一种基于“T”型阵的掩埋物合成孔径三维成像方法技术

本发明专利技术公开了一种基于“T”型阵的掩埋物合成孔径三维成像方法，所述方法包括：步骤1)根据设定的工作参数计算“T”型阵的声纳回波数字信号；步骤2)根据掩埋目标所在沉积层深度以及沉积层声速，以及水体深度和水体声速剖面计算平均声速，由此计算深度方向的时延参数；步骤3)对所述声纳回波数字信号进行沿航迹方向合成孔径处理，基于步骤2)的深度方向的时延参数在深度向进行脉冲压缩处理，获得目标三维成像数据。本发明专利技术的方法有效利用每一帧和每一条轨迹的数据形成二维面阵实现高分辨率的成像结果；在此基础上利用低频信号的穿透性，能够实现对掩埋物的三维成像处理，获取掩埋物的深度及方位信息。

A three-dimensional synthetic aperture imaging method for buried objects based on \t\ array

【技术实现步骤摘要】
一种基于“T”型阵的掩埋物合成孔径三维成像方法
本专利技术涉及成像声纳系统领域，特别涉及一种基于“T”型阵的掩埋物合成孔径三维成像方法。
技术介绍
随着合成孔径成像声纳(SyntheticApertureSonar：SAS)技术的不断发展，利用合成孔径声纳进行海底掩埋物的探测与成像成为了近年来的研究重点，相比于水中及沉底目标，掩埋物的探测与成像受到底质沉积物的散射噪声的影响，使得掩埋物回波信号的信噪比较低，传统的探测及成像方法很难精确地对目标进行探测及成像。同时，掩埋物的底质声传播的衰减系数远高于水中传播的衰减系数，掩埋物的探测要选择较低的频率才能进行有效的目标探测，低频信号对水底的沉积层具有较强的穿透能力，但是低频的成像声纳很难获得较高的成像分辨率，影响对目标的定位及成像质量。三维成像声纳技术的发展为水下目标的探测识别提供了一个有效的途径，采用合成孔径处理技术对掩埋物进行三维成像，对其进行多角度观察，可以有效地对目标进行探测及识别。合成孔径处理技术与传统的处理方法相比具有如下突出的优势：1)方位向分辨率高且与作用距离无关，可以对远距离目标进行高分辨率成像；2)能够工作在低频，因此穿透性较强，适合掩埋物探测；3)能够提高点目标信噪比，对于漫散射背景下点目标的检测效果良好，因而适合于混响背景下的水雷特别是沉底雷的探测；4)分辨率相等的情况下，测绘速率一般较侧扫声纳高。由于声波从水中入射到沉积层中存在折射现象，并且存在较大的界损失，所以下视面阵合成孔径声纳三维掩埋目标成像存在一定的深度误差，并造成合成孔径处理出现散焦现象，有效地分析与补偿深度误差能够使下视面阵合成孔径声纳的成像准确度提高。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有掩埋物探测及成像存在的上述问题，提出了基于“T”型稀疏面阵的合成孔径三维成像方法，并对声信号从水中入射到沉积层中产生的声速变化带来的影响进行了理论分析，提出采用平均声速法对其进行一定的补偿，获得了更为精确地掩埋物三维成像结果。为达到上述目的，本专利技术提供一种基于“T”型阵的掩埋物合成孔径三维成像方法，所述方法包括：步骤1)根据设定的工作参数计算“T”型阵的声纳回波数字信号；步骤2)根据掩埋目标所在沉积层深度以及沉积层声速，以及水体深度和水体声速剖面计算平均声速，由此计算深度方向的时延参数；步骤3)对所述声纳回波数字信号进行沿航迹方向合成孔径处理，基于步骤2)的深度方向的时延参数在深度向进行脉冲压缩处理，获得目标三维成像数据。作为上述方法的一种改进，所述步骤1)具体包括：步骤1-1)“T”型阵垂直航迹方向的阵元个数为M，沿航迹方向的阵元个数为N，接收阵与目标的距离Rq,p表示为：其中，H0为目标距离声纳的垂直高度，目标的位置坐标为(x0,y0,z0)，1≤q≤Q，阵元总数Q＝M+N；1≤p≤P；P为采集的数据总数；d表示两个阵元的间隔；v表示声纳平台对地运动速度；η表示声纳发射声波的脉冲重复周期；步骤1-2)计算下视合成孔径声纳的每个接收阵元的接收到的回波信号的精确时延τq,p：其中，c为声速；步骤1-3)声纳发射信号采用线性调频信号，载频为f0，调频率为Kr，脉冲宽度为Tr，发射信号s(t)表示为：步骤1-4)经过目标反射，回波信号sp,q(t)表示为：步骤1-5)对回波信号进行正交解调，将其下变频至基带，解调后的信号为：作为上述方法的一种改进，所述步骤2)具体包括：步骤2-1)基于水层深度H，将水层划分为Num层，每层的深度为Hi，声速为ci，1≤i≤Num；沉积层深度为h，声速为ch；步骤2-2)计算水层与沉积层的平均声速步骤2-3)利用平均声速计算时延参数；作为上述方法的一种改进，所述步骤3)具体包括：步骤3-1)解调后的信号经过深度向脉冲压缩后的信号Eq,p(t)表示为：其中，A1为信号Eq,p(t)的幅度；pr(·)为sinc函数；η表示声纳发射声波的脉冲重复周期；wa(η×p)表示沿航向的包络；步骤3-2)脉冲压缩后的信号Eq,p(t)的深度向索引号kq,p为：其中，fs为回波信号的采样频率；k＝1,2,…K，表示深度向采样点的索引号，K为深度向采样点数；Δz为深度向的采样间隔：ux,uy分别为航迹方向及跨航迹方向的扫描的图像像素点位置，ux,uy的取值范围为：其中，θ3为阵元的波束开角；步骤3-2)“T”型阵的近场合成孔径聚焦表达式为：与传统的线阵合成孔径声纳侧扫形式相比，本专利技术的优势在于：本专利技术的方法基于“T”型面阵采用合成孔径处理技术对掩埋物进行三维成像，稀疏面阵的合成孔径三维成像声纳采用下视方式，基于稀疏面阵的下视合成孔径声纳不仅能够弥补侧视合成孔径声纳的正下方盲区，还能够利用轨迹的交叠，有效利用每一帧和每一条轨迹的数据形成二维面阵实现高分辨率的成像结果；在此基础上利用低频信号的穿透性，能够实现对掩埋物的三维成像处理，获取掩埋物的深度及方位信息。附图说明图1为本专利技术的基于“T”型稀疏面阵合成孔径模式图；图2为本专利技术的掩埋目标成像过程中声线的传播情况的示意图；图3为本专利技术的入射角为15°时，时延估计误差随沉积层声速与掩埋目标深度的变化情况示意图；图4为本专利技术的精确时延参数、估计时延参数与修正时延参数的示意图；图5(a)为声速补偿前掩埋深度3m，水体深度10m的目标垂直航迹方向与航迹方向成像结果示意图；图5(b)为声速补偿前掩埋深度3m，水体深度10m的目标沿航迹方向成像结果示意图；图5(c)为声速补偿前掩埋深度3m，水体深度10m的目标垂直航迹方向成像结果示意图；图5(d)为声速补偿前掩埋深度3m，水体深度10m的目标沿航迹方向与深度向成像结果示意图；图5(e)为声速补偿前掩埋深度3m，水体深度10m的目标深度向脉冲压缩结果示意图；图6(a)为声速补偿前掩埋深度3m，水体深度10m的目标平均声速补偿后点目标垂直航迹方向与航迹方向成像结果示意图；图6(b)为声速补偿前掩埋深度3m，水体深度10m的目标平均声速补偿后点目标沿航迹方向成像结果示意图；图6(c)为声速补偿前掩埋深度3m，水体深度10m的目标平均声速补偿后点目标垂直航迹方向结果示意图；图6(d)为声速补偿前掩埋深度3m，水体深度10m的目标平均声速补偿后点目标沿航迹方向与深度向成像结果示意图；图6(e)为声速补偿前掩埋深度3m，水体深度10m的目标平均声速补偿后点目标深度向脉冲压缩结果示意图。具体实施方式现结合附图对本专利技术作进一步的描述。本专利技术提供了一种基于“T”型稀疏面阵的掩埋物合成孔径三维成像方法，该方法包括：计算基于“T”型稀疏面阵的声纳回波数据、基于“T”型稀疏面阵回波数据合成本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于“T”型阵的掩埋物合成孔径三维成像方法，所述方法包括：/n步骤1)根据设定的工作参数计算“T”型阵的声纳回波数字信号；/n步骤2)根据掩埋目标所在沉积层深度以及沉积层声速，以及水体深度和水体声速剖面计算平均声速，由此计算深度方向的时延参数；/n步骤3)对所述声纳回波数字信号进行沿航迹方向合成孔径处理，基于步骤2)的深度方向的时延参数在深度向进行脉冲压缩处理，获得目标三维成像数据。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于“T”型阵的掩埋物合成孔径三维成像方法，所述方法包括：
步骤1)根据设定的工作参数计算“T”型阵的声纳回波数字信号；
步骤2)根据掩埋目标所在沉积层深度以及沉积层声速，以及水体深度和水体声速剖面计算平均声速，由此计算深度方向的时延参数；
步骤3)对所述声纳回波数字信号进行沿航迹方向合成孔径处理，基于步骤2)的深度方向的时延参数在深度向进行脉冲压缩处理，获得目标三维成像数据。


2.根据权利要求1所述的基于“T”型阵的掩埋物合成孔径三维成像方法，其特征在于，所述步骤1)具体包括：
步骤1-1)“T”型阵垂直航迹方向的阵元个数为M，沿航迹方向的阵元个数为N，接收阵与目标的距离Rq,p表示为：



其中，H0为目标距离声纳的垂直高度，目标的位置坐标为(x0,y0,z0)，1≤q≤Q，阵元总数Q＝M+N；1≤p≤P；P为采集的数据总数；d表示两个阵元的间隔；v表示声纳平台对地运动速度；η表示声纳发射声波的脉冲重复周期；
步骤1-2)计算下视合成孔径声纳的每个接收阵元的接收到的回波信号的精确时延τq,p：



其中，c为声速；
步骤1-3)声纳发射信号采用线性调频信号，载频为f0，调频率为Kr，脉冲宽度为Tr，发射信号s(t)表示为：



其中，t为时间；
步骤1-4)经过目标反射，回波信号sp,q(t)表示为：


...

【专利技术属性】
技术研发人员：王朋，秦留洋，刘纪元，黄海宁，
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