CN106772326A - 一种多子阵合成孔径声纳相位误差分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多子阵合成孔径声纳相位误差分析方法，包含以下步骤：针对每个接收阵元和发射阵元组成的子系统，计算双程斜距历程；针对每个接收阵元和发射阵元组成的子系统，基于数值分析方法计算相位驻留点；针对每个接收阵元和发射阵元所组成的子系统，基于数值分析方法的相位驻留点，计算二维频域系统函数；计算待评估模型的二维频域系统函数；针对每个接收阵元和发射阵元所组成的子系统，根据多子阵合成孔径声纳的方位空不变和距离空变特性，设置目标空间坐标；针对每个接收阵元和发射阵元所组成的子系统，在二维频域内计算相位误差，克服了传统成像模型或成像算法评估周期长、数值指标不够直观等问题。

Description

一种多子阵合成孔径声纳相位误差分析方法

技术领域

本发明属于信号处理领域，特别涉及一种多子阵合成孔径声纳相位误差分析方法。

背景技术

合成孔径声纳技术依靠小尺寸基元的匀速直线运动虚拟合成一副长度随探测距离成正比的大孔径基阵，通过空间不同位置采样信号的相干叠加得到与距离、频率无关的方位向高分辨率。而多子阵技术的采用更是解决了方位向高分辨和距离向测距之间的矛盾，使SAS技术开始真正走向工程实用化的道路。

成像算法是合成孔径声纳技术的核心技术，目前，国内外已有许多关于合成孔径声纳成像的几何模型，根据这些模型，就可以得到各种不同的成像算法。针对这些几何模型或者成像算法的优劣，国内外一般均依赖于名义分辨率、峰值旁瓣比和积分旁瓣比三个参数进行评价，这往往要历经目标回波仿真、目标成像处理和评估指标计算等步骤，性能评估周期较长，过程繁琐且相对于图形来说还不直观。另外，多子阵合成孔径声纳具有距离向空变特性，也就是说其二维频域相位误差具有距离向瞬时频率、方位向瞬时频率和距离三个自由度。目前，关于多子阵合成孔径声纳二维频域相位误差的分析方法，国内外还未见系统的报道。因此，开展包含距离向瞬时频率、方位向瞬时频率和距离三自由度的二维频域相位误差分析，对于各种成像几何模型或者成像算法性能优劣的分析以及成像算法后期研究的开展具有重要的实际意义。

发明内容

本发明的目的在于克服传统成像模型或成像算法评估周期长、数值指标不够直观等问题，提供一种多子阵合成孔径声纳相位误差分析方法，进而可根据各种模型的误差分析结果，有针对性地开展成像算法方面的研究工作。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种多子阵合成孔径声纳相位误差分析方法，包含以下步骤：

S1、针对每个接收阵元和发射阵元组成的子系统，计算双程斜距历程；

S2、针对每个接收阵元和发射阵元组成的子系统，基于数值分析方法计算相位驻留点；

S3、针对每个接收阵元和发射阵元所组成的子系统，基于数值分析方法的相位驻留点，计算二维频域系统函数；

S4、针对每个接收阵元和发射阵元所组成的子系统，计算待评估模型的二维频域系统函数；

S5、针对每个接收阵元和发射阵元所组成的子系统，根据多子阵合成孔径声纳的方位空不变和距离空变特性，设置目标空间坐标；

S6、针对每个接收阵元和发射阵元所组成的子系统，在二维频域内计算相位误差。

作为本发明的一个优选的技术方案，所述的步骤S2的相位驻留点计算公式如下：

其中v表示声纳载体的运动速度，c表示声波在水中的传播速度；i表示第i个接收阵元和发射阵元所组成子系统的索引，d_i表示第i个子系统的收、发阵元间距，表示对应于第i个子系统的相位驻留点；r表示目标斜距向的坐标；f_τ和f_t分别表示对应于距离向快时间τ与方位向慢时间t的瞬时频率。

作为本发明的一个优选的技术方案，所述的步骤S3的二维频域系统函数，其计算公式如下：

其中f_c表示宽频带信号的中心频率；P(f_τ)表示系统所发射宽频带信号频谱的相位；表示信号所经历的双程斜距历程。

作为本发明的一个优选的技术方案，所述的步骤S5的目标空间坐标的设置，其依据是多子阵合成孔径声纳的方位空不变和距离空变特性，从而在二维平面设置一系列方位坐标固定、距离向坐标空变的理性点目标。

作为本发明的一个优选的技术方案，所述的步骤S6的二维频域相位误差计算公式如下：

其中表示针对第i个子系统所设置的第n个空间理想点目标的距离向坐标；表示待评估成像模型的二维频域系统函数。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

克服了传统成像模型或成像算法图像聚焦性能评估周期长、数值指标不够直观等问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的二维频域相位误差计算流程。

图2为多子阵合成孔径声纳系统二维成像几何。

图3为收、发阵元最近时的二维频域相位误差。

其中(a)为斜距25米时的相位误差，(b)为斜距80米时的相位误差，(c)为斜距100米时的相位误差，(d)为斜距140米时的相位误差。

图4为收、发阵元最远时的二维频域相位误差。

其中(a)为斜距25米时的相位误差，(b)为斜距80米时的相位误差，(c)为斜距100米时的相位误差，(d)为斜距140米时的相位误差。

具体实施方式

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

如图1所示，本实施例所述的一种多子阵合成孔径声纳相位误差分析方法，包含以下步骤：

S1、针对每个接收阵元和发射阵元组成的子系统，计算双程斜距历程；

S2、针对每个接收阵元和发射阵元组成的子系统，基于数值分析方法计算相位驻留点；

S3、针对每个接收阵元和发射阵元所组成的子系统，基于数值分析方法所求得的相位驻留点，计算二维频域系统函数；

S4、针对每个接收阵元和发射阵元所组成的子系统，计算待评估模型的二维频域系统函数；

S5、针对每个接收阵元和发射阵元所组成的子系统，根据多子阵合成孔径声纳的方位空不变和距离空变特性，设置目标空间坐标；

S6、针对每个接收阵元和发射阵元所组成的子系统，在二维频域内计算相位误差。

其中，在本实施例中，所述的步骤S2的相位驻留点计算公式如下：

其中v表示声纳载体的运动速度，c表示声波在水中的传播速度；i表示第i个接收阵元和发射阵元所组成子系统的索引，d_i表示第i个子系统的收、发阵元间距，表示对应于第i个子系统的相位驻留点；r表示目标斜距向的坐标；f_τ和f_t分别表示对应于距离向快时间τ与方位向慢时间t的瞬时频率。

作为本发明的一个优选的技术方案，所述的步骤S3的二维频域系统函数，其计算公式如下：

其中f_c表示宽频带信号的中心频率；P(f_τ)表示系统所发射宽频带信号频谱的相位；表示信号历经的双程斜距历程。

其中，在本实施例中，所述的步骤S5的目标空间坐标的设置，其依据是多子阵合成孔径声纳的方位空不变和距离空变特性，从而设置一系列方位坐标固定、距离向坐标空变的空间理性点目标。

其中，在本实施例中，所述的步骤S6的二维频域相位误差计算公式如下：

其中表示针对第i个子系统所设置的第n个空间理想点目标的距离向坐标；表示待评估成像模型的二维频域系统函数。

更具体的，如图2所示为多子阵合成孔径声纳系统二维成像几何，声纳平台在以速度v前进的过程中，发射阵元同时向正侧方向以固定的脉冲重复频率发射与位置无关的宽频带信号；经过t时间后，发射阵在方位向的位置为vt，此时发射阵元与空间坐标为(0,r)理想点目标之间的距离R_T(t；r)为：

多接收阵的采用提高了传统合成孔径声纳系统的测绘速率，如果忽略声波传播时间τ^*内平台的运动，那将会导致方位向聚焦性能的下降以及距离向目标走动现象的发生；当波束较窄时，τ^*可用2r/c近似。不失一般性，在此仅考虑与发射阵相隔d_i的第i个接收阵元，那么点目标到接收阵的实际传播路径长度为：

信号所经历的双程斜距历程为：

发射信号的频谱为P(f_τ)，对于第i个接收阵元和发射阵元所组成的第i个子系统，根据相位驻留原理可得

即

采用数值分析方法中的二分法求解上式，便可得到对应于第i个子系统的相位驻留点依据所求解的相位驻留点计算二维频域系统函数为：

以待评估的Loffeld模型为例，针对第i个子系统，基于Loffeld模型的二维频域系统函数为：

根据多子阵合成孔径声纳的方位空不变和距离空变特性，在二维空间设置方位固定、距离空变的理想点目标，计算对应于第i个子系统距离空变的二维频域相位误差：

下面给出一组典型的合成孔径声纳系统参数：

依据所给出的典型参数，按照上述步骤，针对收、发阵元最近时的第1个子系统，不同斜距情况时的相位误差如图3所示；针对收、发阵元最远时的第32个子系统，不同斜距情况时的相位误差如图4所示，第三个关于距离的自由度可以分别联合图3或者图4中不同距离处的相位误差图得到。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种多子阵合成孔径声纳相位误差分析方法，其特征在于，包含以下步骤：

S1、针对每个接收阵元和发射阵元组成的子系统，计算双程斜距历程；

S2、针对每个接收阵元和发射阵元组成的子系统，基于数值分析方法计算相位驻留点；

S3、针对每个接收阵元和发射阵元所组成的子系统，基于数值分析方法的相位驻留点，计算二维频域系统函数；

S4、针对每个接收阵元和发射阵元所组成的子系统，计算待评估模型的二维频域系统函数；

S5、针对每个接收阵元和发射阵元所组成的子系统，根据多子阵合成孔径声纳的方位空不变和距离空变特性，设置目标空间坐标；

S6、针对每个接收阵元和发射阵元所组成的子系统，在二维频域内计算相位误差。

2.根据权利要求1所述的一种多子阵合成孔径声纳相位误差分析方法，其特征在于，所述的步骤S2的相位驻留点计算公式如下：

$\frac{v^2(t_i^{*}+d_i/v+2r/c)}{\sqrt{r^2+v^2{(t_i^{*}+d_i/v+2r/c)}^2}}+\frac{v^2{t}_i^{*}}{\sqrt{r^2+{\left({\mathrm{vt}}_i^{*}\right)}^2}}+\frac{{\mathrm{cf}}_t}{f_c+f_{\mathrm{\τ}}}=0$

其中v表示声纳载体的运动速度，c表示声波在水中的传播速度；i表示第i个接收阵元和发射阵元所组成子系统的索引，d_i表示第i个子系统的收、发阵元间距，表示对应于第i个子系统的相位驻留点；r表示目标斜距向的坐标；f_τ和f_t分别表示对应于距离向快时间τ与方位向慢时间t的瞬时频率。

3.根据权利要求1所述的一种多子阵合成孔径声纳相位误差分析方法，其特征在于，所述的步骤S3的二维频域系统函数，其相位计算公式如下：

${\mathrm{\φ}}_i(f_{\mathrm{\τ}},f_t;r)=-2\mathrm{\π}\frac{f_{\mathrm{\τ}}+f_c}{c}{R}_i(t_i^{*};r)-2{\mathrm{\πf}}_t{t}_i^{*}+P\left(f_{\mathrm{\τ}}\right)$

其中f_c表示宽频带信号的中心频率；P(f_τ)表示系统所发射宽频带信号频谱的相位；表示信号所历经的双程斜距历程。

4.根据权利要求1所述的一种多子阵合成孔径声纳相位误差分析方法，其特征在于，所述的步骤S5的目标空间坐标的设置，其依据是多子阵合成孔径声纳的方位空不变和距离空变特性，从而在二维平面设置一系列方位坐标固定、距离向坐标空变的理性点目标。

5.根据权利要求1所述的一种多子阵合成孔径声纳相位误差分析方法，其特征在于，所述的步骤S6的二维频域相位误差计算公式如下：

其中表示针对第i个子系统所设置的第n个空间理想点目标的距离向坐标；表示待评估成像模型的二维频域系统函数。