一种等效相位中心载体运动误差估计方法技术

本发明专利技术涉及一种等效相位中心载体运动误差估计方法，步骤为：1、利用多波束等效相位中心算法进行运动状态估计、误差估计，得到的运动数据；2、采用无迹卡尔曼滤波算法对运动数据进行残留误差估计修正。本发明专利技术结合多波束合成孔径声纳特有的波束角度信息，利用不同接收阵，对不同基元接收到的信号进行互相关处理，使用几何计算模型，精确估计载体运动误差三维信息，并针对载体运动非平稳的特点使用无迹卡尔曼滤波对互相关估计产生的误差进行修正，以精确估计载体运动误差，以此改善多波束合成孔径声纳的成像质量，促进其应用和发展。促进其应用和发展。促进其应用和发展。

【技术实现步骤摘要】
一种等效相位中心载体运动误差估计方法


[0001]本专利技术属于声纳载体运动误差分析
，具体涉及一种等效相位中心载体运动误差估计方法。

技术介绍

[0002]声纳载体在海洋中航行时，由于平台运动的不稳定性，载体不能保持理想的运速直线运动状态，为了减小运动误差给成像带来的弊端，运动的估计是十分必要的。对多波束合成孔径声纳的六个运动自由度中对成像影响最大的是航偏、侧移和横滚，基于无迹卡尔曼滤波的多波束等效相位中心算法针对侧移和航偏两种运动误差形式进行运动误差估计。
[0003]现有算法都有一定的弊端：声纳是在三维空间里接收信号的，而传统的条带式声纳只能计算二维来波，在运动误差估计时，算法本身的不足就会引入偏差，影响成像精确度；载体航行时，计算机字长、过程噪声、测量噪声都会给运动估计带来误差；每一次的误差估计都是建立在上一次运动误差估计的基础上的，这就会带来残余误差积累。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是在于克服现有技术的不足之处，提供一种等效相位中心载体运动误差估计方法。
[0005]本专利技术的上述目的通过如下技术方案来实现：
[0006]一种等效相位中心载体运动误差估计方法，其特征在于，包括如下步骤：
[0007]步骤1、利用多波束等效相位中心算法进行运动状态估计、误差估计，得到的运动数据；
[0008]步骤2、采用无迹卡尔曼滤波算法对运动数据进行残留误差估计修正。
[0009]进一步的：步骤1具体为：多波束等效相位中心算法经过发射、接收信号，对信号进行相关求得不同采样点的数据，数据乘以采样频率即可求得时延；再对时延进行回波分析，得到多波束合成孔径声纳的三维坐标信息、运动状态信息。
[0010]更进一步的：单目标情况下，设发射换能器的尺寸为D
T
，声纳载体到目标的垂直距离为h
p
，接收阵列长度为L，阵元数目为L_Num，则相邻阵元间隔为声纳平台向斜下方发射线性调频信号为：
[0011][0012]选定接收基阵的中间基元为参考基元，设定目标所在位置(x
m
,y
m
,z
m
)，则参考基元接收的回波信号基带形式为：
[0013][0014]其中R0是目标到参考基元的斜距，设目标到第n号基元的斜距为r
mn
[0015]则n号基元接收到的回波信号的基带表达式为：
[0016][0017]对s
t
(t)和ee
bn
(t,u)做互相关运算就可以得到信号的时间信息，进而推导出信号的空间信息。
[0018]进一步的：步骤2具体为：
[0019]首先对声纳载体在以下运动状态下进行无迹卡尔曼滤波分析：理想状态下航迹向匀速运动，在距离向上匀加速运动，在三维坐标系里高度保持不变；
[0020]设定某一时刻k，声纳载体的位置、速度、加速度可以用矢量来表示：
[0021][0022]两方向上都有加性噪声W(k)，则在笛卡尔坐标系下，运动状态可以表示为：
[0023]X(k+1)＝φX(k)+W(k)
[0024]则系统的运动表示为：
[0025][0026]载体的运动状态是一个六维矩阵；由此，可以推出：
[0027][0028]以上是对系统的状态方程推导；系统的观测方程如下：
[0029][0030]结合多波束等效相位中心算法得到的误差估计数据，再使用无迹卡尔曼滤滤波算法，滤掉运动时引入的噪声，即可精确估计载体的运动误差，进行成像补偿；
[0031]过程方程的协方差阵Q和测量噪声的协方差阵R分别为：
[0032][0033]本专利技术具有的优点和积极效果：
[0034]本专利技术结合多波束合成孔径声纳特有的波束角度信息，利用不同接收阵，对不同基元接收到的信号进行互相关处理，使用几何计算模型，精确估计载体运动误差三维信息，并针对载体运动非平稳的特点使用无迹卡尔曼滤波对互相关估计产生的误差进行修正，以精确估计载体运动误差，以此改善多波束合成孔径声纳的成像质量，促进其应用和发展。
附图说明
[0035]图1是常规合成孔径声纳的等效相位中心示意图；
[0036]图2是多波束合成孔径声纳的BKDPCA示意图；
[0037]图3是等效相位中心算法误差对比图；
[0038]图4a是单发多收三维示意图；
[0039]图4b是DPCA算法三维示意图；
[0040]图4c是只有侧移时三种算法三维示意图；
[0041]图4d1是只有侧移时三种算法对sigA、sigC时延差影响对比图；
[0042]图4d2是只有侧移时三种算法对sigB、sigD时延差影响对比图；
[0043]图5a是增添了航偏误差的单发多收三维示意图；
[0044]图5b是增添了航偏误差的DPCA算法三维示意图；
[0045]图5c是增添了航偏误差的换能器对准时DPCA三维示意图；
[0046]图6a是侧移航偏同时存在时三种算法时延差对比图1；
[0047]图6b是侧移航偏同时存在时三种算法时延差对比图2；
[0048]图7是多波束合成孔径声纳信号接收示意图；
[0049]图8是多波束合成孔径声纳成像示意图；
[0050]图9是滤波算法线性运动仿真对比图；
[0051]图10a是无迹卡尔曼滤波误差图1；
[0052]图10b是无迹卡尔曼滤波误差图2；
[0053]图11是对运动状态进行了仿真分析的效果图。
具体实施方式
[0054]以下结合附图并通过实施例对本专利技术的结构作进一步说明。需要说明的是本实施例是叙述性的，而不是限定性的。
[0055]传统等效相位中心算法的缺点:由于侧扫声纳只能得出斜距和航迹向坐标信息，条带式等效相位中心算法在计算时也只能把航偏和侧移看成一个一维问题，忽略来波角度必定会引入计算误差。多波束合成孔径声纳载体在运动时，会受到干扰；换能器阵列在收发信号时，也是有仪器误差的。无迹卡尔曼滤波对于非线性系统具有良好的滤波效果。针对以上问题，本专利技术提出了基于无迹卡尔曼滤波的等效相位中心算法，没有忽略来波角度，也可以滤掉非线性系统中的部分噪声，是一种精确的误差估计算法。
[0056]1、多波束等效相位中心算法
[0057]等效相位中心算法被广泛的应用于合成孔径声纳的运动误差估计中，是运动误差最经典的估计方法之一。传统的侧扫合成孔径声纳，具有合成孔径声纳高分辨力的优点。但是在应用等效相位中心算法时，只能得到目标的斜距和水平面上的坐标信息。由于自身的局限性，只能把侧移和航偏误差看成一个一维问题，即只能计算斜距差值，并且把差值当做侧移量。本专利技术分析了侧扫合成孔径声纳的这一缺点，并结合多波束合成孔径声纳可以计算三维坐标信息的优势，利用多波束等效相位中心算法得到更精确的运动估计。
[0058]侧扫声纳本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种等效相位中心载体运动误差估计方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、利用多波束等效相位中心算法进行运动状态估计、误差估计，得到的运动数据；步骤2、采用无迹卡尔曼滤波算法对运动数据进行残留误差估计修正。2.根据权利要求1所述的等效相位中心载体运动误差估计方法，其特征在于：步骤1具体为：多波束等效相位中心算法经过发射、接收信号，对信号进行相关求得不同采样点的数据，数据乘以采样频率即可求得时延；再对时延进行回波分析，得到多波束合成孔径声纳的三维坐标信息、运动状态信息。3.根据权利要求2所述的等效相位中心载体运动误差估计方法，其特征在于：单目标情况下，设发射换能器的尺寸为D
T
，声纳载体到目标的垂直距离为h
p
，接收阵列长度为L，阵元数目为L_Num，则相邻阵元间隔为声纳平台向斜下方发射线性调频信号为：选定接收基阵的中间基元为参考基元，设定目标所在位置(x
m
,y
m
,z
m
)，则参考基元接收的回波信号基带形式为：其中R0是目标到参考...

【专利技术属性】
技术研发人员：李中政，徐剑，鹿灿，高飞，金康康，许洛川，甘忠良，周家新，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：