CN100386649C - 合成孔径三维声成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种合成孔径三维声成像方法，主要包括以下步骤：(1)二维合成孔径声纳成像处理：对应于多排声学基阵分别进行上述处理，得到多幅高分辨力的在运动方向和斜距方向上的二维复图像；(2)宽带信号复相关处理测相位差的信号处理：(3)分裂阵相干测高：通过两排阵列信号的相位差测量得到声程差，求解回波方位角θ，从而计算出目标高度(深度)。本发明的有益的效果是：利用合成孔径处理方法实现运动方向的方位高分辨力，利用超宽频带信号的时间压缩处理方法实现旁视方向的距离高分辨力，利用宽带信号分裂阵相干测高处理方法实现垂直方向上的高度分辨，并采用发射宽频带的编码脉冲串信号来提高测量的统计精度。

Description

合成孔径三维声成像方法

技术领域

本发明涉及合成孔径声纳和多波束声纳等仪器的信号处理，主要是一种合成孔径三维声成像方法，用于海底地貌测绘和沉物探测等海洋工程的三维声成像。

背景技术

合成孔径声纳(Synthetic Aperture Sonar，简称SAS)是一种高分辨力声学成像设备。它利用小孔径基阵匀速直线运动，在运动过程中相继发射和接收信号，并将一段运动历程中接收信号进行相干迭加，从而得到等效于实际物理声阵几倍到几十倍的合成虚拟孔径阵，获得很高的分辨力和空间增益。由于合成孔径声纳的方位分辨力与工作频率和探测距离无关，适用于远距离、大范围、快速连续探测，可获得对地形、地貌的均匀、高分辨成像，适用于低频、远距离水下目标探测，特别是探测沉底和掩埋水雷。所以合成孔径声纳技术是21世纪各海洋大国和军事强国竞相发展的高新技术。

随着技术发展推动和市场需求牵引，三维声成像技术已经成为当前国际上合成孔径声纳的一个关键技术和研究难点，三维声成像方法中的关键是目标高度测量。传统的合成孔径声成像是在方位和斜距上的二维(伪三维)成像，对于孤伶目标，其高度和水平距离很难在斜距上区分开来；但对沉底目标探测的大面积成像，由于前面的高出海底的目标必然挡住后面的地貌，即存在一定的声影区，依据声影区的长短可判别目标的高度。在多波束声纳中还普遍采用一种干涉测高方法，利用窄带信号的干涉条纹来估计相位差或声波到达方位角，从而对干涉条纹上的点进行高度测量。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述方法的不足，而提供一种合成孔径三维声成像方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案。这种合成孔径三维声成像方法，主要包括以下步骤：

(1)、二维合成孔径声纳成像处理：

(1.1)、利用传感器数据对声学基阵接收的宽带信号进行运动姿态校准，采用可选的自聚焦算法，进一步实现运动误差补偿处理；

(1.2)、采用拷贝相关处理方法，进行宽带信号的脉冲压缩处理；

(1.3)、采用可选的合成孔径图像重构算法，进行多阵元合成孔径处理：

对应于多排声学基阵分别进行上述处理，得到多幅高分辨力的在运动方向和斜距方向上的二维复图像；

(2)、宽带信号复相关处理测相位差的信号处理：

(2.1)、在一次发射期间，上下两排声学基阵的多阵元合成孔径处理输出的复图像本质上是两个宽带解析信号

和

直接作复互相关处理，

$r\left(i\right)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\hat{x}}_1{\left(n\right)}^{*}\×{\hat{x}}_2(n+i)---\left(1\right)$

式中n表示解析信号的样本序列，^*表示复共轭，i为两信号之间的整数样本延时：(2.2)、通过估计其输出r(i)的复数相位值，得到宽带解析信号

和相位差：

$\mathrm{\φ}\left(i\right)={\mathrm{tg}}^{-1}\left[\frac{\mathrm{Im}\left(r\left(i\right)\right)}{\mathrm{Re}\left(r\left(i\right)\right)}\right]---\left(2\right)$

其中φ(i)的取值范围是[-π，π]；

(2.3)、通过采用三排阵元实现相位去模糊处理，在偏离声学基阵法线方向较大的波束照射区域，测量上、下排声学基阵分别与中间排声学基阵的相对相位差，

(2.4)、通过发射宽频带的编码脉冲串信号得到独立的多次相位差测量值，进行统计平均；

(3)、分裂阵相干测高：

通过两排阵列信号的相位差测量得到声程差，

(r2-r1)＝Cτ＝ΔΦ*λ/2π    (4)

式中，C为声速，ΔΦ为两排阵列信号的相位差；由(r2-r1)≈L*sin(θ)，求解回波方位角θ，从而计算出目标高度(深度)，

(H-h)＝r*cos(θ+90-α)    (5)。

本发明的有益的效果是：在常规合成孔径声纳的基础上，通过设计一种分裂阵结构的合成孔径声纳的声学基阵和合成孔径三维声成像的信号处理方法，实现海底地貌和目标探测的高分辨力合成孔径三维声成像；利用合成孔径处理方法实现运动方向的方位高分辨力，利用超宽频带信号的时间压缩处理方法实现旁视方向的距离高分辨力，利用宽带信号分裂阵相干测高处理方法实现垂直方向上的高度分辨。为了提高合成孔径三维声成像的测高分辨力，我们提出一种新的宽带信号复相关处理测量相位差的相干测高的理论方法，并采用发射宽频带的编码脉冲串信号来提高测量的统计精度，采用三排阵元实现相位去模糊处理。

附图说明

图1是本发明的合成孔径三维声成像的声学基阵结构图；

图2是本发明的合成孔径三维声成像的信号处理流程框图；

图3是本发明的两个宽带解析信号的复相关输出的复数相位；

图4是本发明的分裂阵相干测高示意图；

图5是本发明的合成孔径三维声成像的相干测高处理流程框图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步介绍：

1.合成孔径三维声成像的声学基阵设计

合成孔径三维声成像的声学基阵结构如附图1所示。它采用三排分裂的六元子阵的声学基阵设计，其中1#阵元是收发合置的换能器；三排阵元独立接收海底和目标的后向反射回波信号。所设计的声阵工作频率为20kHz～40kHz。

该分裂结构的声学基阵，可以按照三维声成像的相干测高精度来确定合适的等效声中心间距，所采用的三排阵元可实现测量相位的去模糊处理。它同时满足合成孔径声纳的多阵元布阵方案，还可采用冗余阵元重叠相关的合成孔径自聚焦运动补偿处理。

2.合成孔径三维声成像的信号处理方法

合成孔径三维声成像的信号处理方法的流程框图见附图2。首先进行常规的二维合成孔径声纳成像处理；然后采用一种宽带信号的分裂阵相干测高方法对大面积海底进行逐点的高度测量，进而合成三维的声成像图像。

2.1二维合成孔径声纳成像

(1)利用传感器数据对声学基阵接收的宽带信号进行运动姿态校准，采用可选的自聚焦算法(如切变平均自聚焦算法或阵元重叠相关自聚焦算法等)，进一步实现运动误差补偿处理。

(2)采用拷贝相关处理方法，进行宽带信号的脉冲压缩处理。

(3)采用可选的合成孔径图像重构算法(如ω-k频率波束域算法)，进行多阵元合成孔径处理。

对应于多排声学基阵分别进行上述处理，得到多幅(两幅或三幅)高分辨力(10cm×10cm)的在运动方向和斜距方向上的二维(方位、距离)复图像。

2.2宽带信号复相关处理测相位差的信号处理方法

(1)在一次发射期间，上下两排声学基阵的多阵元合成孔径处理输出的复图像本质上是两个宽带解析信号

和

直接作复互相关处理，

$r\left(i\right)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\hat{x}}_1{\left(n\right)}^{*}\×{\hat{x}}_2(n+i)---\left(1\right)$

式中n表示解析信号的样本序列，^*表示复共轭，i为两信号之间的整数样本延时，一般情况下取i＝0。

(2)通过估计其输出r(i)的复数相位值，得到宽带解析信号和

相位差：

$\mathrm{\φ}\left(i\right)={\mathrm{tg}}^{-1}\left[\frac{\mathrm{Im}\left(r\left(i\right)\right)}{\mathrm{Re}\left(r\left(i\right)\right)}\right]---\left(2\right)$

其中φ(i)的取值范围是[-π，π]。这种相位估计存在一个相位模糊问题，另一方面估计精度受信噪比影响。

(3)通过采用三排阵元实现相位去模糊处理。在偏离声学基阵法线方向较大的波束照射区域，测量上、下排声学基阵分别与中间排声学基阵的相对相位差，从而实现相位去模糊处理。

(4)通过发射宽频带的编码脉冲串信号得到独立的多次相位差测量值，进行统计平均，从而提高估计精度。

仿真研究结果表明，当两个宽带解析信号延时差小于半个信号周期时，它们的复相关输出的复数相位是线性变化的，仿真结果见附图3，其中宽带解析信号为带宽7.5kHz～15kHz线性调频信号，采样频率为125kHz。在100点左右相位变化是线性的。不仅如此，在一定范围内不同时刻的相关峰的时延加上相位补偿是不变的，等于真值。这种线性相位可以换算成延时估计，

$\mathrm{\τ}=\frac{\mathrm{\φ}\left(i\right)}{2\mathrm{\π}{f}_0}+i*\mathrm{\ΔT}=\frac{\mathrm{\φ}\left(0\right)}{2\mathrm{\π}{f}_0}---\left(3\right)$

式中，ΔT为采样间隔，f₀为信号中心频率。

2.3分裂阵相干测高

分裂阵相干测高原理如附图4所示，图中：α为声阵安装角度，L为分裂阵的声中心距离，H为声阵距海底高度，h为目标距海底高度，R为目标的水平距离，θ为目标方位与垂直阵法线夹角。声阵在XOZ平面内，沿Y轴方向运动。合成孔径三维声成像的相干测高处理流程框图见附图5。

分裂阵在垂直剖面形成两个等效声中心，利用它们接收的回波声程差来测量目标高度(称为相干测高，又称为计算到达方位角测高)。

通过两排阵列信号的相位差测量得到声程差，

(r2-r1)＝Cτ＝ΔΦ*λ/2π    (4)

式中，C为声速，ΛΔΦ为两排阵列信号的相位差。

由(r2-r1)≈L*sin(θ)，求解回波方位角θ，从而计算出目标高度(深度)，

(H-h)＝r*cos(θ+90-α)    (5)

可知，相干测高的测量误差：Δh≈R*Δ(r2-r1)/L。若设计声中心距离L＝24cm，可知当声程差测量误差小于0.24cm时，即满足测高分辨力为1％R的指标要求。与之相对应，要求相位差测量误差

ΔΦ＜360*Δ(r2-r1)/0.125＝7°。

宽带信号复相关处理测相位差方法比直接测时延的方法有更高的测量精度，比互谱法测相位的方法有更高的运算效率，特别是不需要对相关峰进行幅度判决，从而在小尺度阵计算目标到达方位角的应用中有着非常重要的实际意义。

3.合成孔径三维声成像试验结果

2005年4月在浙江莫干湖对合成孔径三维声成像进行了湖上试验验证，其中在比较平坦的湖底布置了一个工业煤气瓶制作的目标，可见三维声成像对目标探测是非常清晰。合成孔径三维声成像的分辨力：运动方向的方位分辨力为10cm；旁视方向的距离分辨力为7.5cm；垂直方向上的高度分辨力为10cm+距离的1％。

另外，合成孔径相干测高不同于一般的干涉测高，相干测高是在声波照射范围内逐点测量；而干涉测高是利用干涉条纹采估计相位差，并且一般仅对干涉条纹上的点进行高度测量。

Claims (2)

1.一种合成孔径三维声成像方法，其特征在于：主要包括以下步骤：

(1)、二维合成孔径声纳成像处理：

(1.1)、利用传感器数据对声学基阵接收的宽带信号进行运动姿态校准，采用可选的自聚焦算法，进一步实现运动误差补偿处理；

(1.2)、采用拷贝相关处理方法，进行宽带信号的脉冲压缩处理；

(1.3)、采用可选的合成孔径图像重构算法，进行多阵元合成孔径处理；

对应于多排声学基阵分别进行上述处理，得到多幅高分辨力的在运动方向和斜距方向上的二维复图像；

(2)、宽带信号复相关处理测相位差的信号处理：

(2.1)、在一次发射期间，上下两排声学基阵的多阵元合成孔径处理输出的复图像本质上是两个宽带解析信号

和

直接作复互相关处理，

$r\left(i\right)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\hat{x}}_1{\left(n\right)}^{*}\×{\hat{x}}_2(n+i)---\left(1\right)$

式中n表示解析信号的样本序列，^*表示复共轭，i为两信号之间的整数样本延时；

(2.2)、通过估计其输出r(i)的复数相位值，得到宽带解析信号

和

相位差：

$\mathrm{\φ}\left(i\right)={\mathrm{tg}}^{-1}\left[\frac{\mathrm{Im}\left(r\left(i\right)\right)}{\mathrm{Re}\left(r\left(i\right)\right)}\right]---\left(2\right)$

其中φ(i)的取值范围是[-π，π]；

(2.3)、通过采用三排阵元实现相位去模糊处理，在偏离声学基阵法线方向较大的波束照射区域，测量上、下排声学基阵分别与中间排声学基阵的相对相位差，

(2.4)、通过发射宽频带的编码脉冲串信号得到独立的多次相位差测量值，进行统计平均；

(3)、分裂阵相干测高：

通过两排阵列信号的相位差测量得到声程差，

(r2-r1)＝Cτ＝ΔΦ*λ/2π(4)

式中，C为声速，ΔΦ为两排阵列信号的相位差，r2和r1公别为上下阵元到达目标点的距离，τ表示线性相位；由(r2-r1)≈L*sin(θ)，求解回波方位角θ，L为分裂阵的声中心距离，从而计算出目标高度(深度)，

(H-h)＝r*cos(θ+90-α)(5)

其中H为声阵距海底高度，h为目标距海底高度，r目标到声阵的斜距，α为声阵安装角度。

2.根据权利要求1所述的合成孔径三维声成像方法，其特征在于：所述的声学基阵采用三排分裂的六元子阵的声学基阵设计，其中第一阵元是收发合置的换能器；三排阵元独立接收海底和目标的后向反射回波信号。

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