤除带外噪声,保留中心频率附近的信号,得到抗混叠滤波后的信号;步骤2-2)将抗混叠滤波后的信号解调,根据不同的发射模式分别与一个或N个中心频率的载波信号对应相乘;步骤2-3)进行低通滤波,滤除解调后频谱信号内多余的频带分量,保留基带附近的频率分量,得到基带信号;步骤2-4)所述基带信号经过波束形成,增强来自某一个方向的波束信号,衰减其他方向的波束信号,形成不同定向方向的多个接收波束;如果发射模式为宽波束发射模式,执行步骤2-5);如果发射模式为窄波束模式且需要对窄波束内目标进行高分辨率探测时,执行步骤2-5);如果发射模式为窄波束模式但不需要进行波束内目标的高分辨率探测时执行步骤2-6);步骤2-5)通过波束的脉冲压缩处理和垂直平面在波束内通过信源数估计和波达方向估计求出垂直方向入射角执行步骤2-7);步骤2-6)将发射波束的定向角度等效为垂直方向入射角接收波束的定向角度等效为方位角θ0,执行步骤2-7);步骤2-7)计算三维坐标得到三维声成像。作为所述方法的一种改进,所述步骤2-1)具体为:根据信号频带宽度和采样频率,设定生成抗混叠滤波器所需参数包括滤波器阶数Manti截止频率ωn,并得到Manti阶抗混叠滤波器系数banti:banti=fir1(Manti,ωn)(7)将接收基元获取的原始数据输入抗混叠滤波器,得到抗混叠滤波后的信号ADdata_banti(n),其中n表示第n个采样点,banti(manti)表示第manti阶滤波器系数:作为所述方法的一种改进,所述步骤2-2)具体包括:步骤2-2-1)将抗混叠滤波后的信号ADdata_banti(n),根据发射模式和发射信号的中心频率fc进行解调得到:式中,ωc为归一化后接收信号的数字频率,fc为接收信号中心频率,fs为当前信号采样频率,y(n)为解调后的混频信号,Y(ω)为频谱表示。作为所述方法的一种改进,所述步骤2-3)具体为:将解调后的混频信号y(n)中的多余频带分量滤除,得到基带信号s(n):其中,blow(mlow)为第mlow阶低通滤波器系数,Mlow为低通滤波器阶数。作为所述方法的一种改进,所述步骤2-4)具体包括:步骤2-4-1)选取单层M个相邻基元的经低通滤波输出后的基带信号,以圆弧阵的圆心为参考点,第m接收基元t时刻的接收数据表示为sm(t):sm(t)=Am*s0(t-τm)(16)τm=R*cos(θ-αm)/c(17)其中Am为第m号基元的幅度响应,s0(t)为参考点经低通滤波后输出的信号,τm为第m号基元相对于参考点的时延,θ为信号回波方向,c为声速,αm为第m号基元所在位置对应的圆心角:αm=(m-1)*αper(18)相邻基元对应圆心角大小αper:αper=2*arcsin(d/(2*R本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三维前视声像声纳系统,包括声纳舱、发射阵和接收阵,发射阵内每个发射基元对应一个发射机,接收阵内每个接收基元对应一个接收机,其特征在于,所述系统还包括数据处理模块;所述发射阵的发射基元沿声纳舱轴向呈线列排布,紧贴于声纳舱外壁,用于调节竖直向发射波束宽度,实现浅水环境探测;所述接收阵包括多层接收圆弧阵,层间距相同,每层接收圆弧阵等间隔排布多个接收基元,所述接收圆弧阵附着于声纳舱底部;所述数据处理模块置于声纳舱体内,用于处理发射阵和接收阵的探测数据。

【技术特征摘要】
1.一种三维前视声像声纳系统,包括声纳舱、发射阵和接收阵,发射阵内每个发射基元对应一个发射机,接收阵内每个接收基元对应一个接收机,其特征在于,所述系统还包括数据处理模块;所述发射阵的发射基元沿声纳舱轴向呈线列排布,紧贴于声纳舱外壁,用于调节竖直向发射波束宽度,实现浅水环境探测;所述接收阵包括多层接收圆弧阵,层间距相同,每层接收圆弧阵等间隔排布多个接收基元,所述接收圆弧阵附着于声纳舱底部;所述数据处理模块置于声纳舱体内,用于处理发射阵和接收阵的探测数据。2.一种基于权利要求1所述三维前视声像声纳系统实现的三维前视声成像方法,所述方法包括:步骤1)所述发射阵通过数据处理模块设定发射波束,采用波束稳定方法,根据载体姿态的变化,实时计算发射基元位置的相对变化,将位置变化转化为时延,在时域内进行补偿,将发射中心稳定于发射预定方向上,从而完成发射波束的稳定处理;步骤2)所述接收阵通过数据处理模块对接收的回波数据进行滤波和解调预处理,每层基元水平方向形成多个定向于子阵的中心基元法线方向的接收波束;进行波束的脉冲压缩处理,在垂直平面对各层同水平方向波束信号进行信源数估计和波达方向估计,结合回波到达时间,计算散射点在三维空间中的坐标,获得三维声成像。3.根据权利要求2所述的三维前视声成像方法,其特征在于,所述步骤1)具体包括:步骤1-1)设定单脉冲信号的宽波束覆盖模式或多脉冲信号的窄波束覆盖模式;通过设定工作时使用的发射基元的数目确定不同宽度波束的发射;步骤1-2)根据某t时刻水平面内载体偏航角纵倾角P(t)、横滚角R(t)、发射基元初始坐标T0,计算载体存在姿态变化后的坐标T;所述偏航角为水平面内载体首部方向偏离航迹方向的角度,从载体上方看,载体首部顺时针偏离航迹方向为正;所述纵倾角P(t)为载体纵向与水平面的夹角,从载体上方看,载体首部抬起为正;所述横滚角R(t)为载体横向与水平面的夹角,从载体上方看,载体左半部分抬起为正;所述发射阵基元初始坐标T0=(X0,Y0,Z0);所述载体存在t时刻姿态变化后的坐标为T=(X,Y,Z):T=Γ*T0(1)表示t时刻偏航角的修正矩阵,ΓP(t)表示t时刻纵倾角的修正矩阵,ΓR(t)表示t时刻横滚角的修正矩阵,Γ(t)表示t时刻姿态下的坐标转换矩阵;步骤1-3)计算第num个基元相对于参考点的时延量tn:其中,发射阵基元间隔为d,线阵垂直向的基元个数为Num,c为声速,为发射波束预定方向向量与存在姿态变化的发射阵的方向向量间夹角;步骤1-4)设t时刻参考点发射信号为s0(t),则经延时补偿后第p个基元的发射信号为:snum(t)=s0(t-tnum)(4)步骤1-5)对各个发射基元进行加窗处理后形成发射波束:其中,wnum为第num个基元的窗函数系数:wnum=chebwin(N,β)(5)其中,β表示主瓣高于旁瓣dB值。4.根据权利要求2所述的三维前视声成像方法,其特征在于,所述步骤2)包括:步骤2-1)将接收基元获取的原始AD数据滤除带外噪声,保留中心频率附近的信号,得到抗混叠滤波后的信号;步骤2-2)将抗混叠滤波后的信号解调,根据不同的发射模式分别与一个或N个中心频率的载波信号对应相乘;步骤2-3)进行低通滤波,滤除解调后频谱信号内多余的频带分量,保留基带附近的频率分量,得到基带信号;步骤2-4)所述基带信号经过波束形成,增强来自某一个方向的波束信号,衰减其他方向的波束信号,形成不同定向方向的多个接收波束;如果发射模式为宽波束发射模式,执行步骤2-5);如果发射模式为窄波束模式且需要对窄波束内目标进行高分辨率探测时,执行步骤2-5);如果发射模式为窄波束模式但不需要对波束内目标进行高分辨率探测时执行步骤2-6);步骤2-5)通过波束的脉冲压缩处理和垂直平面在波束内通过信源数估计和波达方向估计求出垂直方向入射角执行步骤2-7);步骤2-6)将发射波束的定向角度等效为垂直方向入射角接收波束的定向角...

【专利技术属性】
技术研发人员:刘晓东张东升程亚楠王晏宾吴明明王凯曹金亮王舒文
申请(专利权)人:中国科学院声学研究所
类型:发明
国别省市:北京,11

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