CN102393520B - 基于目标回波多普勒特性的声纳运动目标成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种基于目标回波多普勒特性的声纳运动目标成像方法。对接收基阵中各个基元的回波数据进行带通滤波；对各个频点信号进行带通滤波，获得到各频点的带通数据；对各频点带通滤波后的数据进行正交解调，获得实信号的解析信号形式；对各频点正交解调后的回波数据进行切比雪夫加权和聚焦操作；利用FFT波束形成获得各频点极坐标系下的图像数据；对各个频点FFT波束形成后的图像数据进行插值合并，并利用扇形变换，将极坐标系下的图像转成符合人们视觉习惯的直角坐标系下的图像。本发明采用FFT波束形成，能够利用数字信号处理中的FFT算法实现，满足系统实时成像的要求。

Description

基于目标回波多普勒特性的声纳运动目标成像方法

技术领域

本发明涉及的是一种声纳成像方法，具体地说是基于回波多普勒特性的声纳成像方法。

背景技术

传统的二维声纳成像的方法是时延波束形成，这种方法不能把波束定义在任意方向上，如果想要把波束定义在一定的方向上，要求的ADC(即模拟信号到数字信号的转换器)的采样频率较高，需要的存储量会很大，在硬件实现上会很困难。针对时延波束形成以上的缺点，可以通过内插波束形成来避免高的采样率，如果想得到理想的内插效果，对内插滤波器的要求较高，计算量会很大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够满足系统实时成像的要求的基于目标回波多普勒特性的声纳运动目标成像方法。

本发明的目的是这样实现的：

(1)对接收基阵中各个基元的回波数据进行带通滤波；

(2)对各个频点信号进行带通滤波，获得到各频点的带通数据；

(3)对各频点带通滤波后的数据进行正交解调，获得实信号的解析信号形式；

(4)对各频点正交解调后的回波数据进行切比雪夫加权和聚焦操作；

(5)利用FFT(即快速傅立叶变换)波束形成获得各频点极坐标系下的图像数据；

(6)对各个频点FFT波束形成后的图像数据进行插值合并，并利用扇形变换，将极坐标系下的图像转成符合人们视觉习惯的直角坐标系下的图像。

本发明还可以包括：

1、所述的对接收基阵中各个基元的回波数据进行带通滤波是指对接收基阵的各个基元的回波数据进行FIR(即有限冲击响应)或者是IIR(即无限冲击响应)带通滤波处理。带通滤波器的下限频率和上限频率要根据发射信号的中心频率、目标运动所引起的回波信号的多普勒频移及接收机的带宽来确定。

2、所述的对各个频点信号进行带通滤波是指高速运动目标的回波信号已经不是单频信号而是一个宽带信号，因此窄带FFT波束形成已经不适用，需要将信号的频率范围分成M段，分别用带通滤波器滤出每段的信号，之后对每段信号分别进行窄带的FFT波束形成。

3、所述的正交解调因为实信号的傅里叶变换具有共轭对称性，因此成像时在对称的方位上会出现目标的虚影，而正交解调实质上是信号的希尔伯特变换，获得信号的解析表达式，解析信号的频谱是单边的，并能够完全描述原始信号，不会丢失任何信息。

4、所述的对正交解调后的回波数据进行切比雪夫加权是指对各个阵元接收信号的幅度进行加权，目的在于改善阵的方向性，降低旁瓣对主瓣的影响。聚焦是指正前方多点聚焦。这种方法适合声纳成像范围不是很大的情况下，设定基阵的尺度为L，目标距离为r，信号波长为λ，当r≤2L²/λ时，目标位于基阵近场，此时回波信号是按照球面波传播的，若直接对回波信号进行FFT波束形成，将会造成成像效果的恶化；此时需要对不同基元接收信号的相位进行补偿，以符合远场平面波的相位要求才能进行FFT波束形成。

5、所述的FFT波束形成的特点是能够用数字信号处理中的FFT算法实现。极坐标系下的目标图像是指图像的纵轴是距离信息R，横轴是目标的方位角度信息θ。

6、所述的插值合并是指对于512点FFT波束形成，扇面的开角为-52.8°-53.1°，将各个频点FFT波束形成后的角度索引经过线性插值到-45°-45°，0.5°间隔的范围上，之后将插值后的各个频点的成像数据在该角度范围上进行对应相加，得到总的输出的图像数据；所述的扇形变换是指极坐标与直角坐标之间的坐标转换，为了和现实的世界建立一种映射，方便人们观察，需要把图像从极坐标系下转换到直角坐标系下。

为实现本发明的目的，需要对基元数据进行带通滤波(步骤1)，带通滤波器的下限频率和上限频率要根据发射信号的中心频率、目标运动所引起的回波信号的多普勒频移及接收机的带宽来确定。例如当发射信号频率为f0，发射信号的过零点带宽为Δf，目标运动所造成的回波信号的多普勒频移为ξ(目标背向接收基阵运动时，ξ＜0；目标相向接收基阵运动时，ξ＞0)，则目标回波信号的频率变为f0+ξ，这里设定目标是背离接收基阵运动的，则ξ＜0，将各个基于的回波数据经过带通采样及量化处理后信号频率变为f₀′，目标回波信号的频率变为f₀′+|ξ|，|ξ|要满足|ξ|＞Δf，设定接收机的带宽为BW，则带通滤波器的下限频率为f₀′+Δf/2，上限频率为f₀′+BW/2。

为实现本发明的目的，对各个频点信号进行带通滤波(步骤2)，需要将信号的频率范围分成M段，分别用带通滤波器滤出每段的信号，带通滤波器的带宽可以取定为1kHz或2kHz，用Δf_bp表示，则第i段带通滤波器的下限频率为f₀′+Δf/2+(2*i-1)/2*Δf_bp，第i段带通滤波器的上限频率为f₀′+Δf/2+(2*i+1)/2*Δf_bp。

为实现本发明的目的，需要对基元数据进行正交解调(步骤3)，所述的正交解调是指将带通滤波后的基元数据与两个正交本振序列cosω₀n、sinω₀n相乘，再通过数字低通输出信号。

为实现本发明的目的，需要对回波数据进行切比雪夫加权(步骤4)。目的在于改善阵的方向性，降低旁瓣对主瓣的影响。还需要对回波数据进行正前方多点聚焦。以基阵的正前方为参考点，对于各个阵元的回波信号补偿一个相位差，这个相位差就是各个阵元对来自焦点位置的回波信号与参考点竖直位置的声程差d，焦点位置是基阵的正前方的声场，一般是在成像距离等间隔地取，补偿的方式就是把回波信号乘以exp(2πj*d/λ)。

为实现本发明的目的，需要对回波数据进行FFT波束形成(步骤5)。利用数字信号处理中的FFT算法获得距离R和目标方位角度θ间关系的极坐标系下的目标图像。

为实现本发明的目的，需要对各个频点FFT波束形成后的图像数据进行插值合并，对极坐标系下的图像数据进行扇形变换(步骤6)。目的在于和现实的世界建立一种映射，方便人们观察。

本发明的技术方案的核心为：对水下运动目标的回波数据进行成像处理并抑制多普勒的影响；对接收基阵中各个基元的回波数据进行带通滤波，滤除频率为发射信号中心频率的回波信号；再对带通滤波后的数据进行针对各个频点的带通滤波，得到各频点的带通数据，对各频点的带通数据分别进行常规成像处理，即进行正交解调，获得实信号的解析信号形式，对信号进行加权，抑制旁瓣的影响，对近场的回波数据进行聚焦，改善FFT波束形成在近场成像效果恶化的现象，采用能够满足实时成像的要求的FFT快速波束形成方法；对各个频点波束形成后的数据进行插值合并；最后进行扇形变换，将FFT波束形成后的极坐标系下的图像转成符合人们视觉习惯的直角坐标系下的图像。

本发明的特点是当水中体积混响与界面混响较强时，目标的反射被强目标所掩盖，因此常规的成像处理方法很难从强混响和目标散射背景中分辨出运动目标，由于目标是运动的，因此目标体散射的回波信号与混响信号以及静止物体回波信号之间存在着一等的频差，本发明正是基于该物理基础上对混响背景进行抑制，进而突出目标。

附图说明

图1是基于回波多普勒特性的声纳成像方法总流程图；

图2是常规成像处理方法流程图；

图3是正前方单波束聚焦波束形成几何关系图；

图4a是极坐标变换示意图，图4b是直角坐标变换示意图；

图5是扇形变换中插值算法示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

图1给出了基于回波多普勒特性的声纳成像方法流程图，基于回波多普勒特性的声纳成像方法包括以下步骤：(1)带通滤波；(2)各频点带通滤波；(3)各频点常规成像处理；(4)插值合并；(5)扇形变换。由图2可知常规成像处理包括以下步骤：(1)正交变换；(2)加权操作；(3)聚焦操作；(4)基于FFT的波束形成操作。经过带通采样和幅度量化后的各个基元的回波信号首先要经过带通滤波处理，带通滤波器的下限频率和上限频率要根据发射信号的中心频率、目标运动所引起的回波信号的多普勒频移及接收机的带宽来确定。例如当发射信号频率为f₀，发射信号的过零点带宽为Δf，目标运动所造成的回波信号的多普勒频移为ξ(目标背向接收基阵运动时，ξ＜0；目标相向接收基阵运动时，ξ＞0)，则目标回波信号的频率变为f₀+ξ，这里设定目标是背离接收基阵运动的，则ξ＜0，将各个基于的回波数据经过带通采样及量化处理后信号频率变为f₀′，目标回波信号的频率变为f₀′+|ξ|，|ξ|要满足|ξ|＞Δf，设定接收机的带宽为BW，则带通滤波器的下限频率为f₀′+Δf/2，上限频率为f₀′+BW/2。

对各个频点信号进行带通滤波是指高速运动目标的回波信号已经不是单频信号而是一个宽带信号，可知信号的频率范围是f₀′+Δf/2-f₀′+BW/2，因此窄带FFT波束形成已经不适用，需要将该频率范围分成M段，分别用带通滤波器滤出每段的信号，带通滤波器的带宽可以取定为1kHz或2kHz，用Δf_bp表示，则第i段带通滤波器的下限频率为f₀′+Δf/2+(2*i-1)/2*Δf_bp，第i段带通滤波器的上限频率为f₀′+Δf/2+(2*i+1)/2*Δf_bp。

实信号x(t)的傅里叶变换具有共轭对称性，即X(f)＝X^*(-f)，其正、负频率的幅度分量是对称的，相位分量是相反的，只需用其正频分量或负频分量就可完全描述x(t)，不会丢失任何信息，实信号的解析表达式正好符合此特点，设实信号x(t)的解析表达式为z(t)，则：

z(t)＝x(t)+j*H[x(t)]                        (1)

其中，H[x(t)]表示x(t)的Hilbert变换。由Hilbert变换的定义可知x(t)的解析表达式为

z(t)＝x(t)*cos(ω₀t)+j*x(t)*sin(ω₀t)          (2)

所以正交解调是只将带通滤波后的基元数据与两个正交本振序列cosω₀n、sinω₀n相乘，再通过数字低通输出信号。

由于接收基阵是等间隔的直线阵，最常用的幅度加权法是道夫-契比雪夫(Dolph-Chebyshev)加权。它可在要求的主旁瓣比下，获得等旁瓣级；在任意给定的旁瓣级下使主瓣宽度最窄；在给定主瓣宽下使旁瓣级最低。但是幅度加权得到的旁瓣级的降低是以主瓣宽度的增加为代价的，所以不能一味要求主旁瓣比，要在主旁瓣比和主瓣宽度之间做一个适当的折中。

声波在近场不是按照平面规律进行传播，根据经验，远场平面波近似在r≥L²/λ处开始有效，L为基阵尺寸，λ为信号波长。在近场使用FFT波束形成会带来严重的波束性能恶化。在近场，可认为声波是按照球面波规律传播，对于等间隔线阵，可以得到阵元m相对于阵中心由球面波而引起的相位差φ_m，在波束形成之前，对这个相位差φ_m进行补偿，就可以得到较好的波束形成效果，φ_m就是聚焦因子。本发明采用的是如图2所示的正前方单个波束聚集方法，s是参考点，沿声轴方向距离阵中心r₀处，近场波阵面为球面，可以利用几何关系计算得到基阵任意阵元与参考点的声程差φ₁，φ₂，φ₃，·，φ_m，按照波束形成的基本原理：对各阵元接收的信号进行时延或相移补偿，使各阵元信号在正前方方向上形成同相相加，在波束形成时先把这些声程差补偿回来，φ₁，φ₂，φ₃，·，φ_m被称作聚焦校正因子。

一个N元等间隔直线阵阵元间隔为d，当接收信号为单频或窄带信号时，基阵第i号阵元的输出信号可用复数表示为：

(i＝0，1，·，N-1)          (3)

其中

为相邻阵元接收信号间的相位差，θ为信号入射方向与基阵法线之间的夹角，w_i为基阵各阵元的幅度加权系数，ω为信号角频率，λ为信号波长。忽略时间因子，记阵元输出为：

如果在相邻阵元间插入相移β_r，则基阵第i号阵元的输出信号变为：

阵输出为：

忽略时间因子，阵输出为：

$\mathrm{Br}=\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{e}^{-\mathrm{ji}{\mathrm{\β}}_r}---\left(7\right)$

如果取

(7)式就可以化为：

$\mathrm{Br}=\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{e}^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{N}\·i\·r}---\left(8\right)$

式(8)实际上是离散傅立叶变换的形式，因此计算一个等间隔直线阵各波束输出值就等价于计算各阵元的输出信号x_i的离散傅立叶变换。

对各个频点波束FFT波束形成后的数据进行插值合并，对于512点FFT波束形成，扇面的开角为-52.8°-53.1°，将各个频点FFT波束形成后的角度索引经过线性插值到-45°-45°，0.5°间隔的范围上，之后将插值后的各个频点的成像数据在该角度范围上进行对应相加，得到总的输出的图像数据；FFT波束形成之后得到的是(θ，r)极坐标系下的图像，为了方便观察需要将极坐标系下的图像转换成直角坐标系下的图像，如图3所示，

$r=\sqrt{x^2+y^2}---\left(9\right)$

θ＝arctg(y/x)                        (10)

由公式(9)、(10)可以找到直角坐标系下的像素点n(就是图2中的网格交叉点)在极坐标系下对应像素点m，如果m正好落在极坐标系下的栅格中，采用插值算法求出m点的值，此值就是像素点n的值；如果m落在极坐标系的栅格交叉点上，则极坐标下栅格交叉点的值就是像素点n的值。对于插值算法如图4所示，本发明采用的是最近邻域插值，它输出的像素值等于距离它映射道德位置最近的输入像素值。对于二维图像，该法是取代采样点周围4个相邻像素点中距离最近的1个邻点的灰度值作为改点的灰度值。插值公式：

f(i+u，j+v)＝f(i，j)                (11)

其中i，j为非负整数，u，v为[-0.5，0.5)的浮点数，f(i，j)表示源图像的像素值，f(i+u，j+v)表示所求的像素点的像素值。

Claims (5)

1.一种基于目标回波多普勒特性的声纳运动目标成像方法，其特征是包括如下步骤：

（1）对接收基阵中各个基元的回波数据进行带通滤波；

（2）对各个频点信号进行带通滤波，获得各频点的带通数据；具体方法为：将信号的频率范围分成M段，分别用带通滤波器滤出每段的信号，之后对每段信号分别进行窄带的FFT波束形成；

（3）对各频点带通滤波后的数据进行正交解调，获得实信号的解析信号形式；

（4）对各频点正交解调后的回波数据进行切比雪夫加权和聚焦操作；

（5）利用FFT波束形成获得各频点极坐标系下的图像数据；

（6）对各个频点FFT波束形成后的图像数据进行插值合并，并利用扇形变换，将极坐标系下的图像转成符合人们视觉习惯的直角坐标系下的图像。

2.根据权利要求1所述的基于目标回波多普勒特性的声纳运动目标成像方法，其特征是：所述的对接收基阵中各个基元的回波数据进行带通滤波是指对接收基阵的各个基元的回波数据进行FIR或者是IIR带通滤波处理。

3.根据权利要求1或2所述的基于目标回波多普勒特性的声纳运动目标成像方法，其特征是：所述的对正交解调后的回波数据进行切比雪夫加权是指对各个基元接收信号的幅度进行加权，所述聚焦是指正前方多点聚焦。

4.根据权利要求1或2所述的基于目标回波多普勒特性的声纳运动目标成像方法，其特征是：所述的插值合并是指对于512点FFT波束形成，扇面的开角为-52.8°～53.1°，将各个频点FFT波束形成后的角度索引经过线性插值到-45°～45°,0.5°间隔的范围上，之后将插值后的各个频点的成像数据在该角度范围上进行对应相加，得到总的输出的图像数据；所述的扇形变换是指极坐标与直角坐标之间的坐标转换。

5.根据权利要求3所述的基于目标回波多普勒特性的声纳运动目标成像方法，其特征是：所述的插值合并是指对于512点FFT波束形成，扇面的开角为-52.8°～53.1°，将各个频点FFT波束形成后的角度索引经过线性插值到-45°～45°,0.5°间隔的范围上，之后将插值后的各个频点的成像数据在该角度范围上进行对应相加，得到总的输出的图像数据；所述的扇形变换是指极坐标与直角坐标之间的坐标转换。

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