CN101782649B - 一种合成孔径声纳基阵速度估计系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种合成孔径声纳基阵速度估计的系统，该系统采用合成孔径声纳多子阵回波数据估计声纳基阵的速度，所述的系统包含如下单元：由多接收子阵组成的合成孔径声纳接收基阵；由单发射阵或多发射阵组成的合成孔径声纳发射基阵；合成孔径声纳发射机，用于驱动发射基阵发射水下声信号；接收机，用于对接收子阵接收到的声信号进行放大，滤波同时将模拟声信号数字化；及信号处理模块，所述的信号处理模块用于估算运动速度估计方法。本发明还提供一种合成孔径声纳基阵运动速度的估计方法，该系统和方法采用合成孔径声纳多子阵回波数据估计声纳基阵的速度，估计结果可以与其它传感器提供的速度进行融合以提高合成孔径声纳基阵运动速度的估计精度。

Description

一种合成孔径声纳基阵速度估计系统与方法

技术领域

本发明涉及水下声学成像领域，特别涉及一种合成孔径声纳基阵速度估计系统与方法。

背景技术

合成孔径声纳是一种高分辨率水下成像声纳，它的基本原理是利用小孔径基阵移动形成虚拟大孔径并通过信号处理的方法得到水下高分辨率图像。为了提高测绘效率，合成孔径声纳一般采用多子阵配置，多子阵相位中心位置的精确程度对于成像质量有较大的影响。另外，为了进行相位中心重叠运动补偿，也需要或得相位中心的精确位置。多子阵相位中心精确位置的获取与合成孔径声纳基阵的运动速度密切相关，目前一般采用其他测速设备获取合成孔径声纳基阵的运动速度（比如声多普勒测速仪）。一方面这些测速设备的价格比较昂贵，另外一方面测速设备的测速精度有时不能满足合成孔径成像系统的要求。

发明内容

本发明的目的在于，为了克服合成孔径成像质量较差，改善现有系统的不足，从而提出一种合成孔径声纳基阵速度估计的系统与方法。

为了实现上述目的，本发明提供的一种合成孔径声纳基阵速度估计的系统，该系统采用合成孔径技术多子阵回波数据估计声纳基阵的速度，所述的系统具体包含如下单元，如果所述的多个接收子阵的相位一致性存在差异时，通过适当的方法进行标定并在数据处理模块对相位进行补偿：

由多接收子阵组成的合成孔径声纳接收基阵，且所述的多接收子阵的长度，相位和性能保持一致；

由单发射阵或多发射阵组成的合成孔径声纳发射基阵；

合成孔径声纳发射机，用于驱动发射基阵发射水下声信号；

接收机，用于对接收子阵接收到的声信号进行放大，滤波同时将模拟声信号数字化；及

信号处理模块，所述的信号处理模块用于估算运动速度估计方法。

所述的多接收子阵与发射阵的中点位置为等效相位中心，通过等效相位中心将发射阵与接收子阵等效为一个收发合置的声纳基阵，单个发射阵与多接收子阵通过等效相位中心近似为多个收发合置的声纳基阵。其中，所述的发射基阵发射的水下声信号的形式根据系统要求设定。

所述的信号处理模块采用数字信号处理芯片、通用处理器或FPGA，完成声纳基阵运动速度的估计。

本发明还提供了一种合成孔径声纳基阵运动速度的估计方法，所述的方法包含如下步骤：

1)在发射机中设定系统参数，系统参数包括发射信号中心频率，信号带宽，信号形式，脉冲宽度，脉冲重复周期，最小采样距离，采样率，采样点数，发射阵宽度，接收子阵个数，接收子阵宽度；

2)获取连续两屏多子阵合成孔径声纳原始回波数据，前后两屏的编号分别为n-1和n，第n屏第i个接收子阵的原始回波数据表示为s_n,i(m)；

3)计算屏n-1与屏n多子阵回波数据的互相关系数矩阵；

第n-1屏第i个子阵与第n屏第j个子阵的互相关系数计算方法如下：

${\mathrm{cr}}_{i,j}\left(q\right)=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{s}_{n-1,i}\left(m\right)s_{n,j}(m-q)$

$c(i,j)=\frac{\max \left({\mathrm{cr}}_{i,j}\left(q\right)\right)}{\sqrt{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{s_i}^2\left(m\right)}\sqrt{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{s_j}^2\left(m\right)}}$

4)估计屏n-1与屏n重叠的等效相位中心对，具体包含如下步骤：根据户相关系数矩阵计算重叠等效相位中心对系数γ_i，

${\mathrm{\γ}}_i=\frac{1}{N-i+1}\underset{p=1}{\overset{N-i+1}{\mathrm{\Σ}}}c(p,i+p-1)$

寻找γ_i最大值对应的索引i_max，即i_max:max(γ_i)，此时可以确定重叠的等效相位中心对为：(1 i_max)，(2 i_max+1)，…，(P i_max+P-1)，重叠阵元的个数共有P=N-i+1个；

5)根据重叠等效相位中心对估计基阵移动速度，具体步骤如下：

声纳基阵由N个接收子阵组成，其中每个接收子阵在随阵坐标系的坐标为(l_i 0)，随阵坐标系在绝对坐标系中的位置为(O_x O_y)，假设第n-1屏各接收子阵的原始数据为s_n-1,i，第n屏各接收子阵的原始数据为s_n,i，则：

第n-1屏各接收子阵相位中心的位置为： ${\stackrel{\→}{r}}_i(n-1)=\left[\begin{array}{cc}{O}_x(n-1)& O_y(n-1)\end{array}\right]+l_i{\stackrel{\→}{d}}_{n-1}$

第n屏各接收子阵相位中心的位置为：

其中：O_x(n)=O_x(n-1)+v_x·prt  O_y(n)=O_y(n-1)+v_y·prt

假设第n-1屏的第k个阵元与第n屏的第j个阵元的等效相位中心重叠的话，则应当满足条件：

r_yk(n-1)=r_yj(n)

r_yk(n-1)=O_y(n-1)+l_kd_y,n-1

r_yj(n)=O_y(n-1)+v_y·prt+l_jd_y,n

$v_y=\frac{(l_k{d}_{y,n-1}-l_j{d}_{y,n})}{\mathrm{prt}};$

其中，M表示接收子阵的原始回波数据的采样长度，

为第n-1屏声纳基阵的方向矢量，r_yk(n-1)表示第n-1屏声纳基阵第k个相位中心的纵坐标，r_yj(n)表示第n屏声纳基阵第j个相位中心的纵坐标，prt为脉冲重复周期，v_x、v_y分别表示：随阵坐标系原点的在x方向的速度、随阵坐标系原点在y方向的速度；其中，随阵坐标系原点的坐标为(O_x O_y)，x方向为声纳基阵侧移方向，y方向为声纳基阵前进方向。

本发明的优点在于：该系统和方法可以采用合成孔径技术多子阵回波数据估计声纳基阵的速度，估计结果可以与其它传感器提供的速度进行融合以提高合成孔径声纳基阵运动速度的估计精度，提高合成孔径声纳成像质量。

附图说明

图1是本发明的一种合成孔径声纳基阵速度估计系统构成示意图；

图2是本发明的一种合成孔径声纳基阵速度估计方法流程图；

图3是本发明的重叠相位中心对与相关矩阵的关系图；

图4是本发明的合成孔径声纳发射阵与接收阵位置关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一种合成孔径声纳基阵速度估计系统与方法进行详细说明。

如附图1所示，本发明提供的一种合成孔径声纳基阵速度估计系统与方法包括：由多接收子阵组成的合成孔径声纳接收基阵；由单发射阵或多发射阵组成的合成孔径声纳发射基阵；合成孔径声纳发射机、接收机以及信号处理模块；本发明还包含一合成孔径声纳基阵运动速度估计方法，如附图2所示。

其中组成多个接收子阵的幅度和相位一致性应当一致，避免因为各个接收子阵的性能不一致对成像结果造成影响，特别是要保证多个接收子阵的相位一致性；如果多个接收子阵的相位一致性存在差异，应当通过适当的方法进行标定并在数据处理模块进行补偿。

其中多接收子阵的等效相位中心定义为发射阵与接收子阵的中点位置，通过等效相位中心可以将发射阵与接收子阵近似为一个收发合置的声纳基阵。这样，单个发射阵与多个接收子阵可以通过等效相位中心近似为多个收发合置的声纳基阵。

其中合成孔径声纳发射机用于驱动发射基阵发射水下声信号，水下声信号的形式可以根据系统要求设定；合成孔径声纳接收机用于对接收子阵接收到的声信号进行放大和滤波处理并将声信号通过AD模块转换为数字信号。

具体实施方式以100kHz合成孔径声纳系统为例进行说明。

（1）设定系统参数，系统参数包括发射信号中心频率100kHz，信号带宽20kHz，信号形式为线性调频信号，脉冲宽度为dur，脉冲重复周期为prt，最小采样距离为r_min，采样率为f_s，采样点数为NR，发射阵宽度为D_T厘米，接收子阵个数N个，接收子阵宽度为D_R等。发射阵在前进方向的前端，接收阵的编号顺序以距离发射阵近处为先，如图4所示。

（2）获取连续两屏多子阵合成孔径声纳原始回波数据，假设前后两屏的编号分别为n-1和n，假设第n屏第i个接收子阵的原始回波数据可以表示为s_n，i(m)。

（3）计算屏n-1与屏n多子阵回波数据的互相关系数矩阵；

第n-1屏第i个子阵与第n屏第j个子阵的互相关系数计算方法如下：

${\mathrm{cr}}_{i,j}\left(q\right)=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{s}_{n-1,i}\left(m\right)s_{n,j}(m-q)$

$c(i,j)=\frac{\max \left({\mathrm{cr}}_{i,j}\left(q\right)\right)}{\sqrt{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{s_i}^2\left(m\right)}\sqrt{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{s_j}^2\left(m\right)}}$

根据上述计算方法，可以计算互相关系数矩阵c。

（4）估计屏n-1与屏n重叠的等效相位中心对，如附图3所示；

根据户相关系数矩阵计算重叠等效相位中心对系数γ_i，

${\mathrm{\γ}}_i=\frac{1}{N-i+1}\underset{p=1}{\overset{N-i+1}{\mathrm{\Σ}}}c(p,i+p-1)$

寻找γ_i最大值对应的索引i_max，即i_max:max(γ_i)，此时可以确定重叠的等效相位中心对为：(1 i_max)，(2 i_max+1)，…，(P i_max+P-1)，重叠阵元的个数共有P=N-i+1个。

（5）根据重叠等效相位中心对估计基阵移动速度

假设发射阵中心与第一个接收阵中心的距离为t2r，根据接收阵的宽度计算等效相位中心在随阵坐标系中的坐标。

l_i=(t2r+(i-1)×D_R)/2

根据上述计算，每个接收子阵的等效相位中心在随阵坐标系的坐标为(l_i 0)，随阵坐标系在绝对坐标系中的位置为(O_x O_y)，假设第n-1屏各接收子阵的原始数据为s_n-1，i，第n屏各接收子阵的原始数据为s_n，i，则：

第n-1屏各接收子阵相位中心的位置为： ${\stackrel{\→}{r}}_i(n-1)=\left[\begin{array}{cc}{O}_x(n-1)& O_y(n-1)\end{array}\right]+l_i{\stackrel{\→}{d}}_{n-1}$

第n屏各接收子阵相位中心的位置为：

其中：O_x(n)=O_x(n-1)+v_x·prt    O_y(n)=O_y(n-1)+v_y·prt

假设第n-1屏的第k个阵元与第n屏的第j个阵元的等效相位中心重叠的话，则应当满足条件：

r_yk(n-1)=r_yj(n)

r_yk(n-1)=O_y(n-1)+l_kd_y,n-1

r_yj(n)=O_y(n-1)+v_y·prt+l_jd_y,n

$v_y=\frac{(l_k{d}_{y,n-1}-l_j{d}_{y,n})}{\mathrm{prt}}.$

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种合成孔径声纳基阵运动速度的估计方法，所述的方法包含如下步骤：

1）在发射机中设定系统参数，系统参数包括发射信号中心频率，信号带宽，信号形式，脉冲宽度，脉冲重复周期，最小采样距离，采样率，采样点数，发射阵宽度，接收子阵个数，接收子阵宽度；

2）获取连续两屏多子阵合成孔径声纳原始回波数据，前后两屏的编号分别为n-1和n，第n屏第i个接收子阵的原始回波数据表示为s_n,i(m)；

3）计算屏n-1与屏n多子阵回波数据的互相关系数矩阵；

第n-1屏第i个子阵与第n屏第j个子阵的互相关系数计算方法如下：

${\mathrm{cr}}_{i,y}\left(q\right)=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{s}_{n-1,i}\left(m\right)s_{n,j}(m-q);$

$c(i,j)=\frac{\max \left({\mathrm{cr}}_{i,j}\left(q\right)\right)}{\sqrt{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{s_i}^2\left(m\right)}\sqrt{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{s_j}^2\left(m\right)}};$

4）估计屏n-1与屏n重叠的等效相位中心对，具体包含如下步骤：

根据互相关系数矩阵计算重叠等效相位中心对系数γ_i，

${\mathrm{\γ}}_i=\frac{1}{N-i+1}\underset{p=1}{\overset{N-i+1}{\mathrm{\Σ}}}c(p,i+p-1);$

寻找γ_i最大值对应的索引i_max，即i_max:max(γ_i)，此时可以确定重叠的等效相位中心对为：(1i_max)，(2i_max+1)，…，(Pi_max+P-1)，重叠阵元的个数共有P＝N-i+1个；

5）根据重叠等效相位中心对估计基阵移动速度，具体步骤如下：

声纳基阵由N个接收子阵组成，其中每个接收子阵在随阵坐标系的坐标为(l_i0)，随阵坐标系在绝对坐标系中的位置为(O_xO_y)，假设第n-1屏各接收子阵的原始数据为s_n-1,i，第n屏各接收子阵的原始数据为s_n,i，则：

第n-1屏各接收子阵相位中心的位置为： ${\stackrel{\→}{r}}_i(n-1)=\left[\begin{array}{cc}{O}_x(n-1)& O_y(n-1)\end{array}\right]+l_i{\stackrel{\→}{d}}_{n-1};$

第n屏各接收子阵相位中心的位置为：

其中：O_x(n)＝O_x(n-1)+v_x·prtO_y(n)＝O_y(n-1)+v_y·prt;

假设第n-1屏的第k个阵元与第n屏的第j个阵元的等效相位中心重叠的话，则应当满足条件：

r_yk(n-1)＝r_yj(n)；

r_yk(n-1)＝O_y(n-1)+l_kd_y,n-1；

r_yj(n)＝O_y(n-1)+v_y·prt+l_jd_y,n；

最终得到估计基阵移动速度为：

$v_y=\frac{(l_k{d}_{y,n-1}-l_j{d}_{y,n})}{\mathrm{prt}};$

其中，M表示接收子阵的原始回波数据的采样长度，

为第n-1屏声纳基阵的方向矢量，r_yk(n-1)表示第n-1屏声纳基阵第k个相位中心的纵坐标，r_yj(n)表示第n屏声纳基阵第j个相位中心的纵坐标，prt为脉冲重复周期，v_x、v_y分别表示：随阵坐标系原点的在x方向的速度、随阵坐标系原点在y方向的速度；其中，随阵坐标系原点的坐标为(O_xO_y)，x方向为声纳基阵侧移方向，y方向为声纳基阵前进方向。

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