本发明专利技术提供一种多波束合成孔径声呐三维成像算法，根据多波束合成孔径声呐换能器基阵结构，在航迹向上通过载体的运动，虚拟合成大孔径基阵，在水平向上利用多接收阵元结构分辨回波到达方位。通过载体的运动，在不同航迹向位置照射探测区域，对接收到的回波信号进行相干补偿累加，能够获得航迹‑斜距‑角度坐标系下的三维声呐图像输出。利用坐标变换，将声呐图像转变为更易于观察的水平向‑航迹向‑深度向坐标系下的三维声呐图像。本方法突破了多波束测深声呐及常规合成孔径声呐的机理限制，在航迹向获得恒定的成像分辨率，在水平向和深度向平面获得较高的成像分辨率，实现三维空间内的精细化声呐成像。
【技术实现步骤摘要】
一种多波束合成孔径声呐三维成像算法
本专利技术涉及一种多波束合成孔径声呐三维成像算法，属于声呐信号处理领域。
技术介绍
对于海洋资源的开发利用，首要前提就是对水下区域的地形地貌以及感兴趣的特殊目标进行精细化探测，具有探测区域大、精细化要求高、抗干扰能力强的技术需求。相对于常规的光学成像系统，成像声呐系统可以在水下能见度低、水质浑浊的工况条件下进行远距离探测，应用范围更加广泛。成像声呐技术经过了数十年的发展研究，经历了从二维图像到三维图像、从单点探测到多点探测、从单一载体到多载体灵活运用、从单频信号到多频信号的发展历程，逐渐从理论研究走向了工程化应用，并且形成了系列化、差异化的商业产品体系。目前，市场上常见的成像声呐主要包括侧扫声呐、合成孔径声呐以及多波束测深声呐三种。侧扫声呐具有基阵结构简单、成本较低的技术优势，被广泛应用于大面积扫海测量领域。其基本工作原理是在拖鱼等声呐载体的两侧安装具有一定指向性的换能器基阵，辐射并接收水底返回的回波信号，每次探测形成一条按照时间排列的回波能量线，随着载体的走航拼接形成航迹向-距离向平面下的二维声呐图像。其不足之处主要在于正下方存在探测缝隙、只能够进行二维声呐成像并且航迹向成像分辨率随着作用距离的增大而下降。合成孔径声呐基阵结构类似于侧扫声呐，对航迹向上的多个采样位置的回波信号进行相干处理，最终在航迹向上获得与作用距离、探测频率无关的成像分辨率。其优势在于可以使用小孔径基阵，通过载体的运动虚拟合成大孔径基阵，提升图像的航迹向分辨率。不足之处在于系统复杂，成本极高，并且依旧存在正下方探测缝隙问题，通常需要搭载多波束声呐进行补隙。多波束测深声呐采用沿水平向排列的数十甚至上百接收阵元，每次探测获得斜距-角度坐标系下的二维声呐图像，经载体的走航拼接形成探测区域的三维全覆盖声呐图像。其优势在于具有较高的深度估计精度，不存在正下方探测缝隙，能够实现全覆盖测量。不足之处在于其航迹向和水平向成像分辨率会受到波束脚印的限制，随着探测距离的增大而降低。多波束合成孔径声呐是一种结合了多波束测深声呐和侧扫合成孔径声呐技术特点的一种新型成像声呐，能够在三维空间获得较为精细的成像结果。多波束合成孔径声呐的基本工作原理类似于常规多波束测深声呐，在水平向上通过多阵元线阵的布置，实现高精度的波达方位估计；在航迹向上通过大间距布阵的方式，增加航迹向空间采样间隔。本申请提出的多波束合成孔径声呐成像算法的核心思想，是在航迹向上通过载体的走航，利用二维面阵的换能器阵列流形虚拟合成大孔径基阵，从而获得航迹向的恒定图像分辨率。在水平向和深度向平面上，利用水平向的多阵元线阵进行波束形成处理，获得斜距向-角度向坐标系下的声呐图像，经坐标变换后，最终得到航迹向-水平向-深度向坐标系下的三维声呐图像。
技术实现思路
本专利技术的目的是根据二维多波束合成孔径声呐基阵结构，结合航迹向孔径合成理论和水平向波束形成方法，提出一种多波束合成孔径声呐三维成像算法，提升声呐的三维目标探测精细化程度。本专利技术的目的是这样实现的：步骤如下：步骤一：对接收到的阵列信号进行正交变换，将实信号转变为解析信号，根据发射信号参数对接收信号进行带通滤波；步骤二：利用发射参考信号对解析信号进行匹配滤波处理，实现对线性调频信号的脉冲压缩过程，修正卷积处理带来-的信号时延；步骤三：对脉冲压缩后的信号进行航迹向孔径合成处理，将处于相同水平向位置处的接收子阵虚拟合成沿航迹向的大孔径接收基阵，获得多幅航迹向-斜距向坐标系下的二维声呐复图像，此时基阵形式等效于在航迹向上具有虚拟大孔径的水平向均匀直线阵；步骤四：对获得的虚拟大孔径水平线阵进行水平向波束形成处理，对不同航迹向位置处的二维复图像进行相干累加，得到航迹向-斜距向-角度向坐标系下的三维声呐图像；步骤五：对航迹向-斜距向-角度向坐标系下的三维声呐图像进行坐标变换，获得更易直接观察的水平向-航迹向-深度向声呐图像。本专利技术还包括这样一些结构特征：1.步骤一具体为：换能器阵元接收到的时域信号为实信号，需要将其转变为解析信号才能够进行相移处理，因此在声呐系统中采用正交变换得到信号的解析形式，如下式所示：其中，si(n)为第n个采样时刻i阵元接收到的回波信号，f0为信号频率，fs为采样率。2.步骤二中声呐系统采用线性调频信号作为探测信号，发射信号为s(t)的复信号形式为：其中：T为发射信号脉宽，k为调制斜率；匹配滤波器输出为：其中：sR(t)为接收信号，h(t)为参考信号。3.步骤三具体为：假设二维面阵的航迹向阵元数目为Ny，水平线阵元数目为Nx，成像结果需要在水平向上形成M个波束；将处于相同水平向位置的Ny个阵元进行合成孔径算法处理，得到1个虚拟孔径的阵元；对所有水平位置的Nx个阵元进行遍历后，即可得到一条在航迹向上具有虚拟大孔径的Nx元线阵，同时也得到了Nx幅合成孔径声呐图像；在航迹向-距离向(y-r)坐标系下的成像结果如下所示：其中：B为信号带宽，c为水中声速，Γ为虚拟合成孔径尺度，λ为信号波长，v为载体运动速度，n为阵元序号。4.对已获得的二维声呐复图像再进行波束形成处理，区分同一航迹向位置处回波的到达方位；在步骤三得到的复图像基础上，对获得的在航迹向上具有虚拟孔径的均匀线阵进行波束形成算法处理，实现三维空间的声呐成像：其中，θ为波束扫描角度，θT为目标所在方位，dx为水平向阵元间距。5.对获得的三维声呐图像IMBSAS(y,r,θ)进行坐标变换，将航迹向-斜距向-角度向图像转化为更易观察的水平向-航迹向-深度向图像IMBSAS(x,y,z)；x＝rsinθy＝rcosθ。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1、能够在一定角度范围内，实现全覆盖三维测量，不存在垂底探测盲区，不需要额外设备进行补隙。声呐载体灵活，可以通过船载或AUV搭载的方式实现走航测量。2、在航迹向具有与侧扫合成孔径声呐相同的图像分辨率，依靠载体走航虚拟合成大孔径基阵，获得与探测距离、信号频率无关的恒定成像分辨率。3、在水平向能够通过波束形成技术分辨目标回波方向，具有较高的距离和方向分辨率，经坐标变换后最终能够得到分辨率较高的三维声呐图像。附图说明图1是多波束合成孔径声呐成像基本原理图；图2是多波束合成孔径声呐成像流程示意图；图3是航迹向孔径合成原理图；图4是水平向波束形成原理图；图5(a)-(f)是多波束测深声呐与多波束合成孔径声呐仿真成像效果对比，其中图5(a)多波束测深声呐成像结果，图5(b)是多波束合成孔径声呐成像结果，图5(c)是多波束测深声呐成像顶面切片，图5(d)是多波束合成孔径声呐成像顶面切片，图5(e)是多波束测深声呐成像底面切片，图5(f)是多波束合成孔径声呐成像底面切片；图6(a)是多波束测深声呐成像目标检测结果，图6(b)是多波束合成孔径声呐成像目标本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种多波束合成孔径声呐三维成像算法，其特征在于：步骤如下：/n步骤一：对接收到的阵列信号进行正交变换，将实信号转变为解析信号，根据发射信号参数对接收信号进行带通滤波；/n步骤二：利用发射参考信号对解析信号进行匹配滤波处理，实现对线性调频信号的脉冲压缩过程，修正卷积处理带来-的信号时延；/n步骤三：对脉冲压缩后的信号进行航迹向孔径合成处理，将处于相同水平向位置处的接收子阵虚拟合成沿航迹向的大孔径接收基阵，获得多幅航迹向-斜距向坐标系下的二维声呐复图像，此时基阵形式等效于在航迹向上具有虚拟大孔径的水平向均匀直线阵；/n步骤四：对获得的虚拟大孔径水平线阵进行水平向波束形成处理，对不同航迹向位置处的二维复图像进行相干累加，得到航迹向-斜距向-角度向坐标系下的三维声呐图像；/n步骤五：对航迹向-斜距向-角度向坐标系下的三维声呐图像进行坐标变换，获得更易直接观察的水平向-航迹向-深度向声呐图像。/n
【技术特征摘要】
1.一种多波束合成孔径声呐三维成像算法，其特征在于：步骤如下：
步骤一：对接收到的阵列信号进行正交变换，将实信号转变为解析信号，根据发射信号参数对接收信号进行带通滤波；
步骤二：利用发射参考信号对解析信号进行匹配滤波处理，实现对线性调频信号的脉冲压缩过程，修正卷积处理带来-的信号时延；
步骤三：对脉冲压缩后的信号进行航迹向孔径合成处理，将处于相同水平向位置处的接收子阵虚拟合成沿航迹向的大孔径接收基阵，获得多幅航迹向-斜距向坐标系下的二维声呐复图像，此时基阵形式等效于在航迹向上具有虚拟大孔径的水平向均匀直线阵；
步骤四：对获得的虚拟大孔径水平线阵进行水平向波束形成处理，对不同航迹向位置处的二维复图像进行相干累加，得到航迹向-斜距向-角度向坐标系下的三维声呐图像；
步骤五：对航迹向-斜距向-角度向坐标系下的三维声呐图像进行坐标变换，获得更易直接观察的水平向-航迹向-深度向声呐图像。
2.根据权利要求1所述的一种多波束合成孔径声呐三维成像算法，其特征在于：步骤一具体为：换能器阵元接收到的时域信号为实信号，需要将其转变为解析信号才能够进行相移处理，因此在声呐系统中采用正交变换得到信号的解析形式，如下式所示：
其中，si(n)为第n个采样时刻i阵元接收到的回波信号，f0为信号频率，fs为采样率。
3.根据权利要求1或2所述的一种多波束合成孔径声呐三维成像算法，其特征在于：步骤二中声呐系统采用线性调频信号作为探测信号，发射信号为s(t)的复信号形式为：
其中：T为发射信号脉宽，k为...
【专利技术属性】
技术研发人员：魏波，李海森，周天，徐超，朱建军，陈宝伟，邢天耀，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23
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