CN107064911B - 一种多子阵合成孔径声纳运动误差补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多子阵合成孔径声纳运动误差补偿方法，该方法对各次独立的回波数据测量进行平均处理，从中提取出共同的运动误差信息，进而可以估计多子阵合成孔径声纳的侧摆误差。本发明提供的方法能够以较小的运算量估计出多子阵合成孔径声纳的侧摆误差，进而用以提高多子阵合成孔径声纳图像的聚焦质量。

Description

一种多子阵合成孔径声纳运动误差补偿方法

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运动误差补偿方法。

背景技术

合成孔径声纳进行图像重构的依据是多个脉冲信号间几何关系得到的收、发声程差，一般认为各脉冲间的声纳声程误差超过波长的八分之一时就会对重构的图像质量产生显著的影响。在实际应用中，风、浪、涌等自然环境因素以及船舶操纵性等人为因素都可以使声纳载体偏离理想航迹；不仅如此，水声介质的时间和空间起伏以及多径效应等因素也会导致声纳图像的聚焦效果变差。所以，对于高分辨合成孔径声纳系统来说，必须对运动过程中偏离理想航迹的声纳运动误差进行精确地估计和补偿，以达到减小甚至消除运动误差影响的目的。

运动补偿方法大致可以分为三种。一种是采用惯性导航设备所记录的各时刻声纳载体的运动状态来修正回波数据。第二种方法是先对各脉冲内多个接收阵元的回波数据进行成像处理，然后再从这些粗分辨的子图像中估计声纳的运动信息。最后一种就是从原始回波数据中直接提取声纳基阵的运动信息，并在合成孔径成像处理前预先完成回波数据的补偿。一般来说，导航设备可以提供精确的偏航和横滚等声纳系统转动信息，同时也能够提供稳健的侧摆和航向方向上的加速度信息；但高精度导航设备价格高昂，而低廉的导航设备又不能满足高分辨SAS系统所需要的亚波长精度要求，使得基于导航设备的运动补偿方法非常不经济和实用。而第二种方法运算量较大，实时性较差，一般适合于图像后处理。

发明内容

为解决上述技术问题，本申请实施例提供了一种多子阵合成孔径声纳运动误差补偿方法，其特征在于，包含如下步骤：

S1、对每个接收阵元的回波数据，进行距离向的脉冲压缩；

S2、针对空间上收发分置的每个接收阵元数据，进行收发合置的转换；

S3、对相邻两个脉冲内重叠的相位中心沿距离向求统计平均；

S4、对每个发射脉冲内缠绕的平均相位误差进行估计；

S5、对当前脉冲并含当前脉冲之前所估计出来的相位误差进行累加，以获得对应于当前脉冲无缠绕的相位误差；

S6、根据无缠绕的相位误差，估计时延误差；

S7、根据估计得到的时延误差，对各脉冲的回波信号进行修正；

S8、利用修正后的回波数据进行成像处理。

作为本发明的一个优选的技术方案，所述的步骤S2的收发合置转换，其相位补偿函数的计算公式如下：

对于收发阵元空间分置所导致的微距离徙动误差，采用插值方法予以校正，其中微距离徙动误差的表达式为：

其中r表示目标距离向坐标；v表示平台运动速度，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的子系统索引，d_i表示第i个子系统的收、发阵元间距，f_c表示所发射的宽频带信号中心频率。

作为本发明的一个优选的技术方案，所述的步骤S3的统计平均，其计算公式如下：

其中p表示所发射的第p个脉冲的索引；ss(τ,p)表示在第p个脉冲内经过脉冲压缩和收发合置转换处理后的数据；*表示复共轭操作；Σ表示求和运算；τ表示距离向快时间。

作为本发明的一个优选的技术方案，所述的步骤S4的缠绕平均相位误差，其计算公式如下：

其中Im表示取复数的虚部处理；Re表示取复数的实部处理；arctan表示表示反正切运算。

作为本发明的一个优选的技术方案，所述的步骤S5无缠绕相位误差，计算公式如下：

作为本发明的一个优选的技术方案，所述的步骤S6的时延误差，计算公式如下：

作为本发明的一个优选的技术方案，所述的步骤S7的回波信号的修正，计算公式如下：

H(f_t；p)＝exp{j2πf_tΔτ(p)}·exp{j2πf_cΔτ(p)}。

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：

能够以较小的运算量估计出多子阵合成孔径声纳的侧摆误差，进而用以提高多子阵合成孔径声纳图像的聚焦质量。

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为基于切向平均的误差估计流程。

图2为偏移相位中心方法几何示意图。

图3为谐波运动误差。

图4为未补偿误差前的成像结果。

图5为估计的运动误差。

图6为运动误差补偿后的成像结果。

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运动误差补偿方法，其特征在于，包含如下步骤：

S1、对每个接收阵元的回波数据，进行距离向的脉冲压缩；

S2、针对空间上收发分置的每个接收阵元数据，进行收发合置的转换；

S3、对相邻两个脉冲内重叠的相位中心沿距离向求统计平均；

S4、对每个发射脉冲内缠绕的平均相位误差进行估计；

S5、对当前脉冲并含当前脉冲之前所估计出来的相位误差进行累加，以获得对应于当前脉冲无缠绕的相位误差；

S6、根据无缠绕的相位误差，估计时延误差；

S7、根据估计得到的时延误差，对各脉冲的回波信号进行修正；

S8、利用修正后的回波数据进行成像处理。

其中，在本实施例中，所述的步骤S2的收发合置转换，其相位补偿函数的计算公式如下：

对于收发阵元空间分置导致的微距离徙动误差，采用插值方法予以校正，其中微距离徙动误差为：

其中r表示目标距离向坐标；v表示平台运动速度，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的子系统索引，d_i表示第i个子系统的收、发阵元间距，f_c表示所发射的宽频带信号中心频率。

其中，在本实施例中，所述的步骤S3的统计平均，其计算公式如下：

其中p表示所发射的第p个脉冲的索引；ss(τ,p)表示在第p个脉冲内经过脉冲压缩和收发合置转换处理后的数据；*表示复共轭操作；Σ表示求和运算；τ表示距离向快时间。

其中，在本实施例中，所述的步骤S4的缠绕平均相位误差，其计算公式如下：

其中Im表示取复数的虚部处理；Re表示取复数的实部处理；arctan表示表示反正切运算。

其中，在本实施例中，所述的步骤S5无缠绕相位误差，计算公式如下：

其中，在本实施例中，所述的步骤S6的时延误差，计算公式如下：

其中，在本实施例中，所述的步骤S7的回波信号的修正，计算公式如下：

H(f_t；p)＝exp{j2πf_tΔτ(p)}·exp{j2πf_cΔτ(p)}。

更为具体的：

如图2所示为偏移相位中心方法示意图，由8个接收阵元构成的多子阵合成孔径声纳系统。该系统的3个接收阵元数据用于成像处理，剩下的5个接收阵元数据用于运动补偿。通过选择合适的平台运动速度，使得发射第p个脉冲时接收基阵尾部的5个等效相位中心和第p+1个脉冲时接收基阵前端的5个等效相位中心重叠。当系统不存在运动误差时，这5个等效相位中心的回波数据对的回波数据完全一致。如果系统存在运动误差，那么第p个脉冲接收基阵尾部的5个等效相位中心和第p+1个脉冲时接收基阵前端的5个等效相位中心将不再重叠。

首先完成回波数据的脉冲压缩，然后基于相位中心近似方法，完成收发分置回波数据的收发合置转换，其相位误差补偿函数为：

而对于收发阵元空间分置导致的微距离徙动误差，可以采用插值方法予以校正，其中微距离徙动误差为：

其中r表示目标距离向坐标；v表示平台运动速度，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的子系统索引，d_i表示第i个子系统的收、发阵元间距，f_c表示所发射的宽频带信号中心频率。

对第p个脉冲和第p+1个脉冲内重叠的相位中心对沿距离向求统计平均：

其中p表示所发射的第p个脉冲的索引；ss(τ,p)表示在第p个脉冲内经过脉冲压缩和收发合置转换处理后的数据；*表示复共轭操作；Σ表示求和运算；τ表示距离向快时间。

在上一步骤的基础上，对每个发射脉冲内的相位误差进行估计，即：

其中Im表示取复数的虚部处理；Re表示取复数的实部处理；arctan表示表示反正切运算。

估计出对应于每一个脉冲的相位误差后，对当前脉冲(含当前脉冲)之前所估计出来的相位误差进行累加，以获得对应于当前脉冲无缠绕的相位误差，即

在获得相位信息后，便可以得到对应的时延误差，即

用估计得到的时延误差，对各脉冲的回波信号进行修正，其相位补偿函数为：

H(f_t；p)＝exp{j2πf_tΔτ(p)}·exp{j2πf_cΔτ(p)}。

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，进行回波仿真，在仿真中加入如图3所示的谐波运动误差，未进行运动误差补偿，采用基于相位中心近似的线频调变标成像算法进行成像处理，成像结果如图4所示；按照上述步骤估计运动误差，估计结果如图5所示；根据所估计的运动误差，对回波数据进行补偿后，采用基于相位中心近似的线频调变标成像算法进行成像处理，成像结果如图6所示，从中可以发现图像的聚焦质量得到了显著提高。

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 (1)

1.一种多子阵合成孔径声纳运动误差补偿方法，其特征在于，由8个接收阵元构成的多子阵合成孔径声纳系统，该系统的3个接收阵元数据用于成像处理，剩下的5个接收阵元数据用于运动补偿，通过选择合适的平台运动速度，使得发射第p个脉冲时接收基阵尾部的5个等效相位中心和第p+1个脉冲时接收基阵前端的5个等效相位中心重叠，当系统不存在运动误差时，这5个等效相位中心的回波数据对的回波数据完全一致，如果系统存在运动误差，那么第p个脉冲接收基阵尾部的5个等效相位中心和第p+1个脉冲时接收基阵前端的5个等效相位中心将不再重叠；

具体步骤包括：

S1、对每个接收阵元的回波数据，进行距离向的脉冲压缩；

S2、基于相位中心近似方法，完成收发分置回波数据的收发合置转换，其相位误差补偿函数为：

对于收发阵元空间分置导致的微距离徙动误差，可以采用插值方法予以校正，其中微距离徙动误差为：

其中r表示目标距离向坐标；v表示平台运动速度，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的子系统索引，d_i表示第i个子系统的收、发阵元间距，f_c表示所发射的宽频带信号中心频率；

S3、对第p个脉冲和第p+1个脉冲内重叠的相位中心对沿距离向求统计平均：

其中p表示所发射的第p个脉冲的索引；ss(τ,p)表示在第p个脉冲内经过脉冲压缩和收发合置转换处理后的数据；*表示复共轭操作；Σ表示求和运算；τ表示距离向快时间；

S4、对每个发射脉冲内的相位误差进行估计，即：

其中Im表示取复数的虚部处理；Re表示取复数的实部处理；arctan表示表示反正切运算；

S5、估计出对应于每一个脉冲的相位误差后，对当前脉冲(含当前脉冲)之前所估计出来的相位误差进行累加，以获得对应于当前脉冲无缠绕的相位误差，即

S6、在获得相位信息后，便可以得到对应的时延误差，即

S7、用估计得到的时延误差，对各脉冲的回波信号进行修正，其相位补偿函数为：

H(f_t；p)＝exp{j2πf_tΔτ(p)}·exp{j2πf_cΔτ(p)}；

S8、利用修正后的回波数据进行成像处理。

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