CN103576156A

CN103576156A - 一种基于频分mimo的合成孔径声纳成像系统及方法

Info

Publication number: CN103576156A
Application number: CN201210249380.3A
Authority: CN
Inventors: 段江涛; 黄勇; 刘纪元
Original assignee: Institute of Acoustics CAS
Current assignee: Institute of Acoustics CAS
Priority date: 2012-07-18
Filing date: 2012-07-18
Publication date: 2014-02-12

Abstract

本发明设计了一种基于频分MIMO的合成孔径声纳成像方法及系统，所述方法包含：步骤101）在N个接收阵前后两端各放置一个发射阵列，所述前后发射阵列共包含M个发射阵，所述发射阵同时向水下待成像目标发射信号，其中M取大于或等于2的整数；步骤102）将N个接收阵的每个阵元接收到的M个发射信号在频域分离，得到M元信号，再将所有接收阵阵元的M元信号用频谱搬移的方法移到一个共同的频带，得到N*M元的回波信号；步骤103）对得到的N*M元回波信号在方位向进行重排，分别对应到等效单波束合成孔径声纳的采样位置，最后对等效单波束信号，进行聚焦成像。所述发射阵随着基阵的移动，不同发射阵阵元所发射的信号的频带可根据运动补偿的需要交替变化。本发明可以在保持方位分辨率的情况下，进一步展宽测绘带从而提高测绘效率。

Description

一种基于频分MIMO的合成孔径声纳成像系统及方法

技术领域

本发明属于水声成像和声纳信号处理领域。本发明设计了一种基于频分MIMO的合成孔径声纳成像方法，该方法采用多收多发的成像体制，即本发明提供了一种基于频分MIMO的合成孔径声纳成像系统及方法。

背景技术

合成孔径声纳（Synthetic Aperture Sonar：SAS）是一种先进的高分辨率水声成像声纳，其基本原理是利用小孔径基阵在方位向的移动形成虚拟大孔径，通过对不同位置的声纳回波进行相干处理，从而获得方位向的高分辨率。

高分辨率成像声纳的成像效率是决定声纳能否实际应用的决定因素之一。比如，传统的合成孔径声纳在实际作业时，在一定的测绘带宽（比如单侧测绘带宽为150米）要求下，由于受到声纳体积的限制（作业时接收阵阵长通常不能超过1.6米），使得航行速度限制在6节以内。这往往很难满足探测任务的航行速度要求。比如舰船编队的航行速度通常达到18节，机载声纳的航行速度更快，这时，进行合成孔径成像时为满足方位向不丢帧，接收阵长要达到5米以上，显然这样的设备适装性很差，水下拖行的稳定性也很差，很难满足合成孔径成像的平台运动稳定性的要求。这就要求对传统的高分辨率成像声纳体制进行改进，在小孔径声纳约束下，在满足测绘带宽和成像分辨率的前提下，提高成像声纳的拖曳速度，满足探测使命要求。

在高分辨率成像声纳领域，为了提高成像质量，上世纪九十年代国外出现了称为多发射的合成孔径声纳系统。Thomson Marconi Sonar公司的一款合成孔径声纳IMBAT 3000以及随后iXSea公司的Shadows合成孔径声纳均采用了这种多发射/接收合成孔径技术。这两套合成孔径声纳系统有三套分置的发射阵，三套发射阵工作在不同频带。两侧发射阵发射信号的频带在不同信号帧时是交替变化的，这样可以增加相邻帧的重复阵元数，将可以进行DPC运动补偿的基阵最大运动速度由每帧1/4阵长变为每帧1/2阵长。但这两种合成孔径声纳，只利用了多发射合成孔径体制进行DPC运动补偿，并未用该体制进行合成孔径成像，即并未解决成像系统的测绘效率问题。

在合成孔径雷达（SAR）领域，近年来多输入多输出即MIMO技术逐渐受到重视，是解决功率孔径积的约束和提高成像系统测绘效率的新途径。G.Krieger等提出了基于多发射阵的多维波形编码SAR技术，同时利用了时间和空间维度获取了高功率孔径积。

目前国内现有的合成孔径声纳系统都是采用单发射阵多接收阵来进行成像，本发明首次采用频分MIMO的思想设计了一种多收多发的合成孔径声纳系统，该技术方案能够在小孔径声纳约束下，在满足测绘带宽和成像分辨率的前提下，提高成像声纳的拖曳速度，满足探测使命要求。

本发明相比于传统的单发多收系统，可以在保持方位分辨率的情况下，进一步展宽测绘带从而提高测绘效率，或在保持测绘带宽的情况下得到更高的方位分辨率。

发明内容

本发明的目的在于，为了提高合成孔径声纳成像时的测绘效率问题，本发明提供了一种基于频分MIMO的高测绘效率的合成孔径声纳成像方法及系统。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于频分MIMO的合成孔径声纳成像方法，所述方法包含：

步骤101）在N个接收阵前后两端各放置一个发射阵列，所述前后发射阵列共包含M个发射阵，所述发射阵同时向水下待成像目标发射信号，其中M取大于或等于2的整数；

步骤102）将各个接收阵元接收到的M个不同频带的发射信号在频域分离，得到M元信号，再采用频谱搬移的方法移到一个共同的频带，得到N*M元的回波信号；

步骤103）对得到的N*M元回波信号在方位向进行重排，分别对应到等效单波束SAS的采样位置，最后对等效单波束信号，进行聚焦成像。

上述技术方案中，所述发射阵随着基阵的移动，不同发射阵阵元所发射的信号的频带可根据运动补偿需要交替变化。

上述技术方案中，步骤103）对等效单波束信号采用ω-k或CS算法进行聚焦成像。

基于上述方法本发明还提供了一种基于频分MIMO的合成孔径声纳成像系统，该系统包含多个接收阵，其特征在于，所述系统包含：分别设置于多个接收阵的前后两端的多个发射阵和成像处理单元；

所述发射阵包含若干个阵元数，且各个阵元同时向水底待成像目标发射频带不同的信号；

所述接收阵用于接收待成像目标反射后的回波信号；

所述成像处理单元，先将各个接收阵元收到的M个不同频带的发射信号在频域分离，得到M元信号，再采用频谱搬移的方法移到一个共同的频带，得到N*M元的回波信号；然后在方位向进行重排，分别对应到等效单波束SAS的采样位置，最后对等效单波束信号进行聚焦成像。

上述技术方案中，对等效单波束信号采用ω-k或CS算法进行聚焦成像。

本发明所述的MIMO-SAS指多个阵元同时发射和接收信号，且通过基阵自身运动进行孔径合成的声纳成像体制。频分MIMO-SAS高分辨成像系统，通常配置成接收阵为等间隔分布的线阵，发射阵分为两组分别放置在接收阵的前后两端，每个发射阵发射的信号分别处于不同的频带，每组发射阵包含的发射阵元数量为1个到数个。

假设频分MIMO-SAS系统有M个发射阵，N个接收阵。在进行成像处理时，先将N元接收阵接收到的M个不同频带的发射信号在频域分离，并用频谱搬移的方法移到一个共同的频带，得到N*M元的回波信号。通过合理的选择信号的频带，可以使目标的散射特性在各发射信号的频谱间变化不大，该频带的具体选择可根据实验和相关文献资料确定。然后在方位向进行信号重排，分别对应到等效单波束合成孔径声纳的采样位置。最后对等效单波束信号，采用ω-k算法等进行聚焦成像。

与现有技术相比，本发明的技术优势在于：

现有的合成孔径声纳系统都是采用单发射阵多接收阵来进行成像。本发明采用频分MIMO的思想，设计了一种多收多发的合成孔径声纳成像系统及方法，它在接收阵的两端配置多个发射阵元，相比于传统的单发多收系统，可以在保持方位分辨率的情况下，进一步展宽测绘带从而提高测绘效率，或在保持测绘带宽的情况下得到更高的方位分辨率。

附图说明

图1为本发明采用的频分MIMO-SAS发射信号序列循环图以及等效相位中心图；

图2为本发明实施例提供的一种双发多收的频分MIMO-SAS系统及其等效相位中心示意图；

图3为本发明提供的频分MIMO-SAS高分辨成像流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明基于频分MIMO的高测绘效率的合成孔径声纳进行进一步的说明。

图1是本发明提供的频分MIMO-SAS的发射阵由两组构成，每组又有两个密排的发射阵。工作时，每个发射阵阵元发射的信号的频带互不相同，各个发射阵前一帧发射的信号与后一帧发射信号的频带的组成顺序按照基阵的移动如图1所示规律交替变化。图1描述的是一个四帧发射过程的发射信号序列交替变化图，图中每行四个的矩形表示4个发射阵阵元，每个发射阵阵元下的字母A、B、C、D代表各个阵元发射的不同的频带的信号；接下来每行三个的矩形表示接收阵阵元，接收阵阵元接收信号的相应的等效相位中心用小圆圈表示。

图2是一种双发多收的频分MIMO-SAS系统及其等效相位中心。它采用两个发射机（即发射阵阵元）进行信号发射，而两个发射机之间通过布放16个阵元进行信号接收。这种多发多收的布放易于实现，且能够将接收阵的测绘效率提高一倍左右。下面以它为例来详细的分析数据处理的方法。

图2中的位于接收阵前面和后面的发射机同时发射两个不同频带的LFM（线性调频）信号，16个接收阵元同时对它们接收的回波数据采样，由于使用了两个发射机，使接收阵的一个脉冲重复周期内获得的等效相位中心的数目增多一倍，其数目由原来的16个增长为32个。这里实际是以每帧中方位向空间采样的增加换取单位时间内采样帧数即PRF（脉冲重复频率）的降低。可以在保持方位分辨率的情况下，进一步展宽测绘带，或在保持测绘带宽的情况下得到更高的方位分辨率。

在进行成像处理时，先对16元接收阵的信号在频域分离，分别产生出2个不同频带的回波信号，然后它们通过频谱搬移搬到同一个频带，并将其排放在等效单波束系统的方位向位置上。最后对等效单波束信号，采用ω-k或CS算法进行声纳成像。总的信号处理流程如图3所示。

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

1.一种基于频分MIMO的合成孔径声纳成像方法，所述方法包含：

步骤102）将各个阵元接收到的M个不同频带的发射信号在频域分离，得到M元信号，再将所有接收阵阵元的M元信号用频谱搬移的方法移到一个共同的频带，得到N*M元的回波信号；

2.根据权利要求1所述的基于频分MIMO的合成孔径声纳，其特征在于，所述发射阵随着基阵的移动，不同发射阵阵元所发射的信号的频带根据运动补偿的需要交替变化。

3.根据权利要求1所述的基于频分MIMO的合成孔径声纳，其特征在于，步骤103）对等效单波束信号采用ω-k或CS算法进行聚焦成像。

4.一种基于频分MIMO的合成孔径声纳成像系统，该系统包含多个接收阵，其特征在于，所述系统包含：分别配置于多个接收阵的前后两端的多个发射阵和成像处理单元；

所述发射阵同时向水底待成像目标发射频带不同的信号；

所述接收阵用于接收待成像目标反射后的回波信号;

所述成像处理单元，将每个接收阵接收到的M个不同频带的发射信号在频域分离，得到M元信号，再采用频谱搬移的方法移到一个共同的频带，得到N*M元的回波信号；然后在方位向进行重排，分别对应到等效单波束SAS的采样位置，最后对等效单波束信号进行聚焦成像。

5.根据权利要求4所述的基于频分MIMO的合成孔径声纳成像系统，其特征在于，所述发射阵随着基阵的移动，不同发射阵阵元所发射的信号的频带根据运动补偿需要交替变化。

6.根据权利要求4所述的基于频分MIMO的合成孔径声纳成像系统，其特征在于，对等效单波束信号采用ω-k或CS算法进行聚焦成像。