本发明专利技术涉及一种基于像素统计分布加权的双基地海底地貌声学成像方法，利用成像图中海底真实特征出现位置固定、虚假特征随接收阵位置变化这一特点，采用统计方法获取声图像像素点分布特征，并将像素点统计分布概率作为图像像素权值，对多帧声图像实现加权拼接。包括：双基地海底散射信号建模仿真、接收信号声成像处理、像素统计分布处理和多帧声图像加权拼接融合。与常规双基地声学成像方法相比，本发明专利技术所提方法可以有效减小声成像图中一维水平线阵固有特性引起的虚假特征及随机噪声，凸显声图像中真实特征，实现对海底显著特征的成像及判别。别。别。
【技术实现步骤摘要】
一种基于像素统计分布加权的双基地海底地貌声学成像方法
[0001]本专利技术属于声纳成像领域，特别涉及一种基于像素统计分布加权的双基地海底地貌声学成像方法，适用于海底测绘，海底目标或地形特征(海山等)成像及识别等领域。
技术介绍
[0002]双基地海底地貌声成像可扩大声纳作用距离，充分利用海底前向散射信号，实现大范围海底声学成像。文献(Ratilal P,Lai Y,Symonds T,et al.Long range acoustic imaging of the continental shelf environment:the Acoustic Clutter Reconnaissance Experiment 2001.[J].Journal of the Acoustical Society of America,2005,117(4Pt1):1977
‑
1998.)、(Makris N C,Chia C S,Fialkowski L T.The bi
‑
azimuthal scattering distribution of an abyssal hill[J].The Journal of the Acoustical Society of America,1999,106(5):2491
‑
2512.)、(Swee Chia C,Makris N C,Fialkowski L T.A comparison of bistatic scattering from two geologically distinct abyssal hills[J].The Journal of the Acoustical Society of America,2000,108(5):2053
‑
2070.)提出采用双基地海底地貌声成像系统，分别采用两条船承载垂直发射阵和水平拖线阵，发射船固定于试验区域，接收船走航不同测线并接收海底前向散射信号，获取海底地貌声强分布图像。但在常规双基地声成像中，由于接收拖线阵的一维空间特性引起左右模糊，导致海底地貌成像图中出现关于接收阵阵轴对称的虚假特征，在先验环境信息较少的情况下，不易区分海底真实散射特征，影响对声图像中海底目标或地形特征的辨别。
[0003]目前解决该左右模糊现象的主要方法有：1)接收端采用双水平拖线阵和多水平拖线阵，利用信号到达各接收阵的时延差进行区分，该方法对设备性能要求较高，在工程技术上实现较为复杂；2)利用接收船机动，根据海底前向散射信号的入射角度变化趋势判别，但该方法需要等待接收船机动完成，待接收拖线阵拉直后进行判别，存在局限性和滞后性；3)对接收拖线阵进行阵型估计，再进行后端处理，该方法对阵型估计方法要求较高，实现难度较大。
技术实现思路
[0004]要解决的技术问题
[0005]针对现有双基地海底地貌声成像方法中，由接收拖线阵一维特性引起的左右模糊，导致海底地貌声成像图中出现虚假特征，本专利技术提供一种基于像素统计分布加权的双基地海底地貌声学成像方法。
[0006]技术方案
[0007]一种基于像素统计分布加权的双基地海底地貌声学成像方法，其特征在于步骤如下：
[0008]步骤1：双基地海底前向散射信号建模；
[0009]假设设发射阵位于观测区域中心原点处，接收阵采用N元水平拖线阵，阵元间距d。发射信号采用中心频率为f0、信号带宽为B的线性调频信号，信号脉宽为T；海底设置p个散射系数为σ
p
的点目标，模拟海底前向散射；
[0010]发射信号表示为
[0011][0012]其中，t表示时间，T表示信号脉宽，B表示信号脉宽；
[0013]接收阵位于某一测线点时，第n(n＝1,2,...,N)阵元上的接收回波为
[0014][0015]其中，n(t)表示为接收阵元处噪声，σ
p
表示第p个散射点的散射系数，τ
p
表示经发射阵到第p个散射点传播至接收阵参考阵元(1号阵元)的时间延迟，表示为第n个接收阵元上的相位延迟，表示为
[0016][0017]其中，θ
p
表示第p个散射点的信号入射角度；
[0018]步骤2：接收拖线阵采集到海底前向散射信号后，采用常规波束形成和匹配滤波方法处理接收阵元信号，得到各波束角度的时域输出信号，即波束角度
‑
时间图像；采用常规时域双基地声成像方法处理该波束角度
‑
时间图像，生成海底地貌声强图像；
[0019]子步骤1：对上一步骤中的x
n
(t)进行波束形成，其波束输出可表示为
[0020][0021]其中，为第n阵元加权系数；
[0022]子步骤2：对子步骤1中的波束输出进行匹配滤波处理，并取绝对值，得到波束角度
‑
时间图像
[0023][0024]其中，R
s
(t)为发射信号自相关函数，表示卷积；
[0025]子步骤3：采用常规时域双基地声学成像方法，对该波束角度
‑
时间图像进行声成像处理，由发射阵位置、接收阵位置和成像归位点坐标(x,y)计算得到成像归位点传输时延τ
(x,y)
和入射角度θ
(x,y)
，成像归位点坐标(x,y)处的幅度A(x,y)可表示为
[0026]A(x,y)＝|y
beam
‑
MF(θ
(x,y)
,τ
(x,y)
)|
ꢀꢀ
(6)
[0027]步骤3：对当前帧声成像图进行像素点统计分析，采用滑动窗口局部峰值检测处理
该声强图像，同步生成与声图像矩阵维度一致的热点统计图像，所述的热点统计图像由数值0、1组成，高于局部阈值的置为1，低于局部阈值的置为0；原始声图像与热点统计图像作对应元素点乘运算，得到当前帧新图像
[0028]B
i
(x,y)＝A
i
(x,y).*I
i
(x,y)
ꢀꢀ
(7)
[0029]其中，(x,y)为声成像图像素坐标，B
i
(x,y)表示第i帧经过点乘运算获取的新图像，A
i
(x,y)表示第i帧原始声图像，I
i
(x,y)表示第i帧声图像对应的热点统计图像；
[0030]步骤4：对各测点声图像采用加权法进行图像拼接，最终生成观测区域海底地貌声图像；
[0031]各测点声图像拼接过程如下，设前(i
‑
1)帧声图像拼接后的总图像为F
i
‑1(x,y)，第i帧经过点乘运算获取的新图像为B
i
(x,y)，则i帧声图像的总拼接结果F
i
(x,y)表示为
[0032]F
...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于像素统计分布加权的双基地海底地貌声学成像方法，其特征在于步骤如下：步骤1：双基地海底前向散射信号建模；假设设发射阵位于观测区域中心原点处，接收阵采用N元水平拖线阵，阵元间距d。发射信号采用中心频率为f0、信号带宽为B的线性调频信号，信号脉宽为T；海底设置p个散射系数为σ
p
的点目标，模拟海底前向散射；发射信号表示为其中，t表示时间，T表示信号脉宽，B表示信号脉宽；接收阵位于某一测线点时，第n阵元上的接收回波为：其中，n(t)表示为接收阵元处噪声，σ
p
表示第p个散射点的散射系数，τ
p
表示经发射阵到第p个散射点传播至接收阵参考阵元的时间延迟，表示为第n个接收阵元上的相位延迟，表示为其中，θ
p
表示第p个散射点的信号入射角度；步骤2：接收拖线阵采集到海底前向散射信号后，采用常规波束形成和匹配滤波方法处理接收阵元信号，得到各波束角度的时域输出信号，即波束角度
‑
时间图像；采用常规时域双基地声成像方法处理该波束角度
‑
时间图像，生成海底地貌声强图像；子步骤1：对上一步骤中的x
n
(t)进行波束形成，其波束输出可表示为其中，为第n阵元加权系数；子步骤2：对子步骤1中的波束输出进行匹配滤波处理，并取绝对值，得到波束角度
‑
时间图像其中，R
s
(t)为发射信号自相关函数，表示卷积；子步骤3：采用常规时域双基地声学成像方法，对该波束角度
‑
时间图像进行声成像处理，由发射阵位置、接收阵位置和成像归位点坐标(x,y)计算得到成像归位点传输时延τ
(x,y)
和入射角度θ
(x,y)
，成像归位点坐标(x,y)处的幅度A(x,y)可表示为A(x,y)＝|y
beam
‑
MF
(θ
(x,y)
,τ
(x,y)
...
【专利技术属性】
技术研发人员：卓颉，苏照华，孙超，石路，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：
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