CN110058247A - 一种合成孔径声呐实时成像的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种合成孔径声呐实时成像的方法，本发明不需要预先构建延时表，通过简化时延求解结构，采用分段寻址并参与虚拟孔径合成的处理方式，降低复杂度，减少缓存消耗，加快了运算速度，能够实时完成成像。本发明采用按批次进行孔径处理，数据采集和算法处理同步进行，成像过程不需要再存储全部回波数据，减少硬件开销，提高了算法运算效率。本发明所述技术具有可扩展性，即可根据实际需要，将延时索引计算模块化并行处理，进一步加快运算速度。

Description

一种合成孔径声呐实时成像的方法

技术领域

本发明涉及水声通信中合成孔径声呐技术领域，具体涉及一种合成孔径声呐实时成像的方法。

背景技术

合成孔径声呐(SAS)是一种高分辨率水下成像声呐，其原理是利用多个小尺寸基阵在方位向匀速运动虚拟成大尺寸孔径，从而获得与距离无关的高分辨率图像。SAS被广泛应用在水下环境勘察，沉船搜寻与海底管线测量等领域。随着SAS成像技术的发展和实际应用需求的提升，对成像系统实时性处理的要求日益增加。

常用的SAS波束形成的核心算法为延时求和成像算法，该算法根据球面波聚焦原理，计算合成孔径长度内各接收位置的时间延迟，通过延时叠加来对成像区域中的各像素点进行聚焦成像，从而得到整个目标场景的图像。算法的关键之处在于首先需要求解目标点与接收基阵之间的双程时延，然后根据基阵在运动的过程中，发射阵的水平开角不变，导致成像区域的大小与阵元相对位置关系不变的特点，将每个像素点的延时索引值预先计算好存放在延时表中，供孔径合成处理时直接对成像数据寻址叠加，从而完成延时求和。该算法需要较高的采样率，采样点数多，计算量很大。为提高处理速度，需由多个延时表同时完成寻址叠加，这需要有极大的存储空间。因此当前常用的SAS成像处理方法为：声呐平台将采集到的回波数据预先存储，再统一传送给算法处理机，然后由算法处理机中的后处理软件根据所设计的运行参数产生发射信号的参考信号，对回波数据进行距离向脉冲压缩，并采用基于延时表的成像算法完成孔径合成处理，最后由显控上位机接收成像数据并显示，无法满足实时性成像的要求。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术难以进行实时性处理的不足，提供一种低复杂度、运行效率高，时延短的SAS实时成像方法，在保证高分辨率的前提下能够有效缩短成像时间，可实现合成孔径声呐实时成像。

假设声纳平台的运动轨迹为直线，且空间采样均匀。设阵元尺寸为D，一个合成孔径长度内方位向像素点个数为LA，其距离向像素点个数为N_r，回波数据的总批次数为LINE，LINE的数值应大于LA。

具体实现步骤如下：

步骤(1)：对接收基阵采集到的原始回波数据进行采样，采样频率为f_s，采样后得到的信号为x_k(m)；其中，k＝0,1,2,...,LINE-1表示采样后回波数据的批次数，m＝0,1,2,...,N_r-1表示距离向采样点序号；

步骤(2)：对当前第k批次的回波数据进行距离向脉冲压缩；根据SAS系统的运行参数产生发射信号的参考信号h(m)，对x_k(m)按下式处理得到y_k(m)；

y_k(m)＝F^-1{F[x_k(m)]×F[h^*(m)]}

其中，F和F^-1分别表示正逆傅里叶变换，h^*(m)表示参考信号的复共轭；

步骤(3)：计算成像区域内各像素点到接收换能器的相对距离r_m；

其中，T_s表示从测绘带边缘像素点到接收换能器的到达时间，c表示声波在水中传播的速度；

步骤(4)：计算中间变量

步骤(5)：将一个合成孔径长度内方位向像素点均匀分为Q段，按下式求解每段内的方位向像素点到接收换能器的初始相对距离的平方值

其中，q＝0,1,2,..,Q-1表示段号；

步骤(6)：由下式求解成像区域内各段像素点到接收换能器的距离索引

其中，每段内的方位向像素点到接收换能器的距离索引初始值

步骤(7)：计算对应的延时索引

其中，int[]表示取整操作；

步骤(8)：根据延时索引对y_k(m)进行叠加，输出第q段的结果f_k ^q(m)；

同时判断当前q值，如果q＜Q-1，返回步骤(5)；否则，进入步骤(9)；

步骤(9)：对得到的Q次结果求和，输出最终值f_k(m)

本发明的技术优点主要有：

1、本发明不需要预先构建延时表，通过简化时延求解结构，采用分段寻址并参与虚拟孔径合成的处理方式，降低复杂度，减少缓存消耗，加快了运算速度，能够实时完成成像。

2、本发明采用按批次进行孔径处理，数据采集和算法处理同步进行，成像过程不需要再存储全部回波数据，减少硬件开销，提高了算法运算效率。

3、本发明所述技术具有可扩展性，即可根据实际需要，将延时索引计算模块化并行处理，进一步加快运算速度。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步说明。

假设声纳平台的运动轨迹为直线，且空间采样均匀。设阵元尺寸为D，一个合成孔径长度内方位向像素点个数为LA，其距离向像素点个数为N_r，回波数据的总批次数为LINE，LINE的数值应大于LA。

具体实现步骤如下：

步骤(1)：对接收基阵采集到的原始回波数据进行采样，采样频率为f_s，采样后得到的信号为x_k(m)；其中，k＝0,1,2,...,LINE-1表示采样后回波数据的批次数，m＝0,1,2,...,N_r-1表示距离向采样点序号；

步骤(2)：对当前第k批次的回波数据进行距离向脉冲压缩；根据SAS系统的运行参数产生发射信号的参考信号h(m)，对x_k(m)按下式处理得到y_k(m)；

y_k(m)＝F^-1{F[x_k(m)]×F[h^*(m)]}

其中，F和F^-1分别表示正逆傅里叶变换，h^*(m)表示参考信号的复共轭；

步骤(3)：计算成像区域内各像素点到接收换能器的相对距离r_m；

其中，T_s表示从测绘带边缘像素点到接收换能器的到达时间，c表示声波在水中传播的速度；

步骤(4)：计算中间变量

步骤(5)：将一个合成孔径长度内方位向像素点均匀分为Q段，按下式求解每段内的方位向像素点到接收换能器的初始相对距离的平方值

其中，q＝0,1,2,..,Q-1表示段号；

步骤(6)：由下式求解成像区域内各段像素点到接收换能器的距离索引

其中，每段内的方位向像素点到接收换能器的距离索引初始值

步骤(7)：计算对应的延时索引

其中，int[]表示取整操作；

步骤(8)：根据延时索引对y_k(m)进行叠加，输出第q段的结果

同时判断当前q值，如果q＜Q-1，返回步骤(5)；否则，进入步骤(9)；

步骤(9)：对得到的Q次结果求和，输出最终值f_k(m)

Claims (1)

1.一种合成孔径声呐实时成像的方法，其特征在于，

假设声纳平台的运动轨迹为直线，且空间采样均匀；设阵元尺寸为D，一个合成孔径长度内方位向像素点个数为LA，其距离向像素点个数为N_r，回波数据的总批次数为LINE，LINE的数值应大于LA；

该方法包括以下步骤：

步骤(1)：对接收基阵采集到的原始回波数据进行采样，采样频率为f_s，采样后得到的信号为x_k(m)；其中，k＝0,1,2,...,LINE-1表示采样后回波数据的批次数，m＝0,1,2,...,N_r-1表示距离向采样点序号；

步骤(2)：对当前第k批次的回波数据进行距离向脉冲压缩；根据SAS系统的运行参数产生发射信号的参考信号h(m)，对x_k(m)按下式处理得到y_k(m)；

y_k(m)＝F^-1{F[x_k(m)]×F[h^*(m)]}

其中，F和F^-1分别表示正逆傅里叶变换，h^*(m)表示参考信号的复共轭；

步骤(3)：计算成像区域内各像素点到接收换能器的相对距离r_m；

其中，T_s表示从测绘带边缘像素点到接收换能器的到达时间，c表示声波在水中传播的速度；

步骤(4)：计算中间变量

步骤(5)：将一个合成孔径长度内方位向像素点均匀分为Q段，按下式求解每段内的方位向像素点到接收换能器的初始相对距离的平方值

其中，q＝0,1,2,..,Q-1表示段号；

步骤(6)：由下式求解成像区域内各段像素点到接收换能器的距离索引

其中，每段内的方位向像素点到接收换能器的距离索引初始值

步骤(7)：计算对应的延时索引

其中，int[]表示取整操作；

步骤(8)：根据延时索引对y_k(m)进行叠加，输出第q段的结果

同时判断当前q值，如果q＜Q-1，返回步骤(5)；否则，进入步骤(9)；

步骤(9)：对得到的Q次结果求和，输出最终值f_k(m)