CN109444901B - 一种异构环境下多子阵sas子孔径成像方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种异构环境下多子阵SAS子孔径成像方法，首先将整个合成孔径过程分段，其次成像方法选用时域延时求和方法，并结合CPU+GPU异构协同处理平台实时成像。各子孔径的数据可以并行处理，这种结构很适合并行处理机实现，在日后的后续发展中也可以有效地嵌入到基于FPGA+DSP的SAS系统成像方法中，大大提高了运算效率。

Description

一种异构环境下多子阵SAS子孔径成像方法
技术领域
本发明属于合成孔径声呐技术领域，是针对多子阵成像方法的研究，具体涉及一种基于CPU-GPU异构环境下多子阵SAS子孔径成像方法。
技术背景
合成孔径声呐(SAS)是一种二维成像声呐,利用小孔径物理基阵虚拟合成大孔径基阵来提高方位向分辨率，它的成像分辨率与成像距离和工作频率无关，只与孔径尺寸有关，因此可以大幅度提高对水下远距离小目标的探测能力。合成孔径成像方法可以分为逐点成像方法和逐线成像方法两大类，逐点成像方法中最基本的方法是时域延时求和方法，逐线成像方法有：距离-多普勒方法、Chirp-Scaling方法、波数域方法。近年来工程上应用较多的是时域延时求和方法。时域延时求和方法具有物理意义明确，数学模型简单，运动补偿直接方便，便于多接收阵成像，对斜视宽容性好等特点，但是其计算量较大，不利于数据的成批处理，实时性较差。再加上运动补偿对成像复杂度的影响，因此如何解决计算繁琐的问题是时域延时方法研究的重点之一。子孔径成像技术是将子孔径视为一组新的天线阵元，即每个子孔径均等效为一个单独的天线阵元或天线相位中心。整个合成孔径过程相当于子孔径等效天线在一系列由子孔径中心决定的位置处收发一次等效脉冲，而收到的等效脉冲回波就是由所照射的子图像区域后向散射信号相参叠加的结果。这项技术源于合成孔径雷达成像领域，目的是缩短总的运行时间，节约大量的存储空间，并且有利于运动补偿和自聚焦处理。目前主要的子孔径成像方法有OSA方法、RTS方法以及PSAP方法等。将子孔径方法的基本思想引入到合成孔径声呐考虑到实时成像时，运算量较大，光靠CPU实现实时成像较为困难。近些年GPU(图形处理单元)崛起，GPU强大的并行处理能力为大规模数据处理提供了一个理想的处理平台。结合CPU和GPU的特点，利用基于CPU-GPU的异构协同处理平台来加速图像处理，再结合子孔径架构的时域延时求和方法，将子孔径的划分和合并交由CPU负责，距离向方位向处理交由GPU负责，可以取得良好的成像效果和加速比。
发明内容
针对现有技术的不足或改进需求，本发明将子孔径结构引入到合成孔径声呐中，提出基于异构环境下多子阵SAS子孔径成像方法，在日后湖试中，能够实时处理接收到的大量数据，快速成像。
为实现上述目的，按照本发明，首先将整个合成孔径过程分段，其次成像方法选用时域延时求和方法，并结合CPU+GPU异构协同处理平台实时成像。各子孔径的数据可以并行处理，这种结构很适合并行处理机实现，在日后的后续发展中也可以有效地嵌入到基于FPGA+DSP的SAS系统成像方法中，大大提高了运算效率。
基于CPU-GPU异构环境下多子阵SAS子孔径方法，该方法成像过程具体包括以下步骤：
步骤1)SAS原始回波信号的采集
声呐发射机周期性发射线性调频信号，接收机实时采集当前接收到的原始回波信号；
步骤2)方位向子孔径的划分
子孔径长度的选择要达到分辨率的要求，选择方式参照公式
Figure GDA0002586590990000031
其中L为子孔径长度，RB为场景中心距离，ρa为方位分辨率。
步骤3)脉冲压缩
对原始回波信号进行距离向脉冲压缩，先将原始回波信号和匹配函数经过FFT变换到频域，再将两者相乘的结果经过IFFT得到压缩好的脉冲信号；提高距离向分辨率；
步骤4)运动补偿
对于多子阵SAS，做等效相位中心近似和‘停-走-停’假设；需要补偿实际航迹与理想航迹带来的误差；
建立直角坐标系，目标位置为(r,0)，t时刻发射阵元位置为(0,vt),收发阵元分隔Δhi，i为第i个接收子阵，对于近距离目标，引入上述两种假设，做运动补偿时，对原始回波信号进行统一的相位补偿：
理想的发射路径和接收路径都为R′
Figure GDA0002586590990000032
实际发射路径为R1
Figure GDA0002586590990000033
实际接收路径为R2
Figure GDA0002586590990000034
需要补偿的距离为ΔR
ΔR＝R1+R2-2*R′
需要补偿的相位为
Figure GDA0002586590990000035
Figure GDA0002586590990000041
‘停-走-停’假设对于近距离目标有效，而合成孔径声呐主要是为了深海成像。对于远距离目标，‘停-走-停’假设不再有效，需考虑基阵相对运动带来的误差。收发基阵到目标来回时延为t*，实际接收路径为R3
Figure GDA0002586590990000042
做运动补偿时，放弃等效相位中心假设，直接推导目标在t时刻的精准时延t*,构建新的延时表
Figure GDA0002586590990000043
步骤5)在时域合并子孔径，保证方位向分辨率不受子孔径分块的影响；
步骤6)沿距离向将回波数据划分成几个不同的数据块；
步骤7)选用时域延时求和算法做方位向成像处理；
计算虚拟合成孔径长度内的各个接收位置的时间延迟，构建延时表。并根据声呐基阵运动过程中信号传播路径的几何关系，通过延时补偿后叠加的方法对成像区域中每个像素点进行聚焦成像，从而得到整个目标场景的图像；
步骤8)输出并存储SAS成像图像。
2、根据权利要求1所述的一种基于CPU-GPU异构环境下多子阵SAS子孔径成像方法，其特征在于：其中划分方位向子孔径、合并方位向子孔径和划分距离向数据块在CPU中实现；脉冲压缩、运动补偿、方位向成像处理在GPU中实现，CPU和GPU分工协同处理，充分发挥CPU和GPU各自的特点。
距离向处理时，方位向子孔径的划分，使得多GPU可以并行完成多孔径的距离向脉冲压缩和运动补偿，且在回波采集的同时可以进行子孔径的距离向处理，将距离向的处理时间重叠在回波采集的时间内，因此方位向成像时间决定了SAS整个成像。另外在方位向成像处理时，通过沿距离向将回波数据划分成几个不同的数据块，使得不同的数据块也可以并行处理，大大提高SAS时域延时求和算法的成像效率。
本发明的优点在于：本发明采用了子孔径结构，结合时域延时求和方法，子孔径成像采用级联的短FFT处理结构，各子孔径的数据可以并行处理，具有良好的并行性及流水实现结构，适合并行处理机实现，缩短了总的运行时间，减小存储过程的规模。而且子孔径架构的成像方法可以基于CPU-GPU的异构协同处理平台，将每个子孔径的回波都放到GPU显存中处理，既可以保证加速比，又减少了GPU和CPU内存之间数据传输。
附图说明
图1多子阵SAS运动补偿原理图；
图2基于CPU和GPU异质架构的协同处理；
图3多子阵时域延时求和方法流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
如图1所示，本发明研究异构环境下多子阵SAS子孔径成像方法，为了实现以上目的，本发明采用如下方案：
步骤1)SAS发射机按一定的发射周期T发射LMF信号，T与载体的运行速度v、子阵长度D、多子阵阵元数N满足
Figure GDA0002586590990000061
接收机实时采集和存储原始回波信号；
步骤2)，如图2、图3所示，CPU沿方位向将原始SAS回波信号划分成不同的子孔径交由GPU处理，由于本发明暂未应用到实际项目中，子孔径长度选择暂依据公式
Figure GDA0002586590990000062
求得，其他因素暂不予考虑。其中L为子孔径长度，RB为场景中心距离，ρa为方位分辨率，波长λ＝c/fc，c为声速，fc为载波频率；
步骤3)GPU对接收到的原始回波信号做距离向脉冲压缩，这一步可以直接通过调用CUDA中高效FFT变换函数cufftExecC2C实现；
步骤4)GPU对脉冲压缩后的信号做运动补偿；
步骤4-1)误差来源：多子阵SAS成像系统中，误差有两种类：一是等效相位中心假设引起的误差，二是载体相对运动引起的误差；
步骤4-2)误差计算：
近距离目标，目标离基阵距离较近，引入“等效相位中心”假设和“停-走-停”假设。该理想情况下，视基阵收发同路径，都是从理想等效相位中心点到目标，距离为R′
Figure GDA0002586590990000063
实际发射路径R1
Figure GDA0002586590990000064
实际接收路径R2
Figure GDA0002586590990000071
需要补偿的距离为ΔR
ΔR＝R1+R2-2*R′
需要补偿的相位为
Figure GDA0002586590990000072
Figure GDA0002586590990000073
远距离目标，“停-走-停”假设失效，放弃“等效中心相位”假设，在考虑载体相对运动的基础上，直接推导目标在t时刻的精准时延。这种情况下实际接收路径R3和精准时延t*计算如下：
实际接收路径R3
Figure GDA0002586590990000074
目标在t时刻的精准时延t*
Figure GDA0002586590990000075
步骤4-3)子孔径下运动补偿处理与整个合成孔径处理过程相同，只不过将这些子孔径视为一组新的载体阵元分别处理。对于近距离目标，将距离差换算成相位差，对原始回波信号进行统一的相位补偿。对于远距离目标，直接计算精准时延，重新构建延时表。
步骤5)CPU将完成距离向处理后的子孔径合并成全孔径；
步骤6)CPU将处理后的回波数据沿着距离向划分成不同的数据块，并交由GPU处理；
步骤7)GPU对划分完的几个数据块并行做方位向处理，对于时域延时求和方法而言，就是延时累加成像的过程；
步骤7-1)计算延时表：计算载体沿着理想航迹前进下目标到等效相位中心点的回波双程延时，构建延时表；
步骤7-2)对成像区域中每个像素点进行叠加、聚焦成像，从而得到整个目标场景的图像；
步骤7-3)距离向上采样点过多，可以对成像后的数据进行距离向上的降采样处理，既能减少计算运算量，也能保持该有的分辨率大小；
步骤8)CPU负责输出最后的SAS成像图像；
本领域的普通技术人员较容易理解，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (2)

1.一种异构环境下多子阵SAS子孔径成像方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：
步骤1)SAS原始回波信号的采集
声呐发射机周期性发射线性调频信号，接收机实时采集当前接收到的原始回波信号；
步骤2)方位向子孔径的划分
子孔径长度的选择要达到分辨率的要求，选择方式参照公式
Figure FDA0002776125700000011
其中L为子孔径长度，RB为场景中心距离，ρa为方位分辨率；
步骤3)脉冲压缩
对原始回波信号进行距离向脉冲压缩，先将原始回波信号和匹配函数经过FFT变换到频域，再将两者相乘的结果经过IFFT得到压缩好的脉冲信号；
步骤4)运动补偿
对于多子阵SAS，做等效相位中心近似和‘停-走-停’假设；需要补偿实际航迹与理想航迹带来的误差；
建立直角坐标系，目标位置为(r,0)，t时刻发射阵元位置为(0,vt),收发阵元分隔Δhi，i为第i个接收子阵，对于近距离目标，引入上述两种假设，做运动补偿时，对原始回波信号进行统一的相位补偿：
理想的发射路径和接收路径都为R′
Figure FDA0002776125700000021
实际发射路径为R1
Figure FDA0002776125700000022
实际接收路径为R2
Figure FDA0002776125700000023
需要补偿的距离为ΔR
ΔR＝R1+R2-2*R′
需要补偿的相位为
Figure FDA0002776125700000027
Figure FDA0002776125700000024
‘停-走-停’假设对于近距离目标有效，而合成孔径声呐主要是为了深海成像；对于远距离目标，‘停-走-停’假设不再有效，需考虑基阵相对运动带来的误差；收发基阵到目标来回时延为t*，实际接收路径为R3
Figure FDA0002776125700000025
做运动补偿时，放弃等效相位中心假设，直接推导目标在t时刻的精准时延t*,构建新的延时表
Figure FDA0002776125700000026
步骤5)在时域合并子孔径；
步骤6)沿距离向将回波数据划分成几个不同的数据块；
步骤7)选用时域延时求和算法做方位向成像处理；
计算虚拟合成孔径长度内的各个接收位置的时间延迟，构建延时表；并根据声呐基阵运动过程中信号传播路径的几何关系，通过延时补偿后叠加的方法对成像区域中每个像素点进行聚焦成像，从而得到整个目标场景的图像；
步骤8)输出并存储SAS成像图像。
2.根据权利要求1所述的一种异构环境下多子阵SAS子孔径成像方法，其特征在于：其中划分方位向子孔径、合并方位向子孔径和划分距离向数据块在CPU中实现；脉冲压缩、运动补偿、方位向成像处理在GPU中实现；
距离向处理时，方位向子孔径的划分，使得多GPU并行完成多孔径的距离向脉冲压缩和运动补偿，且在回波采集的同时进行子孔径的距离向处理，将距离向的处理时间重叠在回波采集的时间内，因此方位向成像时间决定了SAS整个成像；另外在方位向成像处理时，通过沿距离向将回波数据划分成几个不同的数据块，使得不同的数据块也并行处理。
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Application publication date: 20190308

Assignee: ZHEJIANG REALLIN ELECTRON Co.,Ltd.

Assignor: HANGZHOU DIANZI University

Contract record no.: X2021330000745

Denomination of invention: A multi subarray SAS subaperture imaging method in heterogeneous environment

Granted publication date: 20210226

License type: Common License

Record date: 20211111

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Granted publication date: 20210226

Termination date: 20211114

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