【技术实现步骤摘要】
一种合成孔径声纳运动补偿与成像方法
[0001]本专利技术属于合成孔径声纳信号处理领域，尤其涉及一种合成孔径声纳运动补偿与成像方法。
技术介绍
[0002]目前，合成孔径声纳是一种新型高分辨水下成像声纳，可以获得海底(水底)全距离恒定的二维高分辨图像，广泛应用于水下地形地貌测绘、海底底质勘探、考古搜救、沉物打捞、海底电缆及石油管道敷设、水下目标识别与分类、沉底雷和掩埋雷探测以及军民用港口和重要海域的水下高分辨侦查等活动。运动补偿是合成孔径声纳成像过程中极为关键的步骤，其本质是从运动传感器或回波数据中估计声纳运动误差，通过补偿该误差进一步提高二维声图质量。合成孔径声纳一般搭载于无动力拖体或自主式水下航行器，通常要求载体作匀速直线运动。在实际工作中，受海风、海浪、海流的影响，声纳载体的运动轨迹总是与理想的匀速直线运动航迹存在偏差。研究表明，当声纳载体的运动偏离理想航迹超过工作波长的1/8时，必须进行运动补偿，否则会严重影响成像质量。早期的合成孔径声纳运动补偿与成像大多建立在合成孔径雷达相关研究成果的基础上，多接收阵元技术和非停走...
【技术保护点】
【技术特征摘要】 【专利技术属性】
1.一种合成孔径声纳运动补偿与成像方法，其特征在于，所述合成孔径声纳运动补偿与成像方法包括：建立多个坐标系，根据高精度惯性导航系统的输出数据，结合发射阵、接收阵、惯性导航系统的设计参数和安装参数，构建不同坐标系之间的平移矩阵和旋转矩阵；精确推算得到信号发射时刻发射阵在成像坐标系中的坐标，以及接收阵各阵元信号接收时刻在成像坐标系中的坐标；利用合成孔径声纳逐点成像算法，同时完成合成孔径声纳运动补偿与成像操作，获得高质量的合成孔径声纳二维声图。2.如权利要求1所述的合成孔径声纳运动补偿与成像方法，其特征在于，所述多个坐标系包括基阵坐标系、惯导安装坐标系、惯导坐标系、地球坐标系、地理坐标系、导航坐标系和成像坐标系；3.如权利要求1所述的合成孔径声纳运动补偿与成像方法，其特征在于，所述高精度惯性导航系统的输出数据包括惯性导航系统数据输出时刻惯导质心的经度、纬度、高度和姿态角；所述发射阵、接收阵、惯性导航系统的设计参数包括发射阵的阵长、接收阵各阵元阵长及排布方式以及惯性导航系统的尺寸及质心位置；所述发射阵、接收阵、惯性导航系统的安装参数包括发射阵、接收阵各阵元、惯性导航系统质心在惯导安装坐标系中的坐标，以及惯导坐标系相对于惯导安装坐标系的姿态角和基阵坐标系相对于惯导安装坐标系的姿态角；所述发射阵、接收阵、惯性导航系统的安装参数利用光学测量方法得到。4.如权利要求1所述的合成孔径声纳运动补偿与成像方法，其特征在于，所述合成孔径声纳运动补偿与成像方法具体包括：建立基阵坐标系，根据声基阵的设计参数和安装参数，确定发射阵、接收阵各阵元在基阵坐标系中的坐标；根据惯性导航系统安装基准面，建立惯导安装坐标系，根据惯性导航系统的设计参数和安装参数，建立惯导坐标系，结合惯性导航系统的设计参数，利用光学测量方法获得惯性导航系统质心在惯导安装坐标系中的坐标，以及惯导坐标系相对于惯导安装坐标系的姿态角，构建惯导坐标系与惯导安装坐标系之间的平移矩阵和旋转矩阵；根据声基阵的设计参数和安装参数，利用光学测量方法，获得基阵坐标系原点在惯导安装坐标系中的坐标，以及基阵坐标系相对于惯导安装坐标系的姿态角，构建基阵坐标系与惯导安装坐标系之间的平移矩阵和旋转矩阵；根据基阵坐标系到惯导安装坐标系的旋转矩阵以及惯导安装坐标系到惯导坐标系的旋转矩阵，构建基阵坐标系与惯导坐标系之间的旋转矩阵；根据基阵坐标系原点在惯导安装坐标系中的坐标，以及惯导安装坐标系与惯导坐标系之间的旋转矩阵和平移矩阵，推算基阵坐标系原点在惯导坐标系中的坐标，构建基阵坐标系与惯导坐标系之间的平移矩阵；根据发射阵、接收阵各阵元在基阵坐标系中的坐标，以及基阵坐标系与惯导坐标系之间的平移矩阵和旋转矩阵，推算发射阵、接收阵各阵元在惯导坐标系中的坐标；根据惯导数据输出时刻惯性导航系统输出的经度、纬度和高度，建立地理坐标系，构建
惯导数据输出时刻地球坐标系与地理坐标系之间的平移矩阵和旋转矩阵；根据惯导坐标系和地理坐标系的定义，以及惯导数据输出时刻惯性导航系统输出的姿态角，构建惯导数据输出时刻惯导坐标系与地理坐标系之间的平移矩阵和旋转矩阵；根据不同惯导数据输出时刻惯性导航系统输出的经度、纬度和高度，推算惯导数据输出时刻惯性导航系统质心在地球坐标系中的直角坐标，构建惯导数据输出时刻惯导坐标系与地球坐标系之间的平移矩阵；根据惯导数据输出时刻惯导坐标系与地理坐标系之间的旋转矩阵以及地理坐标系与地球坐标系之间的旋转矩阵，构建惯导数据输出时刻地球坐标系与惯导坐标系之间的旋转矩阵；根据基阵坐标系原点在惯导坐标系中的坐标，以及惯导数据输出时刻惯导坐标系与地球坐标系之间的平移矩阵和旋转矩阵，推算不同惯导数据输出时刻基阵坐标系原点在地球坐标系中的直角坐标和球坐标；以惯性导航系统第一包数据输出时刻基阵坐标系原点为原点，根据同一时刻基阵坐标系原点的经度、纬度，建立导航坐标系；根据惯导数据输出时刻基阵坐标系原点在地球坐标系中的经度、纬度和高度，推算惯导数据输出时刻基阵坐标系原点在导航坐标系中的坐标；根据惯导数据输出时刻基阵坐标系原点在导航坐标系中的坐标，利用最小二乘法进行线性拟合，得到理想航迹，确定理想航迹在导航坐标系中的斜率和截距；以第一个等于惯导数据输出时刻或者介于前后相邻两个惯导数据输出时刻之间的脉冲发射时刻导航坐标系中基阵坐标系原点在理想航迹中的投影点为原点，以理想航迹为X轴，建立成像坐标系，确定成像坐标系原点在导航坐标系中的坐标，构建成像坐标系与导航坐标系之间的平移矩阵；根据成像坐标系和导航坐标系的定义，以及理想航迹在导航坐标系中的斜率，推算成像坐标系与导航坐标系之间的姿态角，构建成像坐标系与导航坐标系之间的旋转矩阵；根据惯导数据输出时刻惯性导航系统输出的姿态角，确定信号发射时刻惯导坐标系与导航坐标系之间的旋转矩阵；根据基阵坐标系与惯导坐标系之间的旋转矩阵、信号发射时刻惯导坐标系与导航坐标系的旋转矩阵以及导航坐标系与成像坐标系之间的旋转矩阵，构建信号发射时刻基阵坐标系与成像坐标系之间的旋转矩阵；根据惯导数据输出时刻基阵坐标系原点在导航坐标系中的坐标，利用线性插值方法得到信号发射时刻基阵坐标系原点在导航坐标系中的坐标，结合导航坐标系与成像坐标系之间的平移矩阵和旋转矩阵，推算信号发射时刻基阵坐标系原点在成像坐标系中的坐标，构建信号发射时刻基阵坐标系与成像坐标系之间的平移矩阵；根据发射阵、接收阵各阵元在基阵坐标系中的坐标，以及信号发射时刻基阵坐标系与成像坐标系之间的平移矩阵和旋转矩阵，推算信号发射时刻发射阵、接收阵各阵元在成像坐标系中的坐标；建立合成孔径声纳成像距离历程几何模型，根据非停走停时间的定义，结合发射阵、接收阵的设计参数和安装参数，以及信号发射时刻发射阵、接收阵各阵元在成像坐标系中的坐标，计算接收阵各阵元的非停走停时间，确定接收阵各阵元信号接收时刻；
根据惯导数据输出时刻基阵坐标系原点在导航坐标系的坐标，利用线性插值方法得到接收阵各阵元信号接收时刻基阵坐标系原点在导航坐标系中的坐标，结合导航坐标系与成像坐标系的平移矩阵和旋转矩阵，推算接收阵各阵元信号接收时刻基阵坐标系原点在成像坐标系中的坐标，构建接收阵各阵元信号接收时刻基阵坐标系与成像坐标系的平移矩阵；根据惯导数据输出时刻惯性导航系统输出的姿态角，利用线性插值方法得到接收阵各阵元信号接收时刻惯性导航系统的姿态角，推算接收阵各阵元信号接收时刻惯导坐标系与导航坐标系的旋转矩阵，结合基阵坐标系与惯导坐标系的旋转矩阵、导航坐标系与成像坐标系的旋转矩阵，构建接收阵各阵元信号接收时刻基阵坐标系与成像坐标系的旋转矩阵；根据接收阵各阵元在基阵坐标系中的坐标，以及接收阵各阵元信号接收时刻基阵坐标系与成像坐标系之间的平移矩阵和旋转矩阵，确定接收阵各阵元接收信号时刻在成像坐标系中的坐标；根据信号发射时刻发射阵在成像坐标系中的坐标以及接收阵各阵元信号接收时刻接收阵各阵元在成像坐标系中的坐标，利用合成孔径声纳逐点成像算法同时完成运动补偿与成像操作，获得合成孔径声纳二维图像。5.如权利要求3所述的合成孔径声纳运动补偿与成像方法，其特征在于，所述建立基阵坐标系，根据声基阵的设计参数和安装参数，确定发射阵、接收阵各阵元在基阵坐标系中的坐标，分别用和表示，其中上标Tr和Rr分别表示发射阵和接收阵，下标S表示基阵坐标系，下标i表示接收阵阵元序号，i＝1,2,
…
,M，M表示合成孔径声纳接收阵包含的接收阵元数量；所述根据惯性导航系统安装基准面，建立惯导安装坐标系，用P0表示；根据惯性导航系统的设计参数和安装参数，建立惯导坐标系，用P表示；结合惯性导航系统的设计参数，利用光学测量方法获得惯性导航系统质心O
P
在惯导安装坐标系中的坐标以及从惯导安装坐标系旋转到惯导坐标系的姿态角，分别用偏航角俯仰角横滚角表示；构建惯导坐标系与惯导安装坐标系之间的平移矩阵和旋转矩阵其中其中其中
式中(
·
)
技术研发人员：田振，唐劲松，钟何平，马梦博，徐魁，吴浩然，
申请(专利权)人：中国人民解放军海军工程大学，
类型：发明
国别省市：
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