CN110954904B - 一种单发正交分时发射合成孔径声纳、成像方法及设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种单发正交分时发射合成孔径声纳、成像方法及设备，该成像方法包括：控制一个发射阵在单个脉冲周期内分时发射至少两个正交信号；通过至少一个接收阵元接收正交信号的目标反射的回波信号；该接收阵元包括与正交信号数量相等的接收子通道，每个接收子通道对应接收一个正交信号对应的回波信号；分别对各接收子通道接收的不同回波信号进行脉冲压缩，并按照发射阵和各接收子通道的等效相位中心均匀排列的方式将压缩后的回波信号合成为长接收阵数据；本发明采用一个发射阵以较高的脉冲重复频率依次循环发射多个正交信号，利用发射信号的自身正交性，无需利用多个发射阵增加空间采样位置，可大大降低设备长度、系统复杂性和成本。

Description

一种单发正交分时发射合成孔径声纳、成像方法及设备
技术领域
本发明属于合成孔径声纳技术领域，更具体地，涉及一种单发正交分时发射合成孔径声纳、成像方法及设备。
背景技术
合成孔径声纳技术是一种新型的水下成像技术，主要用于高分辨海底测绘。多接收子阵技术的应用，解决了合成孔径声纳成像系统方位分辨率与ACR的矛盾，这里测绘速率(ACR)定义为最远距离与声纳平台运动速度的乘积ACR＝Rv，使得合成孔径声纳成像系统能够在保证高的方位分辨率的前提下，大大提高系统的测绘速率ACR。
如果需要同时满足距离模糊与高方位分辨率的要求，系统的测绘速率ACR＝c*L/4，其中，c为声速，L为整个接收阵长度。由此可见，要想获得高的测绘速率，就需要接收阵长度更长，而长的接收阵会严重增加声纳的成本和系统复杂度。
发明内容
针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种单发正交分时发射合成孔径声纳、成像方法及设备，采用一个发射阵以较高的脉冲重复频率依次循环发射多个正交信号，利用发射信号的自身正交性，在不增加信号处理复杂度和换能器阵列长度的情况下，将平台运动速度提高数倍，或者在不增加信号处理复杂度和平台运动速度的情况下，大幅度降低换能器阵列长度，或者一定程度上同时改善二者限制，从而克服了上述测绘速率与接收阵长的矛盾。
为实现上述目的，按照本发明的第一个方面，提供了一种单发正交分时发射合成孔径声纳，包括一个发射阵，所述发射阵在一个脉冲周期内分时发射至少两个正交信号，该发射阵在不同脉冲周期循环发送所述至少两个正交信号。
优选的，上述单发正交分时发射合成孔径声纳，还包括沿平台运动方向排列的至少一个接收阵元，用于接收所述正交信号的目标反射的回波信号；
所述接收阵元包括与单个脉冲周期内发射的正交信号数量相等的接收子通道，每个所述接收子通道对应接收一个正交信号对应的回波信号。
优选的，上述单发正交分时发射合成孔径声纳，所述正交信号为正负调频信号、相位编码信号、不同频信号中的任意一种。
按照本发明的第二个方面，还提供了一种单发正交分时发射合成孔径声纳成像方法，该方法包括：
S1：控制一个发射阵在单个脉冲周期内分时发射至少两个正交信号，且该发射阵在不同脉冲周期循环发送所述至少两个正交信号；
S2：通过沿平台运动方向排列的至少一个接收阵元接收所述正交信号的目标反射的回波信号；所述接收阵元包括与单个脉冲周期内发射的正交信号数量相等的接收子通道，每个所述接收子通道对应接收一个正交信号对应的回波信号；
S3：分别对各接收子通道接收的不同回波信号进行脉冲压缩，并按照发射阵和各接收子通道的等效相位中心均匀排列的方式将脉冲压缩后的回波信号合成为长接收阵数据。
优选的，上述单发正交分时发射合成孔径声纳成像方法，还包括：
对合成的长接收阵数据进行相位补偿，并利用成像算法进行成像处理。
优选的，上述单发正交分时发射合成孔径声纳成像方法，当发射阵和各接收子通道的等效相位中心无法均匀排列时，对回波信号进行非均匀处理或插值处理。
优选的，上述单发正交分时发射合成孔径声纳成像方法，所述正交信号为正负调频信号、相位编码信号、不同频信号中的任意一种。
按照本发明的第三个方面，还提供了一种单发正交分时发射合成孔径声纳成像设备，包括一个发射阵、沿平台运动方向排列的至少一个接收阵元以及控制器；
所述控制器包括至少一个处理单元、以及至少一个存储单元；
其中，所述存储单元存储有计算机程序，当所述程序被所述处理单元执行时，使得所述处理单元控制发射阵和接收阵元执行上述任一项所述方法的步骤。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
本发明提供的一种单发正交分时发射合成孔径声纳、成像方法及设备，采用沿平台运动方向的一个发射阵按较小的脉冲重复时间(较高的脉冲重复频率)依次循环发射多个正交信号，经由沿平台运动方向的一组接收阵元实现回波信号的接收。在基本不增加信号处理复杂度的情况下，大大提高平台运动速度限制(等效为缩短换能器阵尺寸)，改善接收阵长、平台运动速度以及最远测绘距离的矛盾，进而提高测绘速率；相比较于多发或多频发射体制，该方法充分利用发射信号的自身正交性，无需利用多个发射阵增加空间采样位置，可大大降低设备长度、系统复杂性和成本。
附图说明
图1是本发明实施例提供的单发正交分时发射合成孔径声纳成像方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的图例说明；
图3是传统单发多接收阵元合成孔径声纳成像的空间分布示意图；
图4是本发明实施例提供的三个正交信号发射的时间划分的示意图；
图5是本发明实施例提供的相邻两个脉冲周期各收发阵元的空间分布的示意图。
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。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1是本实施例提供的一种单发正交分时发射合成孔径声纳成像方法的流程图，参见图1所示，该方法包括以下步骤：
S1：控制一个发射阵在单个脉冲周期内分时发射至少两个正交信号，且该发射阵在不同脉冲周期循环发送所述至少两个正交信号；
图3是传统单发多接收阵元合成孔径声纳成像的空间分布示意图；图4是本实施例提供的单发正交分时发射合成孔径声纳成像方法中三个正交信号发射的时间划分的示意图；图5是本实施例提供的单发正交分时发射合成孔径声纳成像方法中相邻两个脉冲周期各收发阵元的空间分布的示意图。
参见图3～5，以包含六个沿平台运动方向排列的接收阵元的接收阵为例进行说明；传统的单发多接收阵元合成孔径声纳成像方法采用单发射多接收的形式，在单个脉冲周期内(PING1、PING2)发射阵仅发射一个信号，六个接收阵元分别接收该信号的目标反射回波信号，即在单个脉冲周期内接收阵共收到六个可用于成像的回波信号。
本实施例提供的单发正交分时发射合成孔径声纳中，发射阵在一个脉冲周期内(PING1、PING2，…)依次分时发射三个正交信号(S1、S2、S3)，多个脉冲周期内相邻的正交信号之间的时间间隔相等；
本实施例将第一个脉冲周期PING1等分为ping11、ping12、ping13，在ping11、ping12、ping13三个时间间隔内发射阵依次发射正交信号S1、S2、S3；同样的，将第二个脉冲周期PING2等分为ping21、ping22、ping23，在ping11、ping12、ping13三个时间间隔内发射阵再依次发射S1、S2、S3，正交信号发射的时间划分如图4所示，各收发阵元的空间分布如图5所示。
本实施例采用单个发射阵循环发射三个正交信号，正交信号是指互相关系数远小于自相关系数的信号，本实施例中采用的正交信号包括但不限于正负调频信号、相位编码信号、不同频信号等。
S2：通过沿平台运动方向排列的至少一个接收阵元接收所述正交信号的目标反射的回波信号；所述接收阵元包括与单个脉冲周期内发射的正交信号数量相等的接收子通道，每个所述接收子通道对应接收一个正交信号对应的回波信号；
发射阵发射的正交信号(S1、S2、S3)经目标反射后，六个接收阵元接收到回波信号；每个接收阵元包括与单个脉冲周期内发射的正交信号数量相等的接收子通道，每个接收子通道对应采集一个正交信号对应的回波信号，采集长度依据当前发射信号的脉冲重复间隔设置；本实施例中，每个接收阵元均包括三个接收子通道，六个接收阵元构成三组接收子通道，每组包含单个接收阵元中的一个接收子通道，共六个接收子通道；第一组接收子通道用于接收正交信号S1对应的回波信号，第二组接收子通道用于接收正交信号S2对应的回波信号，第三组接收子通道用于接收正交信号S3对应的回波信号；每个接收子通道的采集时长均为PING1或PING2。
本实施例中的一个脉冲PING1，在本例中成为三个脉冲ping11、ping12、ping13，采样率增加为三倍；参照合成孔径声纳成像平台运动速度v、脉冲重复时间PRI和换能器尺寸L三者关系式PRI*v＝L/2，PRI变为原来1/3，故在换能器尺寸不变的前提下，平台运动速度可增加三倍，或者平台运动速度不变的前提下，换能器尺寸缩减为原来1/3。
在三个脉冲ping11、ping12、ping13内，发射阵发射的正交信号S1、S2、S3是相互正交的，因而依据合成孔径声纳成像距离模糊公式Rmax＝PRI*C/2，这里脉冲重复时间PRI应参照PING1、PING2的重复时间，不会造成测绘距离的下降。
S3：分别对各接收子通道接收的不同回波信号进行脉冲压缩，并按照发射阵和各接收子通道的等效相位中心均匀排列的方式将脉冲压缩后的回波信号合成为长接收阵数据。
首先引入相位中心概念，相位中心的孔径长度为阵长D的一半；对多接收阵合成孔径声纳数据进行成像处理的最直接和简便的方法就是采用相位中心近似和相位补偿，将多接收阵的信号转化为单接收阵的形式，然后采用常规逐线成像算法进行处理。这里要求相位中心在平台运动方向上是均匀的、非欠采样的，这就使得平台运动速度v＝3*D/pri，pri为脉冲重复时间间隔。
参见图5，本实施例中，在每个脉冲周期内，三个正交信号S1、S2、S3的目标反射的回波数据分别由六个接收阵元的三组接收子通道接收，因此共有18个相位中心；分别对三组接收子通道接收的不同回波信号进行脉冲压缩；脉冲压缩可以采用匹配滤波的方法实现。
合理设置每个正交信号的发射时刻，使得所有脉冲周期内发射阵与接收阵元的各组接收子通道的等效相位中心均匀排列，若无法均匀排列需进行非均匀处理或插值处理，其中，非均匀处理可采用时域重构方法、频域重构方法、Special-Fit方法以及频域滤波器组重构法等方法；然后按照发射阵和接收阵元的各接收子通道的等效相位中心均匀排列的方式将脉冲压缩后的数据合成为长的接收阵数据。
S4：对合成的长接收阵数据进行相位补偿，并利用成像算法进行成像处理；
利用三组数据采集通道采集的数据合成接收阵脉压数据后，经过相位补偿后即可采用常规的逐线成像算法进行处理，得到声纳图像。
理论上，我们可以将PING1等分N个ping，分别为ping11、ping12……ping1N；因此，采用本发明，在换能器尺寸不变的前提下，平台运动速度可增加N倍，或者平台运动速度不变的前提下，换能器尺寸缩减为原来1/N。这里N的选取受制于正交信号的数量带来的复杂性、信号的脉冲宽度和原脉冲重复间隔的选取等条件制约，需要折衷考虑。
本发明中平台运动速度增加为v＝N*3*D/pri，相比较于传统方法，本发明的优势可从三个方面表述：1、测绘距离、接收阵长不变的前提下，平台运动速度提高了N倍，对应测绘速率提高了N倍，高的平台运动速度可有效改善声纳的运动姿态；2、若平台速度不变，在保证分辨率、测绘距离相同的前提下，可将接收阵总长度减少为原来的1/N，这对于设备的小型化、安装空间有限的场景优势是很明显的；3、若分辨率、平台速度、接收阵长保持不变，本发明可将脉冲重复时间间隔增加到N倍，对应最大测绘距离限制增大了一倍，同样提高了测绘速率。
本发明的代价是数据采集系统复杂性有所增加，但相比较于增加发射阵数量和接收系统复杂度来得到相同的效果，这样的代价可以忽略不计。
本实施例还提供了一种单发正交分时发射合成孔径声纳成像设备，包括一个发射阵、沿平台运动方向排列的至少一个接收阵元以及控制器；该控制器包括至少一个处理器、以及至少一个存储器；其中，所述存储器中存储有计算机程序，当计算机程序被处理器执行时，使得处理器控制发射阵和接收阵元执行上述声纳成像方法的步骤。处理器和存储器的类型不作具体限制，例如：处理器可以是微处理器、数字信息处理器、片上可编程逻辑系统等；存储器可以是易失性存储器、非易失性存储器或者它们的组合等。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种单发正交分时发射合成孔径声纳，其特征在于，包括一个发射阵元和沿平台运动方向排列的至少一个接收阵元；
所述发射阵元在一个脉冲周期内分时发射至少两个正交信号，且同一个脉冲周期内的正交信号之间是相互正交的，该发射阵元在不同脉冲周期循环发送所述至少两个正交信号；
所述接收阵元用于接收所述正交信号的目标反射的回波信号；每个所述接收阵元包括与单个脉冲周期内发射的正交信号数量相等的接收子通道，每个所述接收子通道对应接收一个正交信号对应的回波信号；
各接收子通道接收的不同回波信号经过脉冲压缩后，按照发射阵元和各接收子通道的等效相位中心均匀排列的方式被合成为长接收阵数据。
2.如权利要求1所述的单发正交分时发射合成孔径声纳，其特征在于，所述正交信号为正负调频信号、相位编码信号、不同频信号中的任意一种。
3.一种单发正交分时发射合成孔径声纳成像方法，其特征在于，包括：
S1：控制一个发射阵元在单个脉冲周期内分时发射至少两个正交信号，且同一个脉冲周期内的正交信号之间是相互正交的，该发射阵元在不同脉冲周期循环发送所述至少两个正交信号；
S2：通过沿平台运动方向排列的至少一个接收阵元接收所述正交信号的目标反射的回波信号；所述接收阵元包括与单个脉冲周期内发射的正交信号数量相等的接收子通道，每个所述接收子通道对应接收一个正交信号对应的回波信号；
S3：分别对各接收子通道接收的不同回波信号进行脉冲压缩，并按照发射阵元和各接收子通道的等效相位中心均匀排列的方式将脉冲压缩后的回波信号合成为长接收阵数据。
4.如权利要求3所述的单发正交分时发射合成孔径声纳成像方法，其特征在于，还包括：
对合成的长接收阵数据进行相位补偿，并利用成像算法进行成像处理。
5.如权利要求3或4所述的单发正交分时发射合成孔径声纳成像方法，其特征在于，当发射阵元和各接收子通道的等效相位中心无法均匀排列时，对回波信号进行非均匀处理或插值处理。
6.如权利要求5所述的单发正交分时发射合成孔径声纳成像方法，其特征在于，所述正交信号为正负调频信号、相位编码信号、不同频信号中的任意一种。
7.一种单发正交分时发射合成孔径声纳成像设备，其特征在于，包括一个发射阵元、沿平台运动方向排列的至少一个接收阵元以及控制器；
所述控制器包括至少一个处理单元、以及至少一个存储单元；
其中，所述存储单元存储有计算机程序，当所述程序被所述处理单元执行时，使得所述处理单元控制发射阵元和接收阵元执行权利要求3～6任一项所述方法的步骤。
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