CN103576157A - 一种基于多维波形编码的合成孔径声纳成像方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明设计了一种基于多维波形编码的合成孔径声纳成像方法及系统，该方法基于方位向的时间、空间及频率域的多维波形编码，所述方法包含：步骤101）发射阵通过相控策略发射若干中心角和载频不同的窄波束信号，将发射的脉冲时宽分为若干个子脉冲，在不同子脉冲时间内利用发射波束形成策略控制波束指向使其照射不同子测绘带；步骤102）将多通道接收阵接收到的各子测绘带的多孔径数据分别进行脉冲压缩和方位向FFT，然后按照解模糊方法进行方位向空域滤波后，再采用成像算法进行聚焦成像。总之本发明的技术方案采用空间分集技术，可以在一个脉冲重复周期内获得更多的方位向空间采样，从而使测绘效率得到提高。本发明主要应用于水声成像领域。

Description

一种基于多维波形编码的合成孔径声纳成像方法及系统

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方位向多维波形编码的合成孔径声纳成像方法，该方法采用空间分集技术，可以在一个脉冲重复周期内获得更多的方位向空间采样，从而使测绘效率得到提高。具体涉及一种基于多维波形编码的合成孔径声纳成像方法及系统。

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。必须对传统的高分辨率成像声纳体制进行改进，才能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。

在合成孔径雷达（SAR）领域，为了提高星载合成孔径雷达的测绘带宽，突破传统的距离和方位向模糊导致的测绘效率的极限，上世纪九十年代，提出了采用多相位中心的DPCA系统，仅在接收方面提高了接收孔径，缺少提高发射功率来提高功率孔径积的方法。随着分辨率的提高，产生了一些新的技术，例如，分时发射信号，分时接收，对硬件系统的要求较低，但存在子脉冲与距离耦合的问题，影响了图像的质量。因此，和合成孔径声纳一样，基于单发射的合成孔径雷达系统也遇到了获取高功率孔径积和大信号带宽的问题。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。

本发明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，以及方位向多维编码产生大的等效孔径。本发明将多维波形编码技术应用到合成孔径声纳成像中，可以提高合成孔径声纳的探测效率。

发明内容

本发明的目的在于，为提高合成孔径声纳的测绘效率，本发明提供了一种基于多维波形编码的合成孔径声纳方法及系统。

为了实现上述目的本发明提供了一种基于多维波形编码的合成孔径声纳成像方法，该方法基于方位向的时间、空间及频率域的多维波形编码，所述方法包含：

步骤101）发射阵通过相控策略发射若干中心角不同的窄波束信号，将发射阵发射的脉冲时宽分为若干个子脉冲，在不同子脉冲时间内利用发射波束形成策略控制波束指向使其照射不同子测绘带；

步骤102）成像处理单元将多通道接收阵接收到的各子测绘带的多孔径数据分别进行脉冲压缩和方位向FFT，然后按照解模糊方法进行方位向空域滤波后，再采用成像算法进行聚焦成像。

上述技术方案中，在各个子脉冲时间内，多个子孔径同时发射信号，并通过相位加权控制波束指向使其照射不同的子测绘带。

上述技术方案中，所述解模糊算法采用静态权向量解模糊算法，利用多个等效相位中心的空间信息进行解多普勒模糊。

基于上述方法本发明还提供了一种基于多维波形编码的合成孔径声纳成像系统，该系统基于方位向多维波形编码策略，所述系统包含：

发射处理模块，用于通过相控方法使发射阵同时发射若干中心角和载频不同的窄波束信号，并将发射阵发射的脉冲时宽分为若干个子脉冲，在不同子脉冲时间内利用发射波束形成策略控制波束指向使其照射不同子测绘带；

成像处理模块用于将多通道接收阵接收到各子测绘带的多孔径数据分别进行脉冲压缩和方位向FFT，然后按照解模糊方法进行方位向空域滤波后，再采用成像算法进行聚焦成像。

上述技术方案中，所述发射处理模块进步一包含：

脉冲产生模块，用于将脉冲时宽分为若干个子脉冲，产生若干个中心角和载频不同的窄波束发射信号；

相控子模块，用于在不同子脉冲时间段内利用发射波束形成策略控制波束指向，使其照射不同子测绘带。

与现有技术相比，本发明的技术优势在于：

本发明将合成孔径声纳的发射阵通过相控分别发射中心角为θ₁,…,θ_L的窄波束信号，假设将脉冲时宽T_p分为L个子脉冲，每个子脉冲时间宽度为T_pl，不同子脉冲时间内利用发射波束形成控制波束指向使其照射不同子测绘带。这种采用空间分集技术的成像方式可以在一个脉冲重复周期内获得更多的等效相位中心，从而使测绘效率得到提高。

附图说明

图1为本发明所采用的方位向多维波形编码后的发射阵发射信号的示意图；

图2为本发明采用方位向波形编码序列高分辨成像时接收端成像时的信号处理流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明基于方位向多维波形编码的合成孔径声纳进行详细的说明。

一、首先，在发射端将合成孔径声纳的发射阵通过相控分别发射中心角为θ₁,…,θ_L的不同载频的窄波束信号，并将发射阵发射信号对应的脉冲时宽T_p分为L个子脉冲，每个子脉冲时间宽度为T_pl，不同子脉冲时间宽度内利用发射波束形成控制波束指向使其照射不同子测绘带。这种采用空间分集技术的成像方式可以在一个脉冲重复周期内获得更多的等效相位中心，从而使测绘效率得到提高。如图1所示，系统由相控发射阵和多通道接收阵构成，图中以多维波形编码信号三发多收为例。相控阵分别发射中心角为θ₁,…,θ_L的不同载频的窄波束信号，假设将发射脉冲时宽T_p分为L个子脉冲，每个子脉冲时间宽度为T_pl，不同子脉冲时间内利用发射波束形成控制波束指向使其照射不同子测绘带。

假设将脉冲时宽T分为L个子脉冲，每个子脉冲时间宽度为T_pl，不同子脉冲时间内利用发射波束形成控制波束指向使其照射不同子测绘带，在第l个子脉冲时间内，多个子孔径同时发射信号，通过相位加权控制波束指向使其照射第l个子测绘带，发射信号可表示为：

s(t)=A(θ_l)rect((t-ΔT_l)/T_pl)exp(j2πf_cl(t-ΔT_l)+jπγ(t-ΔT_l)²)   (1)

其中，其中θ_l为对应于第l个子测绘带场景中心线的方位角，ΔT_l=T_p1+…+T_pl为第l个子脉冲延时，A(θ_l)=sin(πLd(sinθ_l-sinθ)/2λ_l)/sin(πd(sinθ_l-sinθ)/2λ_l),γ为调频斜率；f_cl表示第l个子波束的载频；d为接收阵子阵元之间的的距离，λ_l载频f_cl对应的声波波长。

上述的多维是指空间，时间以及频率三个维度。

二、在接收端相应的信号处理流程图如图2所示，即将接收到的多孔径数据经过脉冲压缩，方位向FFT，然后按照下文所述的静态权向量解模糊方法进行方位向空域滤波后，即可用合适的成像算法进行聚焦成像。具体描述如下：

1、基于上述发射信号，在接收端第P号阵元接收的基带信号可表示为：

$s_p(t,t_m)=\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}A\left({\mathrm{\θ}}_l\right)\mathrm{rect}((t-\mathrm{\Δ}{T}_l-2R_{\mathrm{pl}}\left(t_m\right)/c)/T_{\mathrm{pl}})\mathrm{rect}((X_p+x-x_l)/L_a)$ (2)

$\×\exp \left(j2\mathrm{\π}{f}_{\mathrm{cl}}(-\mathrm{\Δ}{T}_l-2R_{\mathrm{pl}}\left(t_m\right)/c)\right)\exp \left(\mathrm{j\π\γ}{(t-\mathrm{\Δ}{T}_l-2R_{\mathrm{pl}}\left(t_m\right)/c)}^2\right)$

R_pl(tm)≈R_l(t_m)+D_p sinθ′_l为第P个等效相位中心到散射点（x_l，y_l）的瞬时斜距，

其中， $R_l\left(t_m\right)=\sqrt{{(X_0+{\mathrm{vt}}_m-x_l)}^2+{(Y_0-y_l)}^2},$ D_p=d(p-1)/2，θ′_l为对应于散射点（x_l，y_l）的方位视角，X_p表示第p个等效相位中心的方位向位置。L_a为合成孔径长度，c为水中的声速，t_m=kT_r为方位向时间，T_r为脉冲重复周期，(X₀,Y₀)表示波束中心指向目标时声纳的参考位置。

2、脉冲压缩所采用的匹配滤波处理为：

$s_p(t,t_m)\≈\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{A}^{\′}\left({\mathrm{\θ}}_l\right)\sin c\left((t-\mathrm{\Δ}{T}_l-2R_l\left(t_m\right)/c)\right)\mathrm{rect}((X_p+x-x_l)/L_a)$ (3)

$\×\exp (-j\frac{4\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_l}(-2R_{\mathrm{pl}}\left(t_m\right)/c))$

3、进行方位傅里叶变换，得到多普勒模糊信号为

(4)

其中，R_Bl为散射点（x_l，y_l）到航线的垂直距离，R_l(f_a)为散射点的瞬时斜距，f_aml=2v/λl为位于声纳正前方点目标的回波的最大多普勒，

为斜视角，

v为方位向速度。

为了实现大测绘带，一般选用较低的PRF（脉冲重复频率）。多发多收的声纳可以比单发多收的声纳采用更低的PRF，当PRF小于多普勒带宽时，多普勒谱就会出现混叠。模糊在一起的多普勒对应着不同的锥角，这样在频域上不可分的模糊频率在锥角上是可以分开的。

4、空域滤波解多普勒模糊的方法为：

由于本发明提出的新的基于多维波形编码的成像方式会带来方位向的多普勒模糊，因此接收阵需要进行相应的方位向空域滤波，即解模糊处理。

有三大类方法完成解模糊处理：第一类为静态权向量解模糊；第二类为自适应权向量解模糊；第三类为静态权和自适应权混合解模糊。这里采用静态权向量解模糊方法，实际上是利用多个等效相位中心的空间信息来解多普勒模糊。

定义矩阵：z(θ′_l)=[exp(-j4πD₁sinθ′_l/λ_l),…,exp(-j4πD_Psinθ′_l/λ_l)]^T,l=1,…,L，P为方位维子孔径数目：

取权向量：W_n=(H_nZ+)^H，这里，H_n=[h_1n,…,h_Ln]^T,h_l=1,h_n≠l=0，即在对应方位角θ_l位置上输出为1，而其他模糊的位置输出为0。

由

$S^{\′}={W_n}^{H}S=\sin c(t-\frac{2R_l}{c})\mathrm{rect}\left(\frac{f_{\mathrm{al}}{R}_{\mathrm{Bl}}}{\sqrt{f_{\mathrm{aml}}^2-f_{\mathrm{al}}^2}}\right)\exp (-j\frac{2\mathrm{\π}{f}_{\mathrm{al}}{x}_l}{v})---\left(5\right)$

$\×\exp (-j\frac{2\mathrm{\π}{R}_{\mathrm{Bl}}}{v}\sqrt{f_{\mathrm{aml}}^2-f_{\mathrm{al}}^2})H_n$

得到解模糊的信号。有了解模糊的数据就可以用聚焦算法进行成像。

多普勒模糊次数K必须要满足下列关系：K≤P，方位多普勒多可以解出P次模糊。

需要说明的是，以上介绍的本发明的实施方案而并非限制。本领域的技术人员应当理解，任何对本发明技术方案的修改或者等同替代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内。

Claims (5)

1.一种基于多维波形编码的合成孔径声纳成像方法，该方法基于方位向的时间、空间及频率域的多维波形编码，所述方法包含：

步骤101）发射阵通过相控策略发射若干中心角和载频不同的窄波束信号，将发射的脉冲时宽分为若干个子脉冲，在不同子脉冲时间内利用发射波束形成策略控制波束指向使其照射不同子测绘带；

步骤102）成像处理单元将多通道接收阵接收到各子测绘带的多孔径数据分别进行脉冲压缩和方位向FFT，然后按照解模糊方法进行方位向空域滤波后，再采用成像算法进行聚焦成像。

2.根据权利要求1所述的基于多维波形编码的合成孔径声纳成像方法，在各个子脉冲时间内，多个子孔径同时发射信号，并通过相位加权控制波束指向使其照射不同的子测绘带。

3.根据权利要求1所述的基于多维波形编码的合成孔径声纳成像方法，其特征在于，所述解模糊算法采用静态权向量解模糊算法，利用多个等效相位中心的空间信息进行解多普勒模糊。

4.一种基于多维波形编码的合成孔径声纳成像系统，该系统基于方位向多维波形编码策略，所述系统包含：

发射处理模块，用于通过相控方法使发射阵同时发射若干中心角不同的窄波束信号，并将发射阵发射的脉冲时宽分为若干个子脉冲，在不同子脉冲时间内利用发射波束形成策略控制波束指向使其照射不同子测绘带；

成像处理模块，用于将多通道接收阵接收到各子测绘带的多孔径数据分别进行脉冲压缩和方位向FFT，然后按照解模糊方法进行方位向空域滤波后，再采用成像算法进行聚焦成像。

5.根据权利要求4所述的基于多维波形编码的合成孔径声纳成像系统，其特征在于，所述发射处理模块进步一包含：

脉冲产生模块，用于将脉冲时宽分为若干个子脉冲，产生若干个中心角和载频不同的窄波束发射信号；和

相控子模块，用于在不同子脉冲时间段内利用发射波束形成策略控制波束指向，使其照射不同子测绘带。

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