CN107367731A - 适合非匀速直线航迹的sas成像和运动补偿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种适合非匀速直线航迹的SAS成像和运动补偿方法，包括：建立最终输出图像的直角坐标成像网格，记录该直角坐标成像网格上每个像素点的坐标，其中，对于存在高程起伏的场景，还需要记录直角坐标成像网格上各个像素点的高程信息；建立一个全局的极坐标网格，用于各个子孔径图像的融合；以递归的方式实现多级子孔径合并、成像区域分解和子图像融合；递归过程终止，将极坐标系图像变换到直角坐标成像网格中，最终得到全空间分辨率的图像。
Description
技术领域
本发明涉及声呐成像领域，特别涉及一种适合非匀速直线航迹的SAS成像和运动补偿方法。
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，产生运动误差的主要因素包括：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。
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。合成孔径声纳在运动中成像时，一般要保证单程的声程误差小于1/8倍发射声波的波长；在实际应用中，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。合成孔径声呐实际成像时，载体平台很难保持匀速直线运动状态，在机动情况下会在短时间内有大的速度起伏甚至转弯动作。尤其对某些工作在高速和海上波浪较大等应用场景下的SAS系统，载体平台会向所规划的直线航迹左右侧移，这不可避免地会对成像质量造成不良的影响。现有技术中的频域成像算法一般需要工作在匀速直线的航迹，在进行一个或多个完整的合成孔径的块处理时，一般会取全部合成孔径长度内的方位速度均值作为成像处理的参数，包含有一定的近似成分；实际的SAS系统进行工作时，块处理时所含的多个完整的合成孔径可以长达数十米，包含的子孔径数目多达数百上千个，这其中的方位向速度的非均匀性在一些特殊的应用场景下用频域算法进行处理会对成像的质量造成不可忽视的影响。
发明内容
本发明的目的在于克服已有的合成孔径声纳成像方法在成像质量上的不足，从而提供一种能够有效提高成像质量的SAS成像和运动补偿方法。
为了实现上述目的，本发明提供了一种适合非匀速直线航迹的SAS成像和运动补偿方法，包括：
步骤1)、建立最终输出图像的直角坐标成像网格，记录该直角坐标成像网格上每个像素点的坐标，其中，对于存在高程起伏的场景，还需要记录直角坐标成像网格上各个像素点的高程信息；建立一个全局的极坐标网格，用于各个子孔径图像的融合；
步骤2)、以递归的方式实现多级子孔径合并、成像区域分解和子图像融合；其中，这一递归过程分为M个阶段，每个阶段所要完成的操作包括：
步骤2-1)、实现子孔径合并，完成相应的成像区域分解；
步骤2-2)、以一合并后的子孔径的中心为原点建立局部极坐标成像网格，且该局部极坐标成像网格中相邻像素的距离间隔和相邻像素的角域间隔满足式(2)：
其中，Δr表示相邻像素的距离间隔，Δ(sinθ)表示像素的角域间隔，c为声速，B为发射信号的带宽，λmin为信号中包含的最小波长，l为该局部极坐标成像网格所对应的孔径长度；
步骤2-3)、将一个完整的合成孔径划分为多个子孔径，将子孔径拟合直线航迹，然后根据子孔径等效相位中心的真实位置来计算瞬时斜距，进而生成极坐标子图像；其中，假设第m阶段第n个子孔径中心的方位坐标为yn (m)，以其为原点建立局部极坐标系，则所述极坐标子图像表示为：
其中，λc取中心频率对应的波长，表示方位时间ta时刻等效相位中心到像素点(r,θn (m))的瞬时斜距，v表示方位速度信息；ssM是将原始回波进行距离向脉冲压缩后的结果；
第m阶段第n个子孔径中心的方位坐标为yn (m)的表达式为：
其中，N(m)为第m阶段的子孔径数目，m＝1,2,…，M；每个子孔径的长度l(m)＝La/N(m)；
在本步骤中，通过拟合直线航迹，使得瞬时斜距的计算更为简便，子图像融合也得以简化，其表达式为：
步骤2-4)、根据子孔径中心与步骤1)建立的全局极坐标成像网格之间的几何关系，通过距离和角域插值将步骤2-3)所得到的极坐标子图像投影至全局极坐标成像网格，得到当前子孔径所对应的输出图像；
步骤2-5)、存储当前子孔径对应的输出图像；然后跳转至下一个合并后的子孔径，重复之前的步骤处理过程，直至处理完全部的合并后子孔径；
步骤2-6)、读取各合并后子孔径的输出图像并进行相干叠加；
步骤3)、递归过程终止，将极坐标系图像变换到步骤1)所建立的直角坐标成像网格中，最终得到全空间分辨率的图像。
上述技术方案中，在步骤2-1)中，实现子孔径合并时参考方位速度v的信息；具体包括：
在方位速度较快的航迹部分，方位向单位长度内的孔径数目相对稀疏，则在该段方位长度对应的孔径合并时合并多于N(m)的子孔径数目；在方位速度较慢的航迹部分，回波数据中包含的成像场景中的信息相对过于富余，在该段方位长度对应的孔径合并时则合并少于N(m)的子孔径数目，少合并的子孔径数目匀给相邻的方位速度较快的部分。
上述技术方案中，在步骤2-3)中，所述拟合直线航迹具体包括：将一个完整的合成孔径的非直线航迹划分为多个较短的子孔径，对各个子孔径内采用DPC算法得到子孔径内各乒回波的左右侧移量，剔除由于成像环境复杂而产生的个别数值异常的野值；然后按照最小二乘等最优准则将较短子孔径拟合成一条直线，把它作为子孔径对应的虚拟的理想直线航迹；最后把初级子图像的原点定义到拟合出的相应的直线航迹上。
本发明的优点：
本发明的SAS成像和运动补偿方法能够有效克服现有技术中合成孔径声呐实际成像时所遇到的方位向速度值的大小不均匀问题，以及载体平台会向所规划的直线航迹左右侧移的问题，提高成像结果的准确性。
附图说明
图1是本发明的SAS成像和运动误差补偿方法的流程图。
具体实施方式
在对本发明做详细说明之前，首先对本发明中的相关概念做简要描述。
正如在背景技术中已经提到的那样，合成孔径声呐实际成像时，载体平台很难保持匀速直线运动状态，在机动情况下会在短时间内有大的速度起伏甚至转弯动作。尤其对某些工作在高速和海上波浪较大等应用场景下的SAS系统，载体平台会向所规划的直线航迹左右侧移，这不可避免地会对成像质量造成不良的影响。也就是说，合成孔径声呐实际成像时会遇到两个主要问题：一、方位向速度值的大小不均匀问题；二、载体平台会向所规划的直线航迹左右侧移的问题。
针对合成孔径声呐实际成像时所遇到的上述问题，本发明的SAS成像和运动误差补偿方法在FFBP算法的基础上加以改进，实现了运动补偿成像。
FFBP算法的全称为Fast Factorized Back Projection，其中文名为快速因式分解后向投影成像算法。现有技术中的标准FFBP算法是建立在载体平台做理想的匀速直线运动的假设下的，各个子孔径之间等间距，递归进行的各级按照同一分解因子进行合并，在合并后各个子孔径长度依然相等，所得到每一级的子图像的分辨率也都相同。标准FFBP算法的上述特质显然不适合于合成孔径声呐在某些实际成像中需要面临非匀速直线航迹的应用场景。
假设FFBP成像处理中初级的第n个子孔径中心的方位坐标为yn (1)，以其为原点建立局部极坐标系(r,θn (1))，则初级子图像可表示为：
其中，λc取中心频率对应的波长，表示方位时间ta时刻等效相位中心到像素点(r,θn (1))的瞬时斜距，v表示方位速度信息；ssM是将原始回波进行距离向脉冲压缩后的结果。
从式(1)可以看出，FFBP算法可以在生成子孔径图像中灵活而实时地更新方位速度信息v来提高成像的精确性，特别是可以满足某些机动情况下的成像需求。
基于FFBP算法的上述特点，本发明的SAS成像和运动补偿方法包括以下步骤：
步骤1)、建立最终输出图像的直角坐标成像网格，记录该直角坐标成像网格上每个像素点的坐标；其中，对于存在高程起伏的场景，还需要记录直角坐标成像网格上各个像素点的高程信息；同时建立一个全局的极坐标网格，用于各个子孔径图像的融合。
步骤2)、以递归的方式实现多级子孔径合并、成像区域分解和子图像融合；其中，这一递归过程可分为M个阶段，每个阶段所要完成的操作包括：
步骤2-1)、以非均匀的孔径合并策略实现子孔径合并，完成相应的成像区域分解；
步骤2-2)、以一合并后的子孔径的中心为原点建立局部极坐标成像网格，且该局部极坐标成像网格中相邻像素的距离间隔和相邻像素的角域间隔应满足式(2)：
其中，Δr表示相邻像素的距离间隔，Δ(sinθ)表示像素的角域间隔，c为声速，B为发射信号的带宽，λmin为信号中包含的最小波长，l为该局部极坐标成像网格所对应的孔径长度；
步骤2-3)、将一个完整的合成孔径划分为多个子孔径，将子孔径拟合直线航迹，然后根据子孔径等效相位中心的真实位置来计算瞬时斜距，进而生成极坐标子图像；其中，假设第m阶段第n个子孔径中心的方位坐标为yn (m)，以其为原点建立局部极坐标系，则所述极坐标子图像可表示为：
其中，λc取中心频率对应的波长，表示方位时间ta时刻等效相位中心到像素点(r,θn (m))的瞬时斜距，v表示方位速度信息，可通过声多普勒计程仪(ADL)或GPS等测量得到，或者在计算资源充足时利用多子阵的回波数据对基阵的方位向速度进行高精度估计得到；ssM是将原始回波进行距离向脉冲压缩后的结果。
第m阶段第n个子孔径中心的方位坐标为yn (m)的表达式为：
其中，N(m)为第m(m＝1,2,…，M)阶段的子孔径数目，每个子孔径的长度l(m)＝La/N(m)。
在本步骤中，通过拟合直线航迹，使得瞬时斜距的计算更为简便，子图像融合也得以简化，其表达式为：
步骤2-4)、根据子孔径中心与步骤1)建立的全局极坐标成像网格之间的几何关系，通过距离和角域插值将步骤2-3)所得到的极坐标子图像投影至全局极坐标成像网格，得到当前子孔径所对应的输出图像；
在步骤2-2)中，以各子孔径的中心为原点建立局部极坐标成像网格，步骤2-3)所得到的极坐标子图像位于不同的局部坐标系内，因此需要在本步骤中将步骤2-3)所得到的极坐标子图像进行投影。
步骤2-5)、存储当前子孔径对应的输出图像；然后跳转至下一个合并后的子孔径，重复之前的步骤处理过程，直至处理完全部的合并后子孔径；
步骤2-6)、读取各合并后子孔径的输出图像并进行相干叠加。
步骤3)、递归过程终止，将极坐标系图像变换到步骤1)所建立的直角坐标成像网格中，最终得到全空间分辨率的图像。
为了便于理解，下面对步骤2)的内容做更进一步的描述。
前文中已经提到，在步骤2)中，将子孔径成像的整个过程分成了M个阶段(M为大于1的整数)。所述M的取值与合成孔径声呐所含原始子孔径的数目有关，假设合成孔径声呐中初级子孔径的数目为N(初级子孔径可能包含多个最原始的子孔径数目)，则根据该公式N＝2M-1可确定M的取值。
在步骤2-1)中，所述非均匀的孔径合并策略是指：在实现子孔径合并时参考了方位速度v的信息。
在步骤2)所描述的递归过程的M个阶段中，在第一阶段所包含的子孔径数目最多，其中，第一阶段划分的子孔径数目为N(1)＝2M-1；在第2—M个阶段中，前一阶段的小的子孔径(对应较大的波束宽度)会按照一定的规则合并成为较大的子孔径(对应较窄的波束宽度)，即在后续阶段中，子孔径的数目会逐渐减少，单个子孔径的尺寸会逐渐变大，但在每个阶段所包含的子孔径的数目是一定的，即在第m(m＝1,2,…，M)阶段的子孔径数目为N(m)＝2M-m。
在现有技术中，子孔径合并策略是固定的，例如在一个例子中，假设第一个阶段有32个短的子孔径，在第二个阶段子孔径经合并后有16个子孔径，那么相应的合并策略为：第二阶段合并后得到的较长的子孔径每个包括2个第一阶段的短的子孔径；这样的子孔径合并策略也被称为均匀的合并策略。而在本发明中，采用了非均匀的孔径合并策略。具体的说，在方位速度较快的航迹部分，方位向单位长度内的孔径数目相对稀疏，可以在该段方位长度对应的孔径合并时合并多于N(m)的子孔径数目；反之，在方位速度较慢的航迹部分，回波数据中包含的成像场景中的信息相对过于富余，在该段方位长度对应的孔径合并时则合并少于N(m)的子孔径数目，少合并的子孔径数目匀给相邻的方位速度较快的部分。仍以前面的例子为例，在本发明的方法中，第二阶段合并子孔径时，虽然合并后子孔径的数目依然是16个，但就单个子孔径而言，未必是第一阶段的2个子孔径合并为第二阶段的1个子孔径，可以是第一阶段的3个子孔径合并为第二阶段的1个子孔径，也可以是第一个阶段的1个子孔径依然保留为第二阶段的1个子孔径。
在步骤2-3)中，拟合直线航迹时需要对载体左右的侧移量进行估计。拟合直线航迹具体包括：将一个完整的合成孔径的非直线航迹划分为多个较短的子孔径，对各个子孔径内采用DPC算法得到子孔径内各乒回波的左右侧移量，剔除由于成像环境复杂而产生的个别数值异常的野值；然后按照最小二乘等最优准则将较短子孔径拟合成一条直线，把它作为子孔径对应的虚拟的理想直线航迹；最后把初级子图像的原点定义到拟合出的相应的直线航迹上，从而解决非直线航迹的问题。
以上是对本发明的SAS成像和运动补偿方法的说明。从上述说明中可以看到，本发明的方法中通过非均匀的孔径合并策略在一定程度上克服了合成孔径声呐的载体平台在方位向速度值大小不均匀的问题，通过拟合直线航迹克服了合成孔径声呐的载体平台的直线航迹左右侧移的问题。
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 (3)
1.一种适合非匀速直线航迹的SAS成像和运动补偿方法，包括：
步骤1)、建立最终输出图像的直角坐标成像网格，记录该直角坐标成像网格上每个像素点的坐标，其中，对于存在高程起伏的场景，还需要记录直角坐标成像网格上各个像素点的高程信息；建立一个全局的极坐标网格，用于各个子孔径图像的融合；
步骤2)、以递归的方式实现多级子孔径合并、成像区域分解和子图像融合；其中，这一递归过程分为M个阶段，每个阶段所要完成的操作包括：
步骤2-1)、实现子孔径合并，完成相应的成像区域分解；
步骤2-2)、以一合并后的子孔径的中心为原点建立局部极坐标成像网格，且该局部极坐标成像网格中相邻像素的距离间隔和相邻像素的角域间隔满足式(2)：
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其中，Δr表示相邻像素的距离间隔，Δ(sinθ)表示像素的角域间隔，c为声速，B为发射信号的带宽，λmin为信号中包含的最小波长，l为该局部极坐标成像网格所对应的孔径长度；
步骤2-3)、将一个完整的合成孔径划分为多个子孔径，将子孔径拟合直线航迹，然后根据子孔径等效相位中心的真实位置来计算瞬时斜距，进而生成极坐标子图像；其中，假设第m阶段第n个子孔径中心的方位坐标为yn (m)，以其为原点建立局部极坐标系，则所述极坐标子图像表示为：
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其中，λc取中心频率对应的波长，表示方位时间ta时刻等效相位中心到像素点的瞬时斜距，v表示方位速度信息；ssM是将原始回波进行距离向脉冲压缩后的结果；
第m阶段第n个子孔径中心的方位坐标为yn (m)的表达式为：
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其中，N(m)为第m阶段的子孔径数目，m＝1,2,…，M；每个子孔径的长度l(m)＝La/N(m)；
在本步骤中，通过拟合直线航迹，使得瞬时斜距的计算更为简便，子图像融合也得以简化，其表达式为：
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步骤2-4)、根据子孔径中心与步骤1)建立的全局极坐标成像网格之间的几何关系，通过距离和角域插值将步骤2-3)所得到的极坐标子图像投影至全局极坐标成像网格，得到当前子孔径所对应的输出图像；
步骤2-5)、存储当前子孔径对应的输出图像；然后跳转至下一个合并后的子孔径，重复之前的步骤处理过程，直至处理完全部的合并后子孔径；
步骤2-6)、读取各合并后子孔径的输出图像并进行相干叠加；
步骤3)、递归过程终止，将极坐标系图像变换到步骤1)所建立的直角坐标成像网格中，最终得到全空间分辨率的图像。
2.根据权利要求1所述的适合非匀速直线航迹的SAS成像和运动补偿方法，其特征在于，在步骤2-1)中，实现子孔径合并时参考方位速度v的信息；具体包括：
在方位速度较快的航迹部分，方位向单位长度内的孔径数目相对稀疏，则在该段方位长度对应的孔径合并时合并多于N(m)的子孔径数目；在方位速度较慢的航迹部分，回波数据中包含的成像场景中的信息相对过于富余，在该段方位长度对应的孔径合并时则合并少于N(m)的子孔径数目，少合并的子孔径数目匀给相邻的方位速度较快的部分。
3.根据权利要求1所述的适合非匀速直线航迹的SAS成像和运动补偿方法，其特征在于，在步骤2-3)中，所述拟合直线航迹具体包括：将一个完整的合成孔径的非直线航迹划分为多个较短的子孔径，对各个子孔径内采用DPC算法得到子孔径内各乒回波的左右侧移量，剔除由于成像环境复杂而产生的个别数值异常的野值；然后按照最小二乘等最优准则将较短子孔径拟合成一条直线，把它作为子孔径对应的虚拟的理想直线航迹；最后把初级子图像的原点定义到拟合出的相应的直线航迹上。
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