CN110907937B - 一种基于“t”型阵的掩埋物合成孔径三维成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于“T”型阵的掩埋物合成孔径三维成像方法，所述方法包括：步骤1)根据设定的工作参数计算“T”型阵的声纳回波数字信号；步骤2)根据掩埋目标所在沉积层深度以及沉积层声速，以及水体深度和水体声速剖面计算平均声速，由此计算深度方向的时延参数；步骤3)对所述声纳回波数字信号进行沿航迹方向合成孔径处理，基于步骤2)的深度方向的时延参数在深度向进行脉冲压缩处理，获得目标三维成像数据。本发明的方法有效利用每一帧和每一条轨迹的数据形成二维面阵实现高分辨率的成像结果；在此基础上利用低频信号的穿透性，能够实现对掩埋物的三维成像处理，获取掩埋物的深度及方位信息。

Description

一种基于“T”型阵的掩埋物合成孔径三维成像方法

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“T”型阵的掩埋物合成孔径三维成像方法。

背景技术

随着合成孔径成像声纳(Synthetic Aperture Sonar：SAS)技术的不断发展，利用合成孔径声纳进行海底掩埋物的探测与成像成为了近年来的研究重点，相比于水中及沉底目标，掩埋物的探测与成像受到底质沉积物的散射噪声的影响，使得掩埋物回波信号的信噪比较低，传统的探测及成像方法很难精确地对目标进行探测及成像。同时，掩埋物的底质声传播的衰减系数远高于水中传播的衰减系数，掩埋物的探测要选择较低的频率才能进行有效的目标探测，低频信号对水底的沉积层具有较强的穿透能力，但是低频的成像声纳很难获得较高的成像分辨率，影响对目标的定位及成像质量。

三维成像声纳技术的发展为水下目标的探测识别提供了一个有效的途径，采用合成孔径处理技术对掩埋物进行三维成像，对其进行多角度观察，可以有效地对目标进行探测及识别。合成孔径处理技术与传统的处理方法相比具有如下突出的优势：1)方位向分辨率高且与作用距离无关，可以对远距离目标进行高分辨率成像；2)能够工作在低频，因此穿透性较强，适合掩埋物探测；3)能够提高点目标信噪比，对于漫散射背景下点目标的检测效果良好，因而适合于混响背景下的水雷特别是沉底雷的探测；4)分辨率相等的情况下，测绘速率一般较侧扫声纳高。

由于声波从水中入射到沉积层中存在折射现象，并且存在较大的界损失，所以下视面阵合成孔径声纳三维掩埋目标成像存在一定的深度误差，并造成合成孔径处理出现散焦现象，有效地分析与补偿深度误差能够使下视面阵合成孔径声纳的成像准确度提高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有掩埋物探测及成像存在的上述问题，提出了基于“T”型稀疏面阵的合成孔径三维成像方法，并对声信号从水中入射到沉积层中产生的声速变化带来的影响进行了理论分析，提出采用平均声速法对其进行一定的补偿，获得了更为精确地掩埋物三维成像结果。

为达到上述目的，本发明提供一种基于“T”型阵的掩埋物合成孔径三维成像方法，所述方法包括：

步骤1)根据设定的工作参数计算“T”型阵的声纳回波数字信号；

步骤2)根据掩埋目标所在沉积层深度以及沉积层声速，以及水体深度和水体声速剖面计算平均声速，由此计算深度方向的时延参数；

步骤3)对所述声纳回波数字信号进行沿航迹方向合成孔径处理，基于步骤2)的深度方向的时延参数在深度向进行脉冲压缩处理，获得目标三维成像数据。

作为上述方法的一种改进，所述步骤1)具体包括：

步骤1-1)“T”型阵垂直航迹方向的阵元个数为M，沿航迹方向的阵元个数为N，接收阵与目标的距离R_q,p表示为：

其中，H₀为目标距离声纳的垂直高度，目标的位置坐标为(x₀,y₀,z₀)，1≤q≤Q，阵元总数Q＝M+N；1≤p≤P；P为采集的数据总数；d表示两个阵元的间隔；v表示声纳平台对地运动速度；η表示声纳发射声波的脉冲重复周期；

步骤1-2)计算下视合成孔径声纳的每个接收阵元的接收到的回波信号的精确时延τ_q,p：

其中，c为声速；

步骤1-3)声纳发射信号采用线性调频信号，载频为f₀，调频率为K_r，脉冲宽度为T_r，发射信号s(t)表示为：

步骤1-4)经过目标反射，回波信号s_p,q(t)表示为：

步骤1-5)对回波信号进行正交解调，将其下变频至基带，解调后的信号

为：

作为上述方法的一种改进，所述步骤2)具体包括：

步骤2-1)基于水层深度H，将水层划分为Num层，每层的深度为H_i，声速为c_i，1≤i≤Num；沉积层深度为h，声速为c_h；

步骤2-2)计算水层与沉积层的平均声速

步骤2-3)利用平均声速计算时延参数；

作为上述方法的一种改进，所述步骤3)具体包括：

步骤3-1)解调后的信号

经过深度向脉冲压缩后的信号E_q,p(t)表示为：

其中，A₁为信号E_q,p(t)的幅度；p_r(·)为sinc函数；η表示声纳发射声波的脉冲重复周期；w_a(η×p)表示沿航向的包络；

步骤3-2)脉冲压缩后的信号E_q,p(t)的深度向索引号k_q,p为：

其中，f_s为回波信号的采样频率；k＝1,2,…K，表示深度向采样点的索引号，K为深度向采样点数；Δz为深度向的采样间隔：

u_x,u_y分别为航迹方向及跨航迹方向的扫描的图像像素点位置，u_x,u_y的取值范围为：

其中，θ₃为阵元的波束开角；

步骤3-2)“T”型阵的近场合成孔径聚焦表达式为：

与传统的线阵合成孔径声纳侧扫形式相比，本发明的优势在于：

本发明的方法基于“T”型面阵采用合成孔径处理技术对掩埋物进行三维成像，稀疏面阵的合成孔径三维成像声纳采用下视方式，基于稀疏面阵的下视合成孔径声纳不仅能够弥补侧视合成孔径声纳的正下方盲区，还能够利用轨迹的交叠，有效利用每一帧和每一条轨迹的数据形成二维面阵实现高分辨率的成像结果；在此基础上利用低频信号的穿透性，能够实现对掩埋物的三维成像处理，获取掩埋物的深度及方位信息。

附图说明

图1为本发明的基于“T”型稀疏面阵合成孔径模式图；

图2为本发明的掩埋目标成像过程中声线的传播情况的示意图；

图3为本发明的入射角为15°时，时延估计误差随沉积层声速与掩埋目标深度的变化情况示意图；

图4为本发明的精确时延参数、估计时延参数与修正时延参数的示意图；

图5(a)为声速补偿前掩埋深度3m，水体深度10m的目标垂直航迹方向与航迹方向成像结果示意图；

图5(b)为声速补偿前掩埋深度3m，水体深度10m的目标沿航迹方向成像结果示意图；

图5(c)为声速补偿前掩埋深度3m，水体深度10m的目标垂直航迹方向成像结果示意图；

图5(d)为声速补偿前掩埋深度3m，水体深度10m的目标沿航迹方向与深度向成像结果示意图；

图5(e)为声速补偿前掩埋深度3m，水体深度10m的目标深度向脉冲压缩结果示意图；

图6(a)为声速补偿前掩埋深度3m，水体深度10m的目标平均声速补偿后点目标垂直航迹方向与航迹方向成像结果示意图；

图6(b)为声速补偿前掩埋深度3m，水体深度10m的目标平均声速补偿后点目标沿航迹方向成像结果示意图；

图6(c)为声速补偿前掩埋深度3m，水体深度10m的目标平均声速补偿后点目标垂直航迹方向结果示意图；

图6(d)为声速补偿前掩埋深度3m，水体深度10m的目标平均声速补偿后点目标沿航迹方向与深度向成像结果示意图；

图6(e)为声速补偿前掩埋深度3m，水体深度10m的目标平均声速补偿后点目标深度向脉冲压缩结果示意图。

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步的描述。

本发明提供了一种基于“T”型稀疏面阵的掩埋物合成孔径三维成像方法，该方法包括：计算基于“T”型稀疏面阵的声纳回波数据、基于“T”型稀疏面阵回波数据合成孔径处理获得三维成像和采用平均声速方法进行声速补偿修正三维成像结果；该方法的具体步骤包括：

步骤1)根据设定的工作参数计算出基于“T”型稀疏面阵的声纳回波数字信号；

步骤2)将所述的声纳回波数字信号进行沿航迹方向合成孔径处理，垂直航迹方向采用常规波束形成处理，深度向进行脉冲压缩处理，获得目标三维成像数据；

步骤3)根据步骤2)获得的三维成像数据中掩埋物的估计深度，以及水体深度和水体声速剖面求解平均声速，将平均声速带入步骤2)中合成孔径三维成像算法中的时延参数的求解当中，获得更为精确的掩埋物三维成像结果。

本发明关键的部分是对基于“T”型稀疏面阵进行合成孔径三维成像处理，该部分能容集中在步骤2)中。下面对其进行详细的说明。

所述的步骤2)中合成孔径三维成像算法是本发明的关键部分，对基于“T”型稀疏面阵的回波信号进行合成孔径处理，获得目标的三维成像结果。步骤2)的计算方法如下：

基于“T”型面阵的合成孔径三维成像声纳的布阵形式如图1所示，沿航迹方向形成一条子阵布阵方式，可以有效的提高下视合成孔径声纳的测绘效率。假设采用收发合置换能器基阵，阵元的波束开角为θ₃，目标距离声纳的垂直高度为H₀，目标的位置坐标为(x₀,y₀,z₀)，不失一般性z₀＝H₀。沿航迹方向的慢变时间η。“T”型稀疏面阵垂直航迹方向的阵元个数为M，沿航迹方向的阵元个数为N，根据接收阵与目标的位置关系，可以得到P乒数据，沿航迹方向的接收阵与目标的距离R_m,p表示为：

其中，1≤m≤M，1≤p≤P；

垂直航迹方向的接收阵与目标的距离R_n,p表示为：

其中，1≤n≤N，1≤p≤P；

“T”型稀疏面阵的阵元总数为Q＝M+N，可以将接收阵与目标的距离R_q,p表示为：

所以可以得到下视合成孔径声纳的每个接收阵元的接收到的回波信号的精确时延τ_q,p表达式表示为：

声纳发射信号采用线性调频信号，载频为f₀，调频率为K_r，脉冲宽度为T_r，发射信号s(t)可表示为：

经过目标反射，回波信号s_p,q(t)可表示为

根据得到回波信号，对回波信号进行正交解调，将其下变频至基带。得到解调后的信号

为：

对其进行深度向的脉冲压缩，然后通过时域近场聚焦波束形成算法对回波信号进行逐点时延补偿，获得目标的三维图像。深度向处理：对回波信号进行脉冲压缩，深度向脉冲压缩通过匹配滤波实现，匹配滤波器为：

深度向脉冲压缩后的信号，在深度向呈现为sinc包络的形状，深度向脉冲压缩后信号E_q,p(t)表示为：

其中，A₁为信号E_q,p(t)的幅度；p_r(·)为sinc函数；η表示声纳发射声波的脉冲重复周期；w_a(η×p)表示沿航向的包络；

假设回波信号的采样频率为f_s，深度向的采样间隔可以表示为

深度向采样点数为K，“T”型稀疏面阵在航迹方向及垂直航迹方向的成像范围表示为：

其中，H表示水层深度；所以“T”型稀疏面阵近场合成孔径聚焦表达式：

其中k＝1,2,…K，表示深度向采样点的索引号；P表示合成孔径的乒数；Q表示T”型稀疏面阵的阵元总数；k_q,p表示脉冲压缩后的回波信号的深度向索引号，相当于时延参数，表示为

所述的步骤3)平均声速补偿方法对成像算法中声速进行修正，对于掩埋物三维成像受到沉积层声速突变的影响，需要进行声速补偿以防止合成孔径处理出现散焦现象。步骤3)的计算方法如下：

掩埋物的三维成像，声信号从水中入射到沉积层后声速变化很大，使得声传播路径发生扭曲，因此构造时延表时需要对声速进行补偿，来减小延时的误差。针对掩埋目标三维成像，声波经历了由水层透射进入沉积层的过程，图2是掩埋目标成像过程中声线的传播情况。根据图2声线传播模型可以得到精确的时延参数表达式为：

其中H表示水层深度，h表示沉积层深度，c₀表示水中声速，c₁表示沉积层声速，θ₀表示水层与沉积层交界面的入射角。当声纳位于掩埋物正上方时，得到最小精确地时延参数为

由于沉积层速度的变化，根据真实的时延参数获得的目标的虚假位置表示为：

所以不考虑声速补偿的情况下，采用水中声速获得的估计时延参数表达式为：

估计时延参数与精确时延参数中存在一定误差，并且误差与掩埋目标的掩埋深度及沉积层的声速相关联，如图3所示，图3为声波在沉积层表明的入射角θ₀＝15°时，时延估计误差随沉积层声速与掩埋目标深度的变化情况，随着沉积层的声速增大及掩埋目标掩埋深度的增加，时延估计误差也随之增大。

如果能够对水下声速进行测量并了解沉积层底质，则可以提前构造声速剖面模型，利用直接声速平均法能够对声速进行一定的补偿。构建声速剖面模型后，利用声速平均法得到的平均声速来求解时延表，能够减小一定的误差。

基于水层深度H，将水层划分为Num层，每层的深度为H_i，声速为c_i，1≤i≤Num；沉积层深度为h，声速为c_h；

计算水层与沉积层的平均声速

利用平均声速计算修正后的时延参数；

图4是对掩埋目标成像中声信号时延的仿真，比较了真实时延、传统时域算法得到的时延与平均声速补偿算法得到的时延。传统的时延估计与真实的时延参数之间存在较大的估计误差，经过对水层声速与沉积层中声速进行平均声速处理获得平均声速值，利用平均声速求得修正的时延参数，图4表明修正后的时延参数与精确时延参数对比估计误差明显减小。

布阵方式如图1所示，垂直航迹方向为含有12个阵元的一条子阵，沿航迹方向的子阵含有4个阵元。信号的中心频率为f₀＝10kHz，采用线性调频(LFM)脉冲信号，信号带宽为B_w＝10kHz，脉冲宽度T_c＝20ms，声纳平台距目标的高度H＝10m，水中声速c＝1500m/s，阵元布阵间隔为0.16m，发射阵的水平开角(3dB带宽)θ_3dB＝60°，目标位置坐标为(0,0,10)。声纳平台运动速度为v，脉冲重复周期为PRT。

表1为当沉积层底质为泥质沙土(与水中声速比例为1.200)时，水层深度为10米，掩埋深度分别为1米、3米、5米的点目标进行成像处理，得到结果如下所示。不进行声速补偿的情况下，随着掩埋深度的增加，目标深度的定位误差随之增大。图5(a)、图5(b)、图5(c)、图5(d)和图5(e)给出了掩埋深度为3m，水体深度为10m情况下点目标的成像结果。从图5(e)可以看出，不做声速补偿的情况下，掩埋物在深度向上定位出现误差，定位深度为12.49m，误差为0.51m。图5(a)为点目标沿航迹方向和垂直航迹方向的成像结果，沿航迹方向的目标聚焦受到沉积层声速突变的影响，合成孔径处理的分辨率下降明显，如图5(b)沿航迹方向的成像结果所示。

表1

采用平均声速对沉积层声速突变进行补偿，表2为当沉积层底质为泥质沙土(与水中声速比例为1.200)时，水层深度为10米，掩埋深度分别为1米、3米、5米的点目标声速补偿后三维成像处理结果。图6(a)、图6(b)、图6(c)、图6(d)和图6(e)给出了掩埋深度为3m，水体深度为10m情况下经过声速补偿后的点目标成像结果。对比图5(e)和图6(e)可以看出，经过声速补偿，掩埋物在深度向上定位获得了一定的矫正，定位深度为13.076m，误差为0.076m。图6(a)为声速补偿后点目标沿航迹方向和垂直航迹方向的成像结果，与图5(a)进行对比，沿航迹方向的目标聚焦受沉积层声速突变的影响得到改善，使得沿航迹方向的合成孔径处理获得了与理论相符的分辨率，如图6(b)沿航迹方向的成像结果所示。

表2

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)

1.一种基于“T”型阵的掩埋物合成孔径三维成像方法，所述方法包括：

步骤1)根据设定的工作参数计算“T”型阵的声纳回波数字信号；

步骤2)根据掩埋目标所在沉积层深度以及沉积层声速，以及水体深度和水体声速剖面计算平均声速，由此计算深度方向的时延参数；

步骤3)对所述声纳回波数字信号进行沿航迹方向合成孔径处理，基于步骤2)的深度方向的时延参数在深度向进行脉冲压缩处理，获得目标三维成像数据；

所述步骤3)具体包括：

步骤3-1)解调后的信号

经过深度向脉冲压缩后的信号E_q,p(t)表示为：

其中，A₁为信号E_q,p(t)的幅度；p_r(·)为sinc函数；η表示声纳发射声波的脉冲重复周期；w_a(η×p)表示沿航向的包络；t为时间；

为时延参数；1≤q≤Q，Q为阵元总数；Q＝M+N，M为“T”型阵垂直航迹方向的阵元个数为，N为沿航迹方向的阵元个数为，1≤p≤P；P为采集的数据总数；

步骤3-2)脉冲压缩后的信号E_q,p(t)的深度向索引号k_q,p为：

其中，c为声速；d表示两个阵元的间隔；v表示声纳平台对地运动速度；f_s为回波信号的采样频率；k＝1,2,…K，表示深度向采样点的索引号，K为深度向采样点数；Δz为深度向的采样间隔：

u_x,u_y分别为航迹方向及跨航迹方向的扫描的图像像素点位置，u_x,u_y的取值范围为：

其中，θ₃为阵元的波束开角；H为水层深度；

步骤3-3)“T”型阵的近场合成孔径聚焦表达式为：

2.根据权利要求1所述的基于“T”型阵的掩埋物合成孔径三维成像方法，其特征在于，所述步骤1)具体包括：

步骤1-1)“T”型阵垂直航迹方向的阵元个数为M，沿航迹方向的阵元个数为N，接收阵与目标的距离R_q,p表示为：

其中，H₀为目标距离声纳的垂直高度，目标的位置坐标为(x₀,y₀,z₀)，1≤q≤Q，阵元总数Q＝M+N；1≤p≤P；P为采集的数据总数；d表示两个阵元的间隔；v表示声纳平台对地运动速度；η表示声纳发射声波的脉冲重复周期；

步骤1-2)计算下视合成孔径声纳的每个接收阵元的接收到的回波信号的精确时延τ_q,p：

其中，c为声速；

步骤1-3)声纳发射信号采用线性调频信号，载频为f₀，调频率为K_r，脉冲宽度为T_r，发射信号s(t)表示为：

其中，t为时间；

步骤1-4)经过目标反射，回波信号s_p,q(t)表示为：

步骤1-5)对回波信号进行正交解调，将其下变频至基带，解调后的信号

为：

3.根据权利要求2所述的基于“T”型阵的掩埋物合成孔径三维成像方法，其特征在于，所述步骤2)具体包括：

步骤2-1)基于水层深度H，将水层划分为Num层，每层的深度为H_i，声速为c_i，1≤i≤Num；沉积层深度为h，声速为c_h；

步骤2-2)计算水层与沉积层的平均声速

步骤2-3)利用平均声速计算时延参数；

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