CN110412585B - 一种基于mvdr的下视合成孔径三维成像方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于MVDR的下视合成孔径三维成像方法及系统，所述方法包括：根据声纳系统工作参数计算声纳回波数字信号，对声纳回波数字信号进行深度向脉冲压缩处理，获得深度向压缩后信号；对深度向压缩后信号进行沿航向合成孔径处理，同时实现跨航向的相位补偿，由此获得成像信号；在空域上将跨航向合成孔径划分成若干个子阵，计算成像信号在跨航向的每个子阵的MVDR波束形成的加权因子，由此计算跨航向波束形成，形成最后的三维图像。本发明提出的基于MVDR下视合成孔径高分辨成像方法，可有效的提高下视合成孔径成像声纳跨航向成像分辨率。

Description

一种基于MVDR的下视合成孔径三维成像方法及系统

技术领域

本发明涉及成像声纳系统领域，特别涉及一种基于MVDR的下视合成孔径三维成像方法及系统。

背景技术

下视合成孔径三维成像技术是一种基于合成孔径技术新的三维成像体制，该技术不仅具有与传统侧视合成孔径成像声纳的方位向的高分辨率，并具有目标深度向测量的能力。该成像体制在声波传播方向(深度向)和方位向(沿航向)可以通过脉冲压缩和合成孔径技术获得高分辨成像，但跨航向分辨能力受到接收阵长度的限制，通过增加跨航向接收阵的长度可以有效提高跨航向分辨率，但其系统实现的难度、复杂度和成本均会急剧增加。

发明内容

本发明的目的在于：针对下视合成孔径三维成像声纳跨航向成像分辨率受到物理孔径约束，分辨率难以提高的问题，提出了一种基于MVDR处理技术的高分辨下视合成孔径三维成像方法，该方法的跨航向成像分辨率获得了明显的提高，改善了跨航向成像质量。

为了实现上述目的，本发明提出了一种基于MVDR的下视合成孔径三维成像方法，该方法包括：

根据声纳系统工作参数计算声纳回波数字信号，对声纳回波数字信号进行深度向脉冲压缩处理，获得深度向压缩后信号；

对深度向压缩后信号进行沿航向合成孔径处理，同时实现跨航向的相位补偿，由此获得成像信号；

在空域上将跨航向合成孔径划分成若干个子阵，计算成像信号在跨航向的每个子阵的MVDR波束形成的加权因子，由此计算跨航向波束形成，形成最后的三维图像。

作为上述方法的一种改进，所述根据声纳系统工作参数计算声纳回波数字信号，对声纳回波数字信号进行深度向脉冲压缩处理，获得深度向压缩后信号；具体包括：

步骤1-1)下视合成孔径声纳沿y方向以速度v匀速直线航行，则第m个接收阵元的位置(x_m,y_R,0)：

其中，0≤m≤M-1，M为接收阵元的个数；L表示接收阵孔径，y表示接收阵所在的沿航向坐标值；η表示沿航向基阵运动的慢变时间，v表示运动速度；

采用等效相位中心(X_m,Y,0)表示接收阵第m个阵元的位置：

其中，t2r表示发射阵与接收阵所在的xOz之间的距离；

步骤1-2)计算等效相位中心(X_m,Y,0)与水下三维场景中目标点T＝(x₀,y₀,z₀)的距离R_m为：

由此得到下视合成孔径声纳各接收阵元的时延τ＝2R/c，c为声速；

步骤1-3)采用线性调频信号的声纳发射信号为：

其中f表示载波频率，K_r表示线性调频信号的调频率，T_r为脉冲宽度，t_k表示第k个时域采样时刻；

经目标反射后的回波信号经过解调后表示为：

其中，σ表示回波信号幅度；

步骤1-4)对回波信号进行深度向脉冲压缩处理，获得深度向压缩后信号ee_m(t_k,y)：

ee_m(t_k,y)＝A_r sinc[K_rT_p(t_k-2R_m/c)]·exp(-j4πf R_m/c) (7)

其中，A_r表示目标散射强度。

作为上述方法的一种改进，所述对深度向压缩后信号进行沿航向合成孔径处理，同时实现跨航向的相位补偿，由此获得成像信号；具体包括：

步骤2-1)计算每个像素点每个阵元的时延参数Δt_m,i：

其中，i表示第i个像素点；(x_i,y_i,z_i)为第i个像素点的坐标值；

步骤2-2)沿航向合成孔径成像处理表达式为：

其中，方位向慢变时间η＝p_η×prt，prt表示脉冲重复周期，P表示第i个像素点声波照射的脉冲个数。

作为上述方法的一种改进，所述在空域上将跨航向合成孔径划分成若干个子阵，计算成像信号的跨航向的MVDR波束形成的加权因子，由此计算跨航向波束形成，形成最后的三维图像，具体包括：

步骤3-1)在空域上将跨航向实孔径阵列分成多个子阵，每个子阵包含M_sub个阵元，第sn个子阵序列表示为：

其中，0≤sn≤N_Sn＝M-M_sub；N_Sn表示空域平均的子阵数；

步骤3-2)计算空域-时域平均的协方差矩阵：

其中，N_Q＝2Q+1表示时域平均的采样点数，Q为前后向采样点数；若k-Q≤0，则

为M_sub×M_sub维的协方差矩阵；

步骤3-3)对协方差矩阵

进行对角加载处理，得到加载处理后的矩阵

其中，I表示M_sub×M_sub维的单位矩阵，tr{·}表示矩阵的迹；

步骤3-4)根据矩阵

计算MVDR波束形成的加权因子w(t_k)：

其中，a表示M_sub×1维的单位矢量；

步骤3-5)根据MVDR波束形成的加权因子，计算跨航向MVDR波束形成，三维成像第i个像素点的波束能量I_i的计算表示式为：

本发明提出了一种基于MVDR的下视合成孔径三维成像系统，所述系统包括：

深度向脉冲压缩处理模块，用于根据声纳系统工作参数计算声纳回波数字信号，对声纳回波数字信号进行深度向脉冲压缩处理，获得深度向压缩后信号；

沿航向合成孔径处理模块，用于对深度向压缩后信号进行沿航向合成孔径处理，同时实现跨航向的相位补偿，由此获得成像信号；

跨航向的相位补偿处理模块，用于在空域上将跨航向合成孔径划分成若干个子阵，计算成像信号的跨航向的MVDR波束形成的加权因子，由此计算跨航向波束形成，形成最后的三维图像。

本发明提出了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的方法。

本发明提出了一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序当被处理器执行时使所述处理器执行上述的方法。

本发明的优势在于：

在下视合成孔径三维成像声纳回波模型的基础上，本发明提出了一种基于MVDR技术的高分辨成像方法，该方法有效的提高了跨航向成像分辨率，改善了跨航向成像质量。

附图说明

图1为本发明的下视合成孔径三维成像声纳回波信号几何模型示意图；

图2(a)为使用本发明的方法得到的油管目标的跨航向-沿航向二维图；

图2(b)为使用本发明的方法得到的油管目标的沿航向-深度向二维图；

图2(c)为使用本发明的方法得到的油管目标的跨航向-深度向二维图；

图3(a)为使用典型的时域下视合成孔径三维成像算法得到的油管目标的跨航向-沿航向二维图；

图3(b)为使用典型的时域下视合成孔径三维成像算法得到的油管目标的沿航向-深度向二维图；

图3(c)为使用典型的时域下视合成孔径三维成像算法得到的油管目标的跨航向-深度向二维图。

具体实施方式

现结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

本发明关键的部分是在近场情况下实现了基于MVDR的高分辨下视合成孔径三维成像处理，下视合成孔径三维成像声纳主要工作在近场情况下，这样其跨航向、沿航向与深度向是相互耦合的，对于高分辨处理方法很难应用于其中，本发明针对跨航向分辨率难以提高和近场难以处理的这一问题，实现了近场情况下基于MVDR的高分辨下视合成孔径三维成像方法，实现了高分辨成像。

实施例1

本发明的实施例1提供了一种近场的基于MVDR(the Minimum VarianceDistortionless Response，最小方差无失真响应)的下视合成孔径三维成像方法，该方法包括：

步骤1)根据声纳系统工作参数，计算声纳回波数字信号，对数字信号进行深度向脉冲压缩处理；

下视合成孔径声纳回波信号几何模型如图1所示，发射接收阵距离海底高度为H，下视合成孔径声纳沿y方向以速度v匀速直线航行。其中圆形表示接收阵，方形表示发射阵，共M个接收阵元。根据图1中下视合成孔径声纳目标回波模型，目标的位置坐标为(x₀,y₀,z₀)，获得距离R₀处目标波束方向的单位矢量表达式为u＝(u_x,u_y,u_z)＝(x₀,y₀,z₀)/R₀，其中

发射阵元的位置为(0,y_T,0)，接收阵元的位置为v＝(x_m,y_R,0)，对应与图1中的几何位置关系可以将接收阵元表示为：

其中，0≤m≤M-1，M为接收阵元的个数；L表示接收阵孔径，y表示接收阵所在的沿航向坐标值；η表示沿航向基阵运动的慢变时间，v表示沿航向基阵的运动速度；

发射阵元表示为y_T＝y_R+t2r，其中t2r表示发射阵与接收阵所在的xOz之间的距离，为了简化模型，本发明采用等效相位中心描述换能器阵列的位置表示为：

利用等效相位中心的假设，计算等效的接收单元与水下三维场景中目标点T＝(x₀,y₀,z₀)的距离为：

所以可以得到下视合成孔径声纳各接收单元的时延表达式表示为τ＝2R_m/c，声纳发射信号采用线性调频信号为：

其中，f₀表示载波频率，K_r表示线性调频信号的调频率，T_r为脉冲宽度，t_k表示第k个时域采样时刻；

经目标反射后的第m个阵元回波信号经过解调后表示为：

其中，σ表示回波信号幅度；

利用快速傅里叶变换(FFT)进行N_f点FFT获得频域的回波信号表示为：

其中，K表示时域采样总数；n_f表示频点序号；

对频域回波信号进行匹配滤波处理，在频域完成参考函数的相乘处理，然后进行傅里叶反变换，处理表示为：

其中，A_r表示目标散射点稀疏；K_r表示LFM脉冲信号的调频率；T_p表示LFM脉冲信号的脉冲宽度；

表示第n_f个频点的频率；

表示深度向匹配滤波参考函数，表示为：

步骤2)对深度向脉冲压缩后信号进行近场沿航向时域成像处理，获得沿航向成像结果，同时完成跨航向的相位补偿；

沿航向的合成孔径处理与跨航向的相位补偿是本发明的关键部分之一，对沿航向进行合成孔径处理获得沿航向的成像结果，同时完成跨航向的相位补偿，为步骤3)跨航向的高分辨成像处理奠定基础。

步骤2)的计算方法如下：

对每个接收阵元进行沿航向逐点延时叠加处理，完成沿航向的合成孔径成像处理，每个阵元的时延参数表示为：

其中Δt_m,i表示第m个阵元与第i个像素点之间的时延，i表示第i个像素点；(x_i,y_i,z_i)为第i个像素点的坐标值；

沿航向合成孔径成像处理表达式为：

其中，方位向慢变时间η＝p_η×prt，prt表示脉冲重复周期，P表示第i个像素点声波照射的脉冲个数。

步骤3)对步骤2)得到的沿航向成像结果进行分块空间与时域滑动的MVDR高分辨处理，获得跨航向高分辨成像，最后形成三维图像。

跨航向高分辨(基于MVDR)成像处理方法是本发明的关键部分之一，对步骤2)中获得的信号S_m,i(t_k)进行跨航向MVDR波束形成处理，获得跨航向成像结果，最后形成成像结果。

步骤3)的计算方法如下：

步骤2)处理后获得的信号S_m,i(t_k)表示成矩阵的形式：

其中，U为像素点的个数；

第i个像素点的时间序列为S_i＝[S_0,i(t_k) S_1,i(t_k) … S_M-1,i(t_k)]^T，利用该时间序列计算空域-时域平均的协方差矩阵，空域上对跨航向实孔径阵列分成多个子阵，每个子阵包含M_sub个阵元，所以子阵序列可以表示为：

计算空域-时域平均的协方差矩阵表示为：

其中N_Q＝2Q+1表示时域平均的采样点数，Q为前后向采样点数：若k-Q≤0，则

N_Sn＝M-M_sub表示空域平均的子阵数；

为M_sub×M_sub维的协方差矩阵。

为了避免协方差矩阵出现秩亏现象，本发明中利用对角加载方法对协方差矩阵进行修正，表示为：

其中I表示M_sub×M_sub维的单位矩阵，tr{·}表示矩阵的迹。

根据协方差矩阵计算MVDR波束形成的加权因子，计算式表示为：

其中a表示M_sub×1维的单位矢量。

根据所求得的MVDR波束形成加权因子，可计算跨航向MVDR波束形成结果，三维成像第i个像素点的波束能量I_i的计算表示式为：

通过海上试验对本发明提出的基于MVDR技术的高分辨下视合成孔径三维成像方法进行验证，海上试验选取半掩埋的输油管道目标进行三维成像，典型的油管目标成像结果如图2(a)、图2(b)和图2(c)所示；从图中可以看出，本发明的方法能够有效的对目标进行三维成像，验证了本发明方法的有效性。

为了说明本发明方法的跨航向的高分辨成像结果，使用典型的时域下视合成孔径三维成像算法的成像结果如图3(a)、图3(b)和图3(c)所示，对比本发明成像结果(图2(a)、图2(b)和图2(c))，本发明方法的跨航向成像分辨率得到了明显提升，进一步说明了本发明方法的有效性。

实施例2

本发明的实施例2提供了一种基于MVDR的下视合成孔径三维成像系统，所述系统包括：

深度向脉冲压缩处理模块，用于根据声纳系统工作参数计算声纳回波数字信号，对声纳回波数字信号进行深度向脉冲压缩处理，获得深度向压缩后信号；

沿航向合成孔径处理模块，用于对深度向压缩后信号进行沿航向合成孔径处理，由此获得成像信号；

跨航向的相位补偿处理模块，用于在空域上将跨航向合成孔径划分成若干个子阵，计算成像信号的跨航向的MVDR波束形成的加权因子，由此计算跨航向波束形成，形成最后的三维图像。

实施例3

本发明的实施例3提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现实施例1的方法。

实施例4

本发明的实施例4提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序当被处理器执行时使所述处理器执行实施例1的的方法。

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 (5)

1.一种基于MVDR的下视合成孔径三维成像方法，所述方法包括：

根据声纳系统工作参数计算声纳回波数字信号，对声纳回波数字信号进行深度向脉冲压缩处理，获得深度向压缩后信号；

对深度向压缩后信号进行沿航向合成孔径处理，同时实现跨航向的相位补偿，由此获得成像信号；

在空域上将跨航向合成孔径划分成若干个子阵，计算成像信号在跨航向的每个子阵的MVDR波束形成的加权因子，由此计算跨航向波束形成，形成最后的三维图像；

所述根据声纳系统工作参数计算声纳回波数字信号，对声纳回波数字信号进行深度向脉冲压缩处理，获得深度向压缩后信号；具体包括：

步骤1-1)下视合成孔径声纳沿y方向以速度v匀速直线航行，则第m个接收阵元的位置(x_m,y_R,0)：

其中，0≤m≤M-1，M为接收阵元的个数；L表示接收阵孔径，y表示接收阵所在的沿航向坐标值；η表示沿航向基阵运动的慢变时间，v表示运动速度；

发射阵元的位置为(0,y_T,0)，y_T＝y_R+t2r；采用等效相位中心(X_m,Y,0)表示接收阵第m个阵元的位置：

其中，t2r表示发射阵与接收阵所在的xOz之间的距离；

步骤1-2)计算等效相位中心(X_m,Y,0)与水下三维场景中目标点T＝(x₀,y₀,z₀)的距离R_m为：

由此得到下视合成孔径声纳各接收阵元的时延τ＝2R/c，c为声速；

步骤1-3)采用线性调频信号的声纳发射信号为：

其中f表示载波频率，K_r表示线性调频信号的调频率，T_r为脉冲宽度，t_k表示第k个时域采样时刻；

经目标反射后的回波信号经过解调后表示为：

其中，σ表示回波信号幅度；

步骤1-4)对回波信号进行深度向脉冲压缩处理，获得深度向压缩后信号ee_m(t_k,y)：

ee_m(t_k,y)＝A_rsinc[K_rT_p(t_k-2R_m/c)]·exp(-j4πfR_m/c) (7)

其中，T_p表示LFM脉冲信号的脉冲宽度；A_r表示目标散射强度。

2.根据权利要求1所述的基于MVDR的下视合成孔径三维成像方法，其特征在于，所述对深度向压缩后信号进行沿航向合成孔径处理，同时实现跨航向的相位补偿，由此获得成像信号；具体包括：

步骤2-1)计算每个像素点每个阵元的时延参数Δt_m,i：

其中，i表示第i个像素点；(x_i,y_i,z_i)为第i个像素点的坐标值；

步骤2-2)沿航向合成孔径成像处理表达式为：

其中，方位向慢变时间η＝p_η×prt，prt表示脉冲重复周期，P表示第i个像素点声波照射的脉冲个数。

3.根据权利要求2所述的基于MVDR的下视合成孔径三维成像方法，其特征在于，所述在空域上将跨航向合成孔径划分成若干个子阵，计算成像信号的跨航向的MVDR波束形成的加权因子，由此计算跨航向波束形成，形成最后的三维图像，具体包括：

步骤3-1)在空域上将跨航向实孔径阵列分成多个子阵，每个子阵包含M_sub个阵元，第sn个子阵序列表示为：

其中，0≤sn≤N_Sn＝M-M_sub；N_Sn表示空域平均的子阵数；

步骤3-2)计算空域-时域平均的协方差矩阵：

其中，N_Q＝2Q+1表示时域平均的采样点数，Q为前后向采样点数；若k-Q≤0，则

为M_sub×M_sub维的协方差矩阵；

步骤3-3)对协方差矩阵

进行对角加载处理，得到加载处理后的矩阵

其中，I表示M_sub×M_sub维的单位矩阵，tr{·}表示矩阵的迹；

步骤3-4)根据矩阵

计算MVDR波束形成的加权因子w(t_k)：

其中，a表示M_sub×1维的单位矢量；

步骤3-5)根据MVDR波束形成的加权因子，计算跨航向MVDR波束形成，则三维成像第i个像素点的波束能量I_i的计算表示式为：

4.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至3中任一项所述的方法。

5.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序当被处理器执行时使所述处理器执行权利要求1至3任一项所述的方法。

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