本发明专利技术公开了一种近场的快速下视合成孔径三维成像方法，该方法包括：步骤1)根据声纳系统工作参数计算声纳回波数字信号，对声纳回波数字信号进行深度向脉冲压缩处理，获得柱坐标系下的深度向压缩后信号；步骤2)对深度向压缩后信号进行跨航向距离徙动矫正，并根据斜距进行数据分块，对每个数据分块进行跨航向距离矫正，获得跨航向压缩后信号；步骤3)对跨航向压缩后信号进行沿航向距离徙动矫正，由此完成沿航向合成孔径成像处理，形成最后的三维图像。本发明专利技术提出的快速成像方法，可分解成斜距向、沿航迹向和俯仰向三个方向分别成像处理，与精确时延成像算法相比，很大程度的降低了计算量，能够有效的应用于下视合成孔径成像声纳系统。
A fast down looking synthetic aperture 3D imaging method in near field
【技术实现步骤摘要】
一种近场的快速下视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，特别涉及一种近场的快速下视合成孔径三维成像方法。
技术介绍
下视合成孔径三维成像技术是一种基于合成孔径技术新的三维成像体制，该技术不仅具有与传统侧视合成孔径成像声纳的方位向的高分辨率，并具有目标深度向测量的能力。该成像体制在声波传播方向(深度向)和方位向(沿航向)可以通过脉冲压缩和合成孔径技术获得高分辨成像，但跨航向分辨能力受到接收阵长度的限制，通过增加跨航向接收阵的长度可以有效提高跨航向分辨率，但其系统实现的难度、复杂度和成本均会急剧增加。解决这一困难的有效方法包括跨航向采用多发多收结构(MIMO)、高分辨成像方法(MVDR、MUSIC等)实现跨航向的高分辨成像，但由于下视三维成像体制的工作特点以近场为主，近场条件下，下视合成孔径成像算法计算量大，难于快速实时实现。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：针对下视合成孔径三维成像声纳以近场工作为主，成像计算量大，对系统计算平台要求高，并难于实时系统实现等一系列问题，本专利技术提出了近场的快速下视合成孔径三维成像方法，该方法的计算效率与时域精确成像方法相比得到了明显的提高，更易于实时系统的实现。为了实现上述目的，本专利技术提出了一种近场的快速下视合成孔径三维成像方法，该方法包括：步骤1)根据声纳系统工作参数计算声纳回波数字信号，对声纳回波数字信号进行深度向脉冲压缩处理，获得柱坐标系下的深度向压缩后信号；步骤2)对深度向压缩后信号进行跨航向距离徙动矫正，并根据斜距进行数据分块，对每个数据分块进行跨航向距离矫正，获得跨航向压缩后信号；步骤3)对跨航向压缩后信号进行沿航向距离徙动矫正，由此完成沿航向合成孔径成像处理，形成最后的三维图像。作为上述方法的一种改进，所述步骤1)具体包括：步骤1-1)发射接收阵距离海底高度为H，下视合成孔径声纳沿y方向以速度v匀速直线航行，共M个接收阵元；目标的位置坐标为(x0,y0,z0)，第m个接收阵元的位置(xm,yR,0)：其中，L表示接收阵孔径，y表示接收阵所在的y轴上的坐标值；采用等效相位中心(Xm,Y,0)表示表示等效接收阵第m个阵元的位置：其中，t2r表示发射阵与接收阵所在的xOz之间的距离；步骤1-2)计算等效相位中心(Xm,Y,0)与水下三维场景中目标点T＝(x0,y0,z0)的距离R为：由此得到下视合成孔径声纳各接收阵元的时延τ＝2R/c，c为声速；步骤1-3)采用线性调频信号的声纳发射信号为：其中f0表示载波频率，Kr表示线性调频信号的调频率，Tr为脉冲宽度，经目标反射后的回波信号经过解调后表示为：其中σ表示回波信号幅度，t表示时间，则接收阵与目标点的距离还可以表示为：其中v＝(xm,yR,0)；获得距离R0处目标波束方向的单位矢量表达式为u＝(x0,y0,z0)/R0，R的Fresnel近似表达式为：步骤1-4)在柱坐标系下，R的Fresnel近似表达式为：其中，步骤1-5)柱坐标系下的回波信号为：其中，信号波长λ＝c/f0；步骤1-6)对柱坐标系下的回波信号进行深度向脉冲压缩处理，获得深度向压缩后信号Sr(t,y)：Sr(t,y)＝ArCyCxsinc[B(t-2r0/c)](16)其中，Ar表示脉冲压缩后信号幅度，B为信号带宽；表示与沿航向相关的距离徙动表达式；表示与跨航向相关的距离徙动表达式。作为上述方法的一种改进，所述步骤2)具体包括：步骤2-1)针对斜距r0对深度向压缩后信号进行数据分块，按照不同斜距分成Nr块数据，假设斜距r0的采样点数为Ns，则每块数据的斜距向的点数为步骤2-2)对每个分块数据进行跨航向距离徙动矫正：S(t,y)＝Sr(t,y)Hercmc＝ArCysinc[B(t-2r0/c)]psinc(sinθ0)其中，表示跨航向距离徙动矫正参考函数，表示跨航向距离徙动矫正后压缩信号结果，其中θ表示跨航向扫描角度，d表示阵元间隔。作为上述方法的一种改进，所述步骤3)具体包括：步骤3-1)S(t,y)沿航向距离徙动矫正为：Sa(t,Y)＝S(t,Y)＝AaArsinc[B(t-2R0/C)]psinc(sinθ0)sinc[Ba(Y-y0)](20)其中，表示沿航向距离徙动矫正参考函数，Ba＝2α/λ表示沿航向信号带宽，α为航向开角，Aa表示沿航向距离徙动矫正后的信号幅度；步骤3-2)最后获得三维成像结果表示为：Image_3D＝Asinc[B(t-2R0/C)]psinc(sinθ0)sinc[Ba(Y-y0)](21)其中，A表示三维成像处理后的信号幅度值。本专利技术的优势在于：1、本专利技术的方法在下视合成孔径三维成像声纳回波模型的基础上提出了一种近场的快速成像方法，该方法是在柱坐标系下实现的快速成像，能够有效的进行水下目标三维成像，并且有效的提高了成像效率；2、本专利技术提出的快速成像方法，可分解成斜距向、沿航迹向和俯仰向三个方向分别成像处理，与精确时延成像算法相比，很大程度的降低了计算量，能够有效的应用于下视合成孔径成像声纳系统。附图说明图1为本专利技术的下视合成孔径三维成像声纳回波信号几何模型示意图；图2为直角坐标系到柱坐标变换的结合关系示意图；图3为本专利技术三维成像方法的三维成像仿真结果(3个目标点)示意图；图4(a)为本专利技术的沿航向-跨航向二维剖面图；图4(b)为本专利技术的跨航向-深度向二维剖面图；图4(c)为本专利技术的沿航向-深度向二维剖面图；图5(a)为本专利技术的方法与精确时延方法的目标1的跨航向成像结果对比情况；图5(b)为本专利技术的方法与精确时延方法的目标2的跨航向成像结果对比情况；图5(c)为本专利技术的方法与精确时延方法的目标3的跨航向成像结果对比情况；图6(a)为本专利技术的方法与精确时延方法的目标1的沿航向成像结果对比情况；图6(b)为本专利技术的方法与精确时延方法的目标2的沿航向成像结果对比情况；图6(c)为本专利技术的方法与精确时延方法的目标3的沿航向成像结果对比情况；图7(a)为本专利技术的方法与精确时延方法的目标1的深度成像结果对比情况；图7(b)为本专利技术的方法与精确时延方法的目标2的深度成像结果对比情况；图7(c)为本专利技术的方法与精确时延方法的目标3的深度成像结果对比情况；图8(a)为油管目标的跨航向-沿航向二维图；图8(b)为油管目标的沿航向-深度向二维图；图8(c)为油管目标的跨航向-深度向二维图；图9为本专利技术的方法在海上试验石油管道三维成像结果示意图。具体实施方式现结合附图对本专利技术作进一步本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种近场的快速下视合成孔径三维成像方法，该方法包括：/n步骤1)根据声纳系统工作参数计算声纳回波数字信号，对声纳回波数字信号进行深度向脉冲压缩处理，获得柱坐标系下的深度向压缩后信号；/n步骤2)对深度向压缩后信号进行跨航向距离徙动矫正，并根据斜距进行数据分块，对每个数据分块进行跨航向距离矫正，获得跨航向压缩后信号；/n步骤3)对跨航向压缩后信号进行沿航向距离徙动矫正，由此完成沿航向合成孔径成像处理，形成最后的三维图像。/n
【技术特征摘要】
1.一种近场的快速下视合成孔径三维成像方法，该方法包括：
步骤1)根据声纳系统工作参数计算声纳回波数字信号，对声纳回波数字信号进行深度向脉冲压缩处理，获得柱坐标系下的深度向压缩后信号；
步骤2)对深度向压缩后信号进行跨航向距离徙动矫正，并根据斜距进行数据分块，对每个数据分块进行跨航向距离矫正，获得跨航向压缩后信号；
步骤3)对跨航向压缩后信号进行沿航向距离徙动矫正，由此完成沿航向合成孔径成像处理，形成最后的三维图像。
2.根据权利要求1所述的近场的快速下视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)发射接收阵距离海底高度为H，下视合成孔径声纳沿y方向以速度v匀速直线航行，共M个接收阵元；目标的位置坐标为(x0,y0,z0)，第m个接收阵元的位置(xm,yR,0)：
其中，L表示接收阵孔径，y表示接收阵所在的y轴上的坐标值；采用等效相位中心(Xm,Y,0)表示表示等效接收阵第m个阵元的位置：
其中，t2r表示发射阵与接收阵所在的xOz之间的距离；
步骤1-2)计算等效相位中心(Xm,Y,0)与水下三维场景中目标点T＝(x0,y0,z0)的距离R为：
由此得到下视合成孔径声纳各接收阵元的时延τ＝2R/c，c为声速；
步骤1-3)采用线性调频信号的声纳发射信号为：
其中f0表示载波频率，Kr表示线性调频信号的调频率，Tr为脉冲宽度，经目标反射后的回波信号经过解调后表示为：
其中σ表示回波信号幅度，t表示时间，则接收阵与目标点的距离还可以表示为：
其中v＝(xm,yR,0)；获得距离R0处目标波束方向的单位矢量表达式为u＝(x0,y0,z0)/R0，R的Fresnel近似表达式为：
步骤1-4)在柱坐标系下，R的Fre...
【专利技术属性】
技术研发人员：王朋，秦留洋，张羽，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
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