【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于合成孔径声纳成像方法，特别是指一种ffbp的圆周合成孔径声纳三维成像方法。
技术介绍
1、合成孔径声纳依靠小孔径基阵沿方向位移动形成虚拟的大孔径，对子阵获得的回波信号进行相干处理获得高分辨率的图像。传统的合成孔径声纳多为条带合成孔径声纳，只能够在有限的方位角范围内观测目标，限制了成像分辨率进一步提高。其次，由于水下目标散射声场空间指向的不均匀性，在有限的观测角范围内存在探测不到目标的可能性，给条带sas图像的解释及目标识别带来困难。此外，条带合成孔径声纳无法进行真正意义上的三维成像。圆周合成孔径声纳借鉴了圆迹合成孔径雷达的观测体制，基于圆形运动孔径测量水下目标回波数据。相较于条带式合成孔径声纳，圆周合成孔径声纳可以通过增加被测目标的观测角度，获得更高的图像分辨率，此外合成孔径声纳还具备真正的三维成像能力。目前圆周合成孔径声纳的三维成像是将回波数据沿高度向构建一系列断层，对每个断层进行二维成像，再对得到的二维图像序列进行相干叠加获得目标区域的三维图像。本专利技术提出的圆周合成孔径声纳利用垂直短阵绕目标一次圆周运动替代单发单收合成孔径声呐绕目标在不同高度做多圈层析，实现对观测场景声信号快速获取。
2、由于圆周合成孔径特殊的运动轨迹，一些基于直线运动的条带合成孔径声纳的成像算法不再适用于合成孔径声纳成像。圆周合成孔径声纳成像方法分为两类，时域成像法和频域成像法。在时域算法中，后向反投影(back projection，bp)算法是最具代表性的成像算法，该算法由于成像精度高、成像模式简单、运动补偿容易，无运动轨
技术实现思路
1、本专利技术要解决的技术问题是：提供一种ffbp的圆周合成孔径声纳三维成像方法，解决现有技术中合成孔径声纳难以进行三维成像，数据获取速度慢、成像算法计算量大、成像效率低等问题。
2、本专利技术提供的一种ffbp的圆周合成孔径声纳三维成像方法，包括以下步骤：
3、步骤1，将圆周合成孔径声纳接收到的回波信号表示为g(τ，tm，h)；其中，τ表示快时间，tm表示慢时间，h表示接收回波信号的高度；对回波信号进行距离向匹配滤波，得到距离压缩后的信号sr(τ，tm，h)。
4、步骤2，按照回波信号的慢时间，将数据划为分为高度向-距离向回波数据对回波数据进行高度向逐像素点聚焦mvdr波束形成。
5、步骤3，将经过高度向压缩的数据按照高度进行重新划分，得到方位向-距离向回波信号并且对不同高度向的回波信号进行ffbp成像，得到二维成像结果in。
6、步骤4，对步骤3中得到的二维图像序列进行叠加，获得目标区域的三维图像。
7、步骤2具体包括：
8、在柱面坐标系中，将成像场景离散为各像素点，垂直短阵发射阵元在阵中心，令发射阵元到观测场景中心的水平距离为ra，对于场景中的某像素点(θ，ri，zj)，接收阵源n(θ，ra，zn)到该像素点的距离表示为：
9、
10、对该式进行泰勒展开，距离近似为：
11、
12、接收阵源n(θ，ra，zn)到的距(0，zj)离表示为：
13、
14、同样，进行泰勒展开后，近似为：
15、
16、对于小的成像场景，ri是高阶小量，使用来近似代替；n元等间距d布置的垂直接收阵阵元时延记为c为水中声速，第n号阵元经过时延后的输出为xn；垂直阵聚焦mvdr波束形成在m时刻的输出z(m)、权向量w(m)和协方差矩阵r(m)分别为：
17、
18、
19、
20、其中，n为垂直短阵阵元数，l为子阵长度，k为时间平均长度，xl表示l子阵时延测量值。
21、步骤3包括以下步骤：
22、步骤301，将全孔径数据沿方位向均匀划分为n个子孔径，每一个子孔径数据的长度为l。
23、步骤302，以成像区域中心为原点，在成像区域构建极坐标投影网格，成像区域的任意一网格点p，表示为pij(θ，r)；将每个子孔径数据在所述构建的极坐标投影网格上进行后向投影；得到每个子孔径数据对应的极坐标下的子孔径成像结果。
24、步骤303，将步骤302中得到的子孔径成像结果进行递归融合，得到极坐标下的全局成像结果。
25、步骤304，将步骤303中得到的极坐标下的全局成像结果进行坐标转换，得到直角坐标下的全局成像结果ln。
26、步骤302中的后向投影包括以下步骤：
27、确定徙动曲线；在圆周合成孔径声纳的运动中，声纳系统的位置表示为(θ，rs)；则声纳系统到网格点pij(θ，r)的距离表示为：
28、
29、沿着计算出的徙动曲线进行多普勒相位补偿，经过相位补偿的回波数据表示为：
30、
31、其中，是进行后向投影的回波数据，fc表示主动声纳发出信号的载频频率，c表示水中声速，ri，j表示声纳系统到网格点pij(θ，r)的距离；对数据进行相干累加，最终输出的图像网格(i，j)的数据表示为：
32、
33、步骤303中的子孔径成像结果进行递归融合，包括：在ffbp中，k＝0，...k-1表示孔径融合级数；u＝1，2，...，2k表示对应级层子孔径的个数，在最开始将完整的合成孔径分为2k-1个子孔径。全孔径长度为l，子孔径长度为l＝l/2k-1，子孔径中心为xu，k级，即最开始级层子孔径各自建立以子孔径中心为原点的极坐标系，并分别进行bp成像。假设在孔径融合阶段，k级的相邻两个子孔径的图像分别表示为和角度间隔为δθ(k)；此时，得到的k-1级的子图像表示为i(k-1)；k-1级的子孔径数目为2k-1，分辨率增高一倍；孔径融合公式表示为：
34、
35、本专利技术的有益效果为：首先，本专利技术提供的ffbp的圆周合成孔径声纳三维成像方法，利用垂直短阵绕目标一次圆周运动替代单发单收合成孔径声呐绕目标在不同高度做多圈层析，实现对观测场景声信号全角度信息的快速获取。其次，本专利技术提出的基于因式分解快速后向投影(fast factorized back projection，ffbp)的圆周合成孔径声纳三维成像方法具有成像精度高、成像模式简单、运动补偿容易，无运动轨迹限制的优点，并且相较于传统的后向投影算法，在相同的成像分辨率下该算法具有更小的计算量和更高的成像效率。
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1.一种FFBP的圆周合成孔径声纳三维成像方法，其特征在于：包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的FFBP的圆周合成孔径声纳三维成像方法，其特征在于：步骤2具体包括：
3.根据权利要求1所述的FFBP的圆周合成孔径声纳三维成像方法，其特征在于：步骤3包括以下步骤：
4.根据权利要求3所述的FFBP的圆周合成孔径声纳三维成像方法，其特征在于：步骤302中的后向投影包括以下步骤：
5.根据权利要求3所述的FFBP的圆周合成孔径声纳三维成像方法，其特征在于：步骤303中的子孔径成像结果进行递归融合，包括：在FFBP中，k＝0，...K-1表示孔径融合级数；u＝l，2，...，2k表示对应级层子孔径的个数，在最开始将完整的合成孔径分为2k-1个子孔径；全孔径长度为L，子孔径长度为l＝L/2k-1，子孔径中心为xu，K级，即最开始级层子孔径各自建立以子孔径中心为原点的极坐标系，并分别进行BP成像；假设在孔径融合阶段，k级的相邻两个子孔径的图像分别表示为和角度间隔为Δθ(k)；此时，得到的k-1级的子图像表示为I(k-1)；k-1级的子孔径数
...【技术特征摘要】
1.一种ffbp的圆周合成孔径声纳三维成像方法，其特征在于：包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的ffbp的圆周合成孔径声纳三维成像方法，其特征在于：步骤2具体包括：
3.根据权利要求1所述的ffbp的圆周合成孔径声纳三维成像方法，其特征在于：步骤3包括以下步骤：
4.根据权利要求3所述的ffbp的圆周合成孔径声纳三维成像方法，其特征在于：步骤302中的后向投影包括以下步骤：
5.根据权利要求3所述的ffbp的圆周合成孔径声纳三维成像方法，其特征在于：步骤303中的子...
【专利技术属性】
技术研发人员：纪小雪，曾赛，范威，
申请(专利权)人：中国船舶集团有限公司第七二六研究所，
类型：发明
国别省市：
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