CN107367722B - 一种减小dpc法累积误差的合成孔径声呐运动补偿方法 - Google Patents

一种减小dpc法累积误差的合成孔径声呐运动补偿方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种减小DPC法累积误差的合成孔径声呐运动补偿方法，包括：合成孔径声呐接收回波信号，在一个完整的合成孔径长度内对方位向合成孔径做孔径划分，得到多个子孔径，每个子孔径内包含有若干乒回波信号；在子孔径内采用DPC法进行各乒间回波信号的运动误差估计和补偿；在各子孔径间，通过子孔径图像数据相关估计出各子孔径之间的运动误差并补偿；该步骤进一步包括：求取子孔径图像间的匹配点；基于匹配点做误差估计与补偿；将估计出的误差补偿进原始回波数据中或用于修正成像网格。

Description

一种减小DPC法累积误差的合成孔径声呐运动补偿方法
技术领域
本发明涉及声呐运动补偿方法，特别涉及一种减小DPC法累积误差的合成孔径声呐运动补偿方法。
背景技术
合成孔径声呐(Synthetic Aperture Sonar：SAS)利用小尺寸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呐回波信号进行相干处理，从而获得高分辨率的声呐图像。运动误差对合成孔径声呐成像的影响较大，产生运动误差主要因素包括风浪水流的影响，载体平台运动的不规则，声传播介质的不稳定和声速的非均匀及定位传感器GPS和速度传感器ADL的精度不够等等，运动误差估计和补偿是合成孔径声呐信号处理的重要组成部分之一。合成孔径声呐(SAS)在运动中成像时，一般要保证单程的声程误差小于1/8倍发射声波的波长；实际中由于难以避免的运动误差的影响，经常难以满足上述限制而使得回波相干性下降和图像质量变差，需要采用一定运动补偿方法来减小声程误差。
大部分SAS系统都采用基于声呐回波数据的运动补偿方法或者采用基于声呐回波数据和水下导航设备的联合运动补偿方法。水下导航设备一般精度有限或者价格极为昂贵，实际中一般都要优先考虑基于回波数据的运动补偿。典型的基于回波数据的运动误差估计方法是相位中心重叠法(Displaced Phase Center,DPC)，但它在实际应用中存在的主要问题是孔径合成较长时，随着方位向累积时间的增长，累积误差较大而导致精度有限，严重时该方法会失效。
发明内容
本发明的目的在于克服已有的声呐运动误差估计方法累积误差较大、精度有限的缺陷，从而提供一种能有效提高精度的合成孔径声呐运动补偿方法。
为了实现上述目的，本发明提供了一种减小DPC法累积误差的合成孔径声呐运动补偿方法，包括：
步骤1)、合成孔径声呐接收回波信号，在一个完整的合成孔径长度内对方位向合成孔径做孔径划分，得到多个子孔径，每个子孔径内包含有若干乒回波信号；
步骤2)、在子孔径内采用DPC法进行各乒间回波信号的运动误差估计和补偿；
步骤3)、在各子孔径间，通过子孔径图像数据相关估计出各子孔径之间的运动误差并补偿；该步骤进一步包括：
步骤3-1)、求取子孔径图像间的匹配点；
步骤3-2)、基于步骤3-1)得到的匹配点做误差估计与补偿；
步骤3-3)、将估计出的误差补偿进原始回波数据中或用于修正成像网格。
上述技术方案中，在所述的步骤3-1)中，通过对子孔径图像做相关运算来确定子孔径图像间的匹配点，或采用图像特征匹配方法在两幅子孔径图像上找到匹配点。
上述技术方案中，在所述步骤3-1)中，通过对子孔径图像做相关运算来确定子孔径图像间的匹配点进一步包括：
步骤3-1-1)、对FFBP成像处理中两幅含有M×N个像素的子孔径图像进行相关运算，所得到的相关系数用于两幅子孔径图像及对应像素的相关性评价；
步骤3-1-2)、基于步骤3-1-1)所得到的相关系数，选择相关性较好的子孔径图像进行下一步的处理；
步骤3-1-3)、求取步骤3-1-2)所得到的子孔径图像之间的匹配点。
上述技术方案中，在步骤3-1-1)中，所述相关系数为互相关系数；针对成像场景中的同一块区域，子孔径Lsubn和Lsubn+1对应的子孔径图像分别为In和In+1，设In和In+1之间的互相关系数矩阵为C，该矩阵包含有多个互相关系数，这些互相关系数用下列公式表示：
其中，M、N分别是子孔径图像的行和列，M×N表示子孔径图像的像素数目；p和q为分别计算像素的互相关时的两幅图像上相应的像素位置偏移量，p为求互相关时表示In+1里的像素偏移In里的像素的行数，q表示偏移的列数。
上述技术方案中，所述步骤3-2)进一步包括：
步骤3-2-1)、建立极坐标成像网格，所述子孔径图像上的图像位于该极坐标成像网格上；
步骤3-2-2)、进行适当插值后，步骤3-1)所得到的W对匹配点可得到W个Δr值，即关于导航误差e和f的W个方程；
插值后相邻像素的距离间隔和相邻像素的角域间隔尽量满足下式：
其中，Δr表示相邻像素的距离间隔，Δθ表示像素的角域间隔，c为声速，B为发射信号的带宽，l为该局部极坐标成像网格所对应的孔径长度；
Δr＝r1-r2＝-(xe+yf)/r1；
r1为子孔径Lsubn的等效相位中心到散射点(x,y,z)的声程，其表达式为：
x为方位向坐标，y为距离向坐标，z为深度；
r2为孔径Lsubn+1的等效相位中心到散射点(x,y,z)的声程，其表达式为：
步骤3-2-3)、对反射强度大和相关性表现好的匹配点赋予更大的权重；其中，反射强度大是指相应匹配点的像素值大，相关性表现好是指相应匹配点的相关系数值大；
步骤3-2-4)、在子孔径图像中找出两对或更多有一定分离度的且权重较大的匹配点，通过联立它们对应于Δr的方程组，求出导航误差e和f的加权最小二乘估计；其中，所述分离度用于描述像素点在图像上分散分布的状况，所述一定分离度需要根据实际成像环境确定具体的值。
上述技术方案中，在步骤1)中还包括：对合成孔径声呐所接收的回波信号剔除数值异常的野值。
上述技术方案中，在步骤3)中，相邻子孔径间各沿着距离向选择多幅分解出的子孔径图像进行误差的估计。
本发明的优点在于：
本发明可以减小DPC方法在运动补偿时的误差累积问题，提高SAS成像系统的运动误差补偿的精确性和稳健性。
附图说明
图1为子孔径图像示意图；
图2为DPC法和子孔径图像相关法联合的运动补偿方法流程图。
具体实施方式
现结合附图对本发明作进一步的描述。
本发明的合成孔径声呐运动补偿方法包括以下步骤：
步骤1)、合成孔径声呐接收回波信号，在一个完整的合成孔径长度内对方位向合成孔径做孔径划分，得到多个子孔径，每个子孔径内包含有若干乒回波信号；
在本步骤中，划分子孔径时，所划分子孔径的大小(即子孔径内包含有多少乒回波)决定了子孔径图像的分辨率，而子孔径图像的分辨率又会对估计精度有影响，当图像分辨率过低时，误差可能有一部分是分辨率不足带来的；当分辨率过高时，图像区域过小，有时不一定能找到数量和质量满意的散射点。因此，对于子孔径的大小要根据实际情况进行优化选择。子孔径的大小和声呐系统的参数有关，一般划分的子孔径要至少含有4——6乒回波，或者划分的子孔径占一个合成孔径长度的六分之一到四分之一左右。
步骤2)、在子孔径内采用DPC法进行各乒间回波信号的运动误差估计和补偿；
步骤3)、在各子孔径间，通过子孔径图像数据相关估计出各子孔径之间的运动误差并补偿。
以上是本发明的合成孔径声呐运动补偿方法的总体描述。其中的步骤2)的实现方法为本领域技术人员的公知常识，因此不在本申请中做详细说明，下面对步骤3)的实现过程做进一步的陈述。
所述步骤3)可进一步包括：
步骤3-1)、求取子孔径图像间的匹配点。
该步骤的实现可以有多种实现方式，如可以通过对子孔径图像做相关运算来确定匹配点，又如采用一定图像特征匹配方法如基于尺度不变特征变换(SIFT)法在两幅子孔径图像上找到匹配点。
下面以对子孔径图像做相关运算来确定匹配点为例，对相关步骤做进一步描述。
步骤3-1-1)、对FFBP成像处理中两幅含有M×N个像素的子孔径图像进行相关运算，所得到的相关系数用于两幅子孔径图像及对应像素的相关性评价；
例如，如图1所示，假设针对成像场景中的同一块区域，子孔径Lsubn和Lsubn+1对应的子孔径图像分别为In和In+1，设In和In+1之间的互相关系数矩阵为C，该矩阵包含有多个互相关系数，这些互相关系数用下列公式表示：
其中，M、N分别是子孔径图像的行和列，M×N表示子孔径图像的像素数目；p和q为分别计算像素的互相关时的两幅图像上相应的像素位置偏移量，p为求互相关时表示In+1里的像素偏移In里的像素的行数，同理，q表示偏移的列数。
步骤3-1-2)、基于步骤3-1-1)所得到的相关系数，选择相关性较好的子孔径图像进行下一步的处理；
以步骤3-1-1)中所列举的互相关系数矩阵C为例，选择互相关系数矩阵C中包含的互相关系数的中位数在可接受范围内的子孔径图像进行下一步的处理；其中，所述可接受范围可根据现场实际试验后测定，比如参考值为0.4-0.7。
步骤3-1-3)、求取步骤3-1-2)所得到的子孔径图像之间的匹配点。
根据两幅子孔径图像上的像素及其周围像素点的相关系数进行比对找到W对匹配点。
步骤3-2)、基于步骤3-1)得到的匹配点做误差估计与补偿。
假设子孔径Lsubn的等效相位中心位于(0,0)，而孔径Lsubn+1的等效相位中心实际位于(p,q)；但由于导航系统存在测量误差，如GPS设备的定位信息或速度传感器ADL测量的方位速度值精度有限，错误的认为Lsubn+1的等效相位中心(p+e,q+f)；其中e是方位向的导航误差，f是距离向的导航误差。
FFBP的子孔径图像是对从等效相位中心出发照射到成像区域目标的后向散射回波进行波束形成的结果，在绘制子孔径图像的图像网格时，Lsubn+1等效相位中心(p,q)会被重置为等效相位中心原点(0,0)；成像中的载体的正常预期运动不会对波束形成造成影响，造成影响的是系统的导航系统存在测量误差(e,f)，它会对图像网格的绘制产生偏移，导致最终图像存在失真。
对于成像场景中的一点(x,y,z)，x为方位向坐标，y为距离向坐标，z为深度，子孔径Lsubn的等效相位中心到该散射点的声程为：
孔径Lsubn+1的等效相位中心到该散射点的声程为：
则Δr＝r1-r2＝-(xe+yf)/r1 (4)
注意在上式中已经去除了孔径Lsubn和Lsubn+1的等效相位中心正常的偏移量(p,q)的影响；实际中用传感器测量值(p+e,q+f)代替，由于分母r1一般较大，产生的估计误差很小。
基于上述内容，所述步骤3-2)可进一步包括：
步骤3-2-1)、建立极坐标成像网格，所述子孔径图像上的图像位于该极坐标成像网格上；
步骤3-2-2)、进行适当插值后，步骤3-1)所得到的W对匹配点可得到W个Δr值，即关于导航误差e和f的W个方程。
插值后相邻像素的距离间隔和相邻像素的角域间隔尽量满足式(5)：
其中，Δr表示相邻像素的距离间隔，Δθ表示像素的角域间隔，c为声速，B为发射信号的带宽，l为该局部极坐标成像网格所对应的孔径长度，λmin为最小波长。
步骤3-2-3)、对反射强度大和相关性表现好的匹配点赋予更大的权重；其中，反射强度大是指相应匹配点的像素值大，相关性表现好是指相应匹配点的相关系数值大。
步骤3-2-4)、在子孔径图像中找出两对或更多有一定分离度的且权重较大的匹配点，就可以通过联立它们对应于式(4)的方程组，求出导航误差e和f的加权最小二乘估计。其中，所述分离度用于描述像素点在图像上分散分布的状况，所述一定分离度需要根据实际成像环境确定具体的值。
步骤3-3)、将估计出的误差补偿进原始回波数据中或用于修正成像网格。
作为一种优选实现方式，由于成像中声传播环境的复杂，为了提高该误差估计算法的稳健性，在步骤1)中，对合成孔径声呐所接收的回波信号要注意剔除一些数值异常的野值；野值的判定可以根据实际数据处理经验进行设定，或者采用一些聚类算法来自动设定。
作为一种优选实现方式，SAS系统的工作水深特别深测绘带较大造成的运动误差距离向的空变性问题突出时，可以采用类似于分段DPC的方法，即在步骤3)中，在FFBP处理的成像区域分解过程中，相邻子孔径间各沿着距离向选择多幅分解出的子孔径图像进行误差的估计。
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 (7)

1.一种减小DPC法累积误差的合成孔径声呐运动补偿方法，包括：
步骤1)、合成孔径声呐接收回波信号，在一个完整的合成孔径长度内对方位向合成孔径做孔径划分，得到多个子孔径，每个子孔径内包含有若干乒回波信号；
步骤2)、在子孔径内采用DPC法进行各乒间回波信号的运动误差估计和补偿；
步骤3)、在各子孔径间，通过子孔径图像数据相关估计出各子孔径之间的运动误差并补偿；该步骤进一步包括：
步骤3-1)、求取子孔径图像间的匹配点；
步骤3-2)、基于步骤3-1)得到的匹配点做误差估计与补偿；
步骤3-3)、将估计出的误差补偿进原始回波数据中或用于修正成像网格。
2.根据权利要求1所述的减小DPC法累积误差的合成孔径声呐运动补偿方法，其特征在于，在所述的步骤3-1)中，通过对子孔径图像做相关运算来确定子孔径图像间的匹配点，或采用图像特征匹配方法在两幅子孔径图像上找到匹配点。
3.根据权利要求2所述的减小DPC法累积误差的合成孔径声呐运动补偿方法，其特征在于，在所述步骤3-1)中，通过对子孔径图像做相关运算来确定子孔径图像间的匹配点进一步包括：
步骤3-1-1)、对FFBP成像处理中两幅含有M×N个像素的子孔径图像进行相关运算，所得到的相关系数用于两幅子孔径图像及对应像素的相关性评价；
步骤3-1-2)、基于步骤3-1-1)所得到的相关系数，选择相关性较好的子孔径图像进行下一步的处理；
步骤3-1-3)、求取步骤3-1-2)所得到的子孔径图像之间的匹配点。
4.根据权利要求3所述的减小DPC法累积误差的合成孔径声呐运动补偿方法，其特征在于，在步骤3-1-1)中，所述相关系数为互相关系数；针对成像场景中的同一块区域，子孔径Lsubn和Lsubn+1对应的子孔径图像分别为In和In+1，设In和In+1之间的互相关系数矩阵为C，该矩阵包含有多个互相关系数，这些互相关系数用下列公式表示：
其中，M、N分别是子孔径图像的行和列，M×N表示子孔径图像的像素数目；p和q为分别计算像素的互相关时的两幅图像上相应的像素位置偏移量，p为求互相关时表示In+1里的像素偏移In里的像素的行数，q表示偏移的列数。
5.根据权利要求4所述的减小DPC法累积误差的合成孔径声呐运动补偿方法，其特征在于，所述步骤3-2)进一步包括：
步骤3-2-1)、建立极坐标成像网格，所述子孔径图像上的图像位于该极坐标成像网格上；
步骤3-2-2)、进行适当插值后，步骤3-1)所得到的W对匹配点可得到W个Δr值，即关于导航误差e和f的W个方程；
插值后相邻像素的距离间隔和相邻像素的角域间隔尽量满足下式：
其中，Δr表示相邻像素的距离间隔，Δθ表示像素的角域间隔，c为声速，B为发射信号的带宽，l为该局部极坐标成像网格所对应的孔径长度，λmin为最小波长；
Δr＝r1-r2＝-(xe+yf)/r1；
r1为子孔径Lsubn的等效相位中心到散射点(x,y,z)的声程，其表达式为：
x为方位向坐标，y为距离向坐标，z为深度；
r2为孔径Lsubn+1的等效相位中心到散射点(x,y,z)的声程，其表达式为：
步骤3-2-3)、对反射强度大和相关性表现好的匹配点赋予更大的权重；其中，反射强度大是指相应匹配点的像素值大，相关性表现好是指相应匹配点的相关系数值大；
步骤3-2-4)、在子孔径图像中找出两对或更多有一定分离度的且权重较大的匹配点，通过联立它们对应于Δr的方程组，求出导航误差e和f的加权最小二乘估计；其中，所述分离度用于描述像素点在图像上分散分布的状况，所述一定分离度需要根据实际成像环境确定具体的值。
6.根据权利要求1所述的减小DPC法累积误差的合成孔径声呐运动补偿方法，其特征在于，在步骤1)中还包括：对合成孔径声呐所接收的回波信号剔除数值异常的野值。
7.根据权利要求1所述的减小DPC法累积误差的合成孔径声呐运动补偿方法，其特征在于，在步骤3)中，相邻子孔径间各沿着距离向选择多幅分解出的子孔径图像进行误差的估计。
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