CN110196428B - 一种mimo声纳高分辨三维前视成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种使用MIMO声纳的高分辨三维前视成像方法。通过设计用于三维前视成像的MIMO声纳阵型、正交波形，并在接收端采用水平向大孔径虚拟阵常规波束形成、垂直向高分辨波束形成的处理方式，本发明所提方法可以在与SIMO声纳同尺寸、同工作频段的前提下，获得优于后者的水平向角度分辨率和更优的垂直向成像性能。

Description

一种MIMO声纳高分辨三维前视成像方法

技术领域

本发明属于声纳成像领域，特别涉及一种MIMO声纳高分辨三维前视成像方法。

背景技术

传统三维成像声纳采用单发多收(SIMO，single-input multiple-output)声纳阵列结构，在发射端使用单个发射换能器发射声脉冲信号照射目标区域，在接收端使用多元面阵采集并处理回波获得目标区域的图像(Murino V and Trucco A,Three-dimensionalimage generation and processing in underwater acoustic vision,in Proc.IEEE,2000；88(12):103-1948.)。但是，使用平面阵会带来阵元数目巨大的缺点，导致三维成像系统的成本居高不下。

为了降低三维成像声纳的成本，可使用多条水平直线阵接收回波的三维前视成像方法(刘治宇,刘晓东,董飞,刘小刚.三维前视声呐信号处理方法.声学技术,2015；34(4):317-321)。三维前视成像方法在水平向使用多波束形成处理多条直线阵回波，同时对同一个水平角度的多个水平波束输出进行垂直向高分辨处理，将水平向和垂直向结果相结合，获得三维前视成像结果。

但是，当三维前视成像声纳的平台尺寸较小时，会对水平直线阵的孔径产生约束，从而导致水平向角度分辨率不足。水平向角度分辨率的不足，将导致水平波束输出中的干扰成分较多，从而影响了垂直向高分辨成像质量。尽管提高工作频率可以保证在较小的平台上布置更多的阵元数以提高角度分辨率，但是这面临着阵列成本剧增、介质吸收损失增大等问题。因此，如何在不增加阵列尺寸、不改变工作频段的前提下，进行高分辨三维前视成像，已有的研究并不能解决这一问题。

发明内容

本发明解决的技术问题是：为了在不增加阵列尺寸、不改变工作频段的前提下进行高分辨三维前视成像，本发明提出一种使用MIMO声纳的高分辨三维前视成像方法。通过设计用于三维前视成像的MIMO声纳阵型、正交波形，并在接收端采用水平向大孔径虚拟阵常规波束形成、垂直向高分辨波束形成的处理方式，本发明所提方法可以在与SIMO声纳同尺寸、同工作频段的前提下，获得优于后者的水平向角度分辨率和更优的垂直向成像性能。

本发明的技术方案是：一种MIMO声纳高分辨三维前视成像方法，包括以下步骤：步骤一：定义用于高分辨三维前视成像的MIMO声纳阵型和正交波形，包括以下子步骤：

子步骤一：MIMO声纳阵型包括2个发射换能器和M条接收均匀直线阵(ULA:)；ULA的数目M大于等于3，每条ULA中的接收水听器的数目N大于等于8；2个发射换能器组成的2元ULA和M条接收ULA相互平行，且中垂线相互重合；

发射换能器间距d_t与N元接收ULA的阵元间距d_r满足：

d_t＝Nd_r

接收ULA的阵元间距d_r的取值范围满足d_r∈[λ/2,λ]，其中，∈表示数学符号属于，λ为信号所覆盖频段中心频点上的波长；M条相互平行的接收ULA之间的距离为d_z，其取值范围满足d_z∈[λ/2,λ]；发射ULA和接收ULA之间的最小距离为L_z，其范围是L_z∈[λ/2,N×d_r]；

子步骤二：2个正交波形具有相同的频段和相同的脉宽，其自相关函数具有相同的主瓣，自相关函数旁瓣小于等于自相关函数主瓣峰值的0.01倍，2个正交波形的互相关函数峰值小于等于自相关函数主瓣峰值的0.01倍；

步骤二：根据步骤一得到的MIMO声纳阵型和正交波形，对正交信号进行发射和采集；通过2个发射换能器同时发射2个正交波形，使用M条N元接收ULA同时采集回波；

第m(m＝1,2，···,M)条接收ULA中第n(n＝1,2，···,N)个接收水听器上的回波表示为

其中表示时域，则第m条接收ULA上的回波X^m可表示为：

步骤三：对发射和采集的信号进行成像处理，包括以下子步骤：

子步骤一：进行水平向波束形成处理：

对第m条接收ULA所获得的2N个匹配滤波输出，这2N个匹配滤波输出可等效为2N元大孔径虚拟ULA上接收信号；设其中某个匹配滤波输出为

则2N个匹配滤波输出Y^m可表示为：

对2N个匹配滤波输出Y^m进行水平向波束形成处理，获得Q个水平波束输出；第q(q＝1,2,…,Q)个水平波束对应的扫描向量w(θ_q)可表示为：

其中，θ_q表示第q个水平波束的扫描角度，a表示幅度加权向量，⊙表示hadamard积，c表示水下声传播速度；对应的水平向常规波束形成输出

可表示为：

其中，下标h表示水平方向的意思，上标H表示取共轭；对所有M条2N元大孔径虚拟ULA进行水平多波束处理，共获得MQ个水平波束输出；

子步骤二：进行垂直向高分辨处理：将具有相同水平波束角的水平波束输出归为一组，设第q组为p_h(θ_q)，其表达式为：

在垂直向使用高分辨算法处理每组具有相同水平波束角的水平波束输出，获得垂直向高分辨波束输出；

子步骤三：提取子步骤一和子步骤二中所有水平向、垂直向波束输出的强度，即得到三维成像结果。

发明效果

本发明的技术效果在于：本发明的基本原理和实施方案经过了计算机数值仿真的验证，其结果表明：

本发明中MIMO声纳采用2个发射水听器和M条平行接收ULA的布阵方式，通过采用合适的正交波形，结合匹配滤波处理、水平向波束形成处理、垂直向高分辨处理等，获得最终的三维前视成像结果。与传统SIMO声纳成像方法相比，本发明所提MIMO声纳高分辨三维前视成像方法可以获得更高的水平向角度分辨，同时改善垂直向成像性能。

附图说明

图1为所设计的用于三维前视成像的MIMO声纳阵型，其中图1(a)为阵型的三维图，图1(b)为阵型的正视图，图1(c)为阵型的侧视图；

图2为本发明的基本流程；

图3为本发明所提方法的高分辨三维前视成像处理流程；

图4为实施实例中传统SIMO声纳三维前视成像结果，其中图4(a)为传统SIMO声纳的水平向成像结果，图4(b)为传统SIMO声纳的垂直向成像结果，

图5为实施实例中所提MIMO声纳三维前视成像结果，其中图5(a)为所提MIMO声纳的水平向成像结果，图5(b)为所提MIMO声纳三维的垂直向成像结果。

图6为实施实例中传统SIMO声纳和所提MIMO声纳三维前视成像结果的切片图，其中图6(a)为传统SIMO声纳和所提MIMO声纳三维前视成像结果的水平向切片图，图6(b)为传统SIMO声纳和所提MIMO声纳三维前视成像结果的垂直向切片图。

具体实施方式

参见图1—图6，本发明的主要内容有：

1.设计了由2个发射换能器、M条接收均匀直线阵(ULA，uniform linear array)组成的MIMO声纳阵型。其中，接收ULA的数目M大于等于3，每条接收ULA中水听器数目N大于等于8，且M条接收ULA相互平行。2个发射换能器组成2元ULA，与所有的接收ULA平行且中垂线重合。2个发射阵元的间距d_t等于每条接收ULA的阵元间距d_r乘以N。发射ULA和接收ULA之间的最小距离L_z满足：小于等于接收ULA的尺寸N×d_r，其中信号波长按照信号所覆盖频段的中心频点计算。针对2个发射换能器，设计了2个正交波形。这2个正交波形覆盖相同的频段，具有相同的带宽B₀和相同的脉宽T₀。2个正交波形的自相关函数具有相同的主瓣，且自相关函数旁瓣小于等于自相关函数主瓣峰值的0.01倍，互相关函数峰值小于等于自相关函数主瓣峰值的0.01倍

2.根据所设计的MIMO声纳阵型和正交波形，提出了高分辨三维前视成像处理流程。该处理流程主要分为水平向处理和垂直向处理。水平向处理中，使用与2个正交波形对应的匹配滤波器处理每条直线阵上的回波，因此每条直线阵可获得2N元大孔径虚拟直线阵。此类虚拟直线阵共有M条。使用常规波束形成处理这M条大孔径虚拟直线阵的匹配滤波输出，获得M组水平向高分辨波束输出。垂直向处理以同一水平角度上的M个水平波束输出为输入，使用高分辨算法(比如自适应波束形成)处理这些输入获得垂直向成像结果。将水平向成像结果和垂直向成像结果相结合，获得最终的高分辨三维前视成像结果。

3.通过计算机数值仿真给出了具有相同尺寸的MIMO声纳和SIMO声纳的三维前视成像结果，从成像结果证明，与传统的基于SIMO声纳的成像前视成像方法相比，所提MIMO声纳三维前视成像方法具有更高的水平向角度分辨率和更优的垂直向成像性能。

本发明解决现存问题所采用的技术方案可分为以下5个步骤：

1)设计可用于高分辨三维前视成像的MIMO声纳阵型和正交波形。该阵型和正交波形。MIMO声纳阵型由2个发射换能器、M条接收ULA组成。其中，ULA的数目M大于等于3，每条ULA中的水听器数目N大于等于8。2个发射换能器组成的2元ULA和M条接收ULA相互平行，且中垂线相互重合。针对2个发射换能器，设计用于该MIMO声纳的2个正交波形。2个正交波形具有相同的频段和相同的脉宽，其自相关函数具有相同的主瓣，自相关函数旁瓣小于等于自相关函数主瓣峰值的0.01倍，2个正交波形的互相关函数峰值小于等于自相关函数主瓣峰值的0.01倍。

2)根据设计的阵型和波形，进行信号的发射和采集。2个发射换能器同时发射设计的正交信号，M条接收ULA同步采集目标场景的回波。

3)进行水平向处理。对M条接收ULA上的回波进行匹配滤波处理，获得M组匹配滤波输出，其中每组包含2N个匹配滤波输出。根据2N元ULA的加权方式，采用常规波束形成对每组中2N个匹配滤波输出进行多波束处理，共获得M组水平多波束输出，每组包含Q个水平波束。

4)进行垂直向处理。将具有相同水平波束角的水平波束输出划分为一组，作为垂直向处理的输入，每组共有M个输入，且组数为Q。使用高分辨空间谱估计算法处理每组输入，获得垂直向成像结果。

5)将水平向处理结果和垂直向处理结果进行结合，获得最终的高分辨三维前视成像结果。

下面对本发明的每个步骤作详细说明：

步骤1)主要涉及高分辨三维前视成像MIMO声纳的阵型和波形设计，其相关理论和具体内容如下：

所设计的MIMO声纳阵型包含2个发射换能器和M条接收ULA。其中，M大于等于3，N大于等于8。2个发射换能器组成2元发射ULA。2元发射ULA和M条N元接收ULA相互平行，且中垂线相互重合。

发射换能器间距d_t与N元接收ULA的阵元间距d_r满足：

d_t＝Nd_r (1)

接收ULA的阵元间距d_r的取值范围满足d_r∈[λ/2,λ]，其中，∈表示数学符号属于，λ为信号所覆盖频段中心频点上的波长。M条相互平行的接收ULA之间的距离为d_z，其取值范围满足d_z∈[λ/2,λ]。发射ULA和接收ULA之间的最小距离为L_z，其范围是L_z∈[λ/2,N×d_r]：

综上所述，本发明所设计高分辨三维前视成像MIMO声纳的阵型示意图如图1所示。

针对所设计的MIMO声纳阵型，设计2个正交波形。由于仅使用2个发射换能器，因此仅需要2个正交波形即可。在设计正交波形时，要求2个正交波形的自相关函数具有相同的主瓣，且自相关函数旁瓣小于等于自相关函数主瓣峰值的0.01倍。同时，2个正交波形之间的互相关函数峰值小于等于自相关函数主瓣峰值的0.01倍。设计这类正交波形的方法有很多种，且产生的正交波形也有多种。能够用于本发明中的这类信号有：一对频带相同但调频方向相反的线性调频信号、2个具有相同频段的正交多相编码信号、2个具有相同频段的跳频编码信号等。

以一对频带相同、调频方向相反的线性调频信号为例，其表达式s_m(t)(m＝1,2)为：

其中，t表示时间，T₀为发射信号的脉冲宽度，B₀为单个信号带宽，f₁为信号起始频率，f₂为结束频率，且f₂-f₁＝B₀。

步骤2)主要关于MIMO声纳信号的发射与采集，其涉及的相关理论和具体内容如下：

利用设计好的阵型和波形，通过MIMO声纳的2个发射换能器同时发射2个正交波形。使用M条N元接收ULA同时采集回波。

第m(m＝1,2，···,M)条接收ULA中第n(n＝1,2，···,N)个接收水听器上的回波表示为

则第m条接收ULA上的回波X^m可表示为：

步骤3)主要涉及高分辨三维前视成像MIMO声纳的成像处理，其相关理论和具体内容如下：

使用2个正交信号分别对接收ULA上的回波X^m进行匹配滤波，获得2N个匹配滤波输出。其中，第一个正交波形获得一组N个匹配滤波输出，另一个正交波形获得另一组N个匹配滤波输出。这两组共2N个匹配滤波输出可等效为2N元虚拟ULA上的脉冲压缩输出(SunChao,Liu Xionghou,Zhuo Jie,Liu Zongwei.High-resolution 2-D sector-scanimaging using MIMO sonar with narrowband LFM pulses.OCEANS,13,San Diego,USA,2013.9.)，且该虚拟ULA的阵元间距为d_r。通过匹配滤波处理，每条接收ULA都获得了2N元大孔径虚拟ULA，等效于每条接收ULA都提高了角度分辨率。M条N元接收ULA共获得M条2N元大孔径虚拟ULA。

具体地，对第m条接收ULA所获得的2N个匹配滤波输出而言，设其中某个匹配滤波输出为

则2N个匹配滤波输出Y^m可表示为：

对2N个匹配滤波输出Y^m进行水平向波束形成处理，获得Q个水平波束输出。第q(q＝1,2,…,Q)个水平波束对应的扫描向量w(θ_q)可表示为：

其中，θ_q表示第q个水平波束的扫描角度，a表示幅度加权向量，⊙表示hadamard积，c表示水下声传播速度。对应的水平向常规波束形成输出

可表示为：

对所有M条2N元大孔径虚拟ULA进行水平多波束处理，共获得MQ个水平波束输出。

完成水平向波束形成处理后，进行垂直向高分辨处理。将具有相同水平波束角的水平波束输出归为一组，设第q组为p_h(θ_q)，其表达式为：

在垂直向使用高分辨算法处理每组具有相同水平波束角的水平波束输出。可用的高分辨算法有多种，如Capon波束形成法、MUSIC法、ESPRIT法、压缩感知法等。对第q组具有相同水平波束角的水平波束输出而言，以Capon波束形成为例，设所获得的垂直向高分辨波束输出为p_v(φ_p)，其表达式为：

p_v(φ_p)＝w^H(φ_p)R_qw(φ_p) (9)

其中，R_q为第q组中M个输出构建的M×M维协方差矩阵，

为垂直向Capon波束形成的加权向量，

φ_p为垂直向第p个波束对应的扫描角。每组共获得P个垂直向输出，Q组共获得QP个垂直向波束输出。

水平向处理和垂直向处理完成后，提取所有水平向、垂直向波束输出的强度，即可得到三维成像结果。

本发明的主要步骤流程如图2所示，对回波进行处理以获得高分辨三维前视成像结果的流程如图3所示。

以典型的水下三维前视成像过程为例，给出本发明的实施实例。实施实例分别从多散射点目标的成像结果来验证所提MIMO声纳成像方法具有更优的三维前视成像性能。

1)设定成像声纳和发射信号参数：

假设发射信号为声波，其在水下的传播速度为1500米/秒。MIMO声纳由2个发射换能器和8条接收ULA组成。每条接收ULA包含128个接收水听器，接收水听器阵元间距为λ/2，其中λ对应着400kHz声波信号在水下的波长。相邻两条接收ULA之间的间距为λ/2。MIMO声纳发射换能器所在直线与最近的接收ULA的距离为L_z＝16λ。MIMO声纳的几何中心位于三维坐标的原点处。

SIMO声纳具有1个发射换能器，其接收阵与MIMO声纳的接收阵相同。该发射换能器与最近的接收ULA的距离为16λ。

MIMO声纳的发射信号为一对同频段、等带宽、等脉宽的正负调频线性调频信号(见式(2)和式(3))，其带宽为40kHz，脉宽为40ms，频段为380kHz-420kHz。SIMO声纳的发射信号为MIMO声纳所用的2个正交信号中的一个，即正调频线性调频信号。SIMO声纳的几何中心位于三维坐标的原点处。

2)设定水下目标位置：

仿真中，水下目标由3个散射点组成，分别设为S₁、S₂和S₃。3个散射点对应的参数如表1所示。对应的成像场景图如图4所示。

表1水下目标中3个散射点的参数

散射点	斜距/m	水平角/°	垂直角/°	目标强度/dB
					S<sub>1</sub>	100	90	98	0
S<sub>2</sub>	100	91.5	100	0
					S<sub>3</sub>	100	94	102	-5

3)进行三维成像：

使用375kHz的解调频率对回波进行解调。解调后，每个接收水听器上的采样频率为200kHz，信噪比设为0dB，所加噪声为高斯白噪声。信噪比采用功率信噪比定义，即信号功率与噪声功率之比，且噪声功率采用频带级定义。进行水平向处理时，MIMO声纳和SIMO声纳都使用常规波束形成进行处理，且幅度加权均为1。水平波束角扫描范围是45°到135°，扫描间隔为0.1°。在使用垂直向处理时，MIMO声纳和SIMO声纳均采用Capon波束形成处理，垂直波束扫描角从90°到135°，扫描间隔为0.1°。

采用传统SIMO声纳进行三维成像的结果如图4所示，采用所提MIMO声纳进行三维成像的结果如图5所示。对比图4(a)和图5(a)可知，所提MIMO声纳可以获得高于传统SIMO声纳的水平向角度分辨率。对比图4(b)和图5(b)可知，传统SIMO声纳水平向角度分辨率不足，导致垂直向成像结果的目标强度严重偏离真实值；而所提MIMO声纳提高了水平向角度分辨率，所获得的垂直向成像结果的目标强度接近真实的目标强度，从而说明了所提MIMO声纳具有更优的垂直向成像性能。传统SIMO声纳和所提MIMO声纳成像结果的水平向切片和垂直向切片分别如图6(a)和图6(b)所示。从图6(a)可知，所提MIMO声纳成像结果中可以看到90°和91.5°处的两个散射点，传统SIMO声纳成像结果中只能看到单个散射点，因此所提MIMO声纳具有更高的水平向角度分辨率。从图6(b)可知，所提MIMO声纳成像结果中的目标强度为-5.887分贝，传统SIMO声纳成像结果中的目标强度为-16.09分贝，可见MIMO声纳成像结果更接近真实值，具有更优的垂直向成像性能。

根据实施实例，可以认为：在使用相同阵列尺寸、相同工作频率的前提下，与传统SIMO声纳成像方法相比，本发明所提MIMO声纳高分辨三维前视成像方法具有更高的水平向角度分辨率，同时具有更优的垂直向成像性能。

Claims (1)

1.一种MIMO声纳高分辨三维前视成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：定义用于高分辨三维前视成像的MIMO声纳阵型和正交波形，包括以下子步骤：

子步骤一：MIMO声纳阵型包括2个发射换能器和M条接收均匀直线阵ULA；ULA的数目M大于等于3，每条ULA中的接收水听器的数目N大于等于8；2个发射换能器组成的2元ULA和M条接收ULA相互平行，且中垂线相互重合；

发射换能器间距d_t与N元接收ULA的阵元间距d_r满足：

d_t＝Nd_r

接收ULA的阵元间距d_r的取值范围满足d_r∈[λ/2,λ]，其中，∈表示数学符号属于，λ为信号所覆盖频段中心频点上的波长；M条相互平行的接收ULA之间的距离为d_z，其取值范围满足d_z∈[λ/2,λ]；发射ULA和接收ULA之间的最小距离为L_z，其范围是L_z∈[λ/2,N×d_r]；

子步骤二：2个正交波形具有相同的频段和相同的脉宽，其自相关函数具有相同的主瓣，自相关函数旁瓣小于等于自相关函数主瓣峰值的0.01倍，2个正交波形的互相关函数峰值小于等于自相关函数主瓣峰值的0.01倍；

步骤二：根据步骤一得到的MIMO声纳阵型和正交波形，对正交信号进行发射和采集；通过2个发射换能器同时发射2个正交波形，使用M条N元接收ULA同时采集回波；

第m(m＝1,2，…,M)条接收ULA中第n(n＝1,2，…,N)个接收水听器上的回波表示为

其中t表示时域，则第m条接收ULA上的回波X^m可表示为：

步骤三：对发射和采集的信号进行成像处理，包括以下子步骤：

子步骤一：进行水平向波束形成处理：

对第m条接收ULA所获得的2N个匹配滤波输出，这2N个匹配滤波输出可等效为2N元大孔径虚拟ULA上接收信号；设其中某个匹配滤波输出为

则2N个匹配滤波输出Y^m可表示为：

对2N个匹配滤波输出Y^m进行水平向波束形成处理，获得Q个水平波束输出；第q(q＝1,2,…,Q)个水平波束对应的扫描向量w(θ_q)可表示为：

其中，θ_q表示第q个水平波束的扫描角度，a表示幅度加权向量，⊙表示hadamard积，c表示水下声传播速度；对应的水平向常规波束形成输出

可表示为：

其中，下标h表示水平方向的意思，上标H表示取共轭；对所有M条2N元大孔径虚拟ULA进行水平多波束处理，共获得MQ个水平波束输出；

子步骤二：进行垂直向高分辨处理：将具有相同水平波束角的水平波束输出归为一组，设第q组为p_h(θ_q)，其表达式为：

在垂直向使用高分辨算法处理每组具有相同水平波束角的水平波束输出，获得垂直向高分辨波束输出；

子步骤三：提取子步骤一和子步骤二中所有水平向、垂直向波束输出的强度，即得到三维成像结果。

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