CN111880185A - 一种水下目标勘测处理方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种水下目标勘测处理方法，设置基阵阵列，所述处理方法包括：基阵阵列发射窄带脉冲信号，扫描水下目标；基阵阵列接收响应发射基阵发射波束的回波信号；基于获取的回波信号，利用波束形成算法，得到方位方向信息，利用改进CAATI算法，得到目标图像的三维数据结果。本发明通过提供设置具有高度差多阵元基阵阵列结合频域波束形成算法和改进的CAATI算法进行水底地形及目标物的测绘级立体成像，从而获得水下目标的高分辨率三维立体成像结果，进行海底地形勘测，水下目标三维探视，进而达到更好的完成水下作业的任务。

Description

一种水下目标勘测处理方法及系统
技术领域
本发明属于水下目标成像及探测技术领域，特别涉及一种水下目标勘测处理方法及系统。
背景技术
侧扫声纳亦称“旁侧声纳”或“海底地貌仪”。利用回声测深原理探测海底地貌和水下物体的设备。其换能器阵装在船壳内或拖曳体中，走航时向侧下方发射扇形波束的声脉冲。波束平面垂直于航行方向，沿航线方向束宽很窄，开角一般小于2°，以保持较高分辨率；垂直于航线方向束宽较宽，开角约为20°—60°，以保证一定的扫描宽度。工作时发射出的声波投射在海底的区域呈长条形，换能器阵接收来自照射区各点的反向散射信号，经放大、处理和记录，在记录纸上显示出海底的图像。侧扫声纳的工作频率，通常为数十千赫到数百千赫，声脉冲持续时间小于1毫秒，仪器的作用距离一般为300—600米，拖曳体的工作航速为3—6节，最高可达16节。
传统的侧扫声纳系统具有高分辨率、高覆盖范围、高效率等的探测优势。但是普通侧扫声纳图像缺少高程信息，人们往往采用相干测量方法的测深侧扫声纳进行海底地形测量，由于受分辨力的限制，该类声纳很难进行海底目标的立体成像，并很难进行多入射角度目标的分辨(如海底、海面、水下立体结构物等多径散射)，无法反映海底的急剧起伏和对出现的水中目标进行精细测绘和探测。为了解决上述现有技术无法获得海底目标的深程信息的不足，本发明提供了一种水下目标勘测处理方法及系统。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种水下目标勘测处理方法，设置基阵阵列，所述处理方法包括：
基阵阵列发射窄带脉冲信号，扫描水下目标；
基阵阵列接收响应发射基阵发射波束的回波信号；
基于获取的回波信号，利用波束形成算法，得到方位方向信息，利用改进CAATI算法，得到目标图像的三维数据结果。
更进一步地，所述设置基阵阵列包括：
横向的每条基阵在同一水平高度设置同侧扫声纳；
纵向的每排基阵列之间设置高度差。
更进一步地，所述波束形成算法为频域波束形成。
更进一步地，所述频域波束形成表述为：
Figure BDA0002633213000000021
ffbin＝fbin×fs/L (2)
其中，r0为基阵到目标的斜距，方位角为θ，俯仰角为β，Sm,n(fbin)为接收信号sm,n(t)的频域表达式，fbin表示频率的索引号，fs为采样频率，L为快速傅里叶变换变换的长度；
对于时延参数可以分解为两个组合：一个为方位角与阵元索引号m；另一个为俯仰角与阵元索引号n；表达式如下：
Θ＝Θx+Θy (3)
Figure BDA0002633213000000022
Figure BDA0002633213000000023
频域波束形成表达式表示为：
Figure BDA0002633213000000024
记：
Figure BDA0002633213000000025
更进一步地，利用所述频域波束形成算法，得到方位方向信息，利用改进CAATI算法，得到目标图像的三维数据结果：
对平面阵接收的回波信号进行L点的快速傅里叶变换，获得频域信号Sm,n(fbin)；
按近场距离序列对回波信号的频域信号通过相移波束形成器对频域信号进行行向的波束形成，获得的波束形成结果bm,p；
对阵列Y信号应用CAATI算法拟合，得到三维数据。
更进一步地，所述由回波信号采样数据的时域表达式Sm,n(t)经过快速傅里叶变换公式获得
Figure BDA0002633213000000031
其中，fbin表示信号的中心频率。
更进一步地，所述对阵列Y信号应用CAATI算法拟合包括：
CAATI算法按照Prony原理对各阵元信号进行拟合，构成零束控方程：
Figure BDA0002633213000000032
其中，wm(t)为加权值；
将该组权值作z变换，在某一采样时刻可得：
Figure BDA0002633213000000033
z＝exp(jduΘy) (10)。
本发明还提供一种水下目标勘测处理系统，包括
发射基阵，用于发射窄带脉冲信号，扫描水下目标；
接收基阵，用于接收响应发射基阵发射波束的回波信号；
信号处理单元，用于基于获取的回波信号，利用波束形成算法，得到方位方向信息，利用改进CAATI算法，得到目标图像的三维数据结果。
更进一步地，所述系统还包括拖体，所述拖体侧面倾斜设置，且所述发射基阵和接收基阵均设置于所述拖体侧面。
更进一步地，所述发射基阵包括若干发射声纳，所述接收基阵可包括若干接收声纳。
本发明通过提供设置具有高度差多阵元基阵阵列结合频域波束形成算法和改进的CAATI算法进行水底地形及目标物的测绘级立体成像，从而获得水下目标的高分辨率三维立体成像结果，进行海底地形勘测，水下目标三维探视，进而达到更好的完成水下作业的任务。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本发明实施例的水下目标勘测处理方法的流程示意图；
图2示出了本发明实施例的基阵阵列排列方法示意图；
图3示出了本发明实施例的基阵阵列获取水下目标的回波信号原理示意图；
图4示出了本发明实施例的平面接收阵接收信号的方位角与俯仰角定义示意图；
图5示出了本发明实施例的拖体结构示意图；
图中：1-拖体；101-接收基阵。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了解决现有技术中传统的侧扫声纳系统无法获得海底目标的深程信息的不足，本发明提出了一种水下目标勘测处理方法，参照图1，图1示出了本发明实施例的水下目标勘测处理方法的流程示意图，具体包括：
设置基阵阵列；
基阵阵列发射窄带脉冲信号，扫描水下目标；
基阵阵列接收响应发射基阵发射波束的回波信号；
基于获取的回波信号，利用波束形成算法，得到方位方向信息，利用改进CAATI算法，得到目标图像的三维数据结果。
其中，所述设置基阵阵列包括：
横向的每条基阵在同一水平高度设置同侧扫声纳；
纵向的每排基阵列之间设置高度差。
具体的，请参照图2，图2示出了本发明实施例的基阵阵列排列方法示意图。如图2所示，M为接收基阵纵向排列阵子数目，N为接收基阵横向排列阵子数目。这种排列方法横向的每条基阵同侧扫声纳的基阵排列，纵向基阵列之间由于存在高度差，因此可以获得水下目标的深程信息即回波信号。
能够获得水下目标的回波信号的原理请参照图3，图3示出了本发明实施例的基阵阵列获取水下目标的回波信号原理示意图。如图3所示，可以得到纵向阵列的每个阵元收到的回波信息都包含深程信息，从而根据多个纵向阵元的回波信号利用高分辨成像方法可以获得海底的三维立体成像。
示例性的，假设接收平面阵的阵元数为M×N，并且接收阵元各项同性。平面接收阵接收信号的方位角与俯仰角定义示意图，请参照图4，图4示出了本发明实施例的平面接收阵接收信号的方位角与俯仰角定义示意图。如图4所示，x为方位向，y为深程向，z为垂直于xy面的第三向。r0为基阵到目标的斜距，方位角为θ，俯仰角为β。获得了(θ，β，r0)即获得了图像的三维信息。本申请信号处理方法采用由波束形成算法获得方位向信息，改进CAATI算法获得深程向信息的方法获得图像的三维结果。
具体的，所述波束形成算法为频域波束形成。
其中所述频域波束形成表述为：
Figure BDA0002633213000000051
ffbin＝fbin×fs/L (2)
其中，r0为基阵到目标的斜距，方位角为θ，俯仰角为β，Sm,n(fbin)为接收信号sm,n(t)的频域表达式，fbin表示频率的索引号，fs为采样频率，L为快速傅里叶变换的长度；
对于时延参数可以分解为两个组合：一个为方位角与阵元索引号m；另一个为俯仰角与阵元索引号n；表达式如下：
Θ＝Θx+Θy (3)
Figure BDA0002633213000000061
Figure BDA0002633213000000062
频域波束形成表达式表示为：
Figure BDA0002633213000000063
记：
Figure BDA0002633213000000064
根据波束形成公式，可以获得优化的基于平面阵波束形成算法的步骤如下所述：
对平面阵接收的回波信号进行L点的快速傅里叶变换，获得频域信号Sm,n(fbin)；所述由回波信号采样数据的时域表达式Sm,n(t)经过快速傅里叶变换公式获得
Figure BDA0002633213000000065
其中，fbin表示信号的中心频率，由于采用单频信号进行三维成像，所以只需要确定回波信号中心频率fbin所对应的频率索引号l的FFT结果，不需要其他所有频点的结果；
按近场距离序列对回波信号的频域信号通过相移波束形成器对频域信号进行行向的波束形成，获得的波束形成结果bm,p；首先根据索引号r0，p，n确定相移参数Θx，按照行对相移补偿后的数据进行累加获得行向波束形成结果。
公式(6)变为：
Figure BDA0002633213000000066
对阵列Y信号应用CAATI算法拟合，CAATI算法按照Prony原理对各阵元信号进行拟合，构成零束控方程：
Figure BDA0002633213000000071
其中，wm(t)为加权值；
将该组权值作z变换，在某一采样时刻可得：
Figure BDA0002633213000000072
z＝exp(jduΘy) (10)。
可以得知，多项式W(z)的零点z＝exp(jduΘy)包含着深程信息
Figure BDA0002633213000000073
求解零束控权值只需进行一次最小二乘估计，深程信息只需进行多项式求根，无须进行特征分解和谱峰搜索，因此该算法具有运算量较小的优点。
本发明还提供一种水下目标勘测处理系统，包括：
发射基阵，用于发射窄带脉冲信号，扫描水下目标；
接收基阵101，用于接收响应发射基阵发射波束的回波信号；
信号处理单元，用于基于获取的回波信号，利用波束形成算法，得到方位方向信息，利用改进CAATI算法，得到目标图像的三维数据结果。
更进一步地，所述系统还包括拖体1，请参照图5，图5示出了本发明实施例的拖体结构示意图。如图5所示，所述拖体1侧面倾斜设置，拖体1两个侧面共同构成V型结构，且所述接收基阵101设置于所述拖体1侧面。
更进一步地，所述发射基阵包括若干发射声纳，所述接收基阵可包括若干接收声纳。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种水下目标勘测处理方法，其特征在于：设置基阵阵列，所述处理方法包括：
基阵阵列发射窄带脉冲信号，扫描水下目标；
基阵阵列接收响应发射基阵发射波束的回波信号；
基于获取的回波信号，利用波束形成算法，得到方位方向信息，利用改进CAATI算法，得到目标图像的三维数据结果。
2.根据权利要求1所述的水下目标勘测处理方法，其特征在于：所述设置基阵阵列包括：
横向的每条基阵在同一水平高度设置同侧扫声纳；
纵向的每排基阵列之间设置高度差。
3.根据权利要求1所述的水下目标勘测处理方法，其特征在于：所述波束形成算法为频域波束形成。
4.根据权利要求3所述的水下目标勘测处理方法，其特征在于：所述频域波束形成表述为：
Figure FDA0002633212990000011
ffbin＝fbin×fs/L (2)
其中，r0为基阵到目标的斜距，方位角为θ，俯仰角为β，Sm,n(fbin)为接收信号sm,n(t)的频域表达式，fbin表示频率的索引号，fs为采样频率，L为FFT变换的长度；
对于时延参数可以分解为两个组合：一个为方位角与阵元索引号m；另一个为俯仰角与阵元索引号n；表达式如下：
Θ＝Θx+Θy (3)
Figure FDA0002633212990000012
Figure FDA0002633212990000013
频域波束形成表达式表示为：
Figure FDA0002633212990000021
记：
Figure FDA0002633212990000022
5.根据权利要求4所述的水下目标勘测处理方法，其特征在于：利用所述频域波束形成算法，得到方位方向信息，利用改进CAATI算法，得到目标图像的三维数据结果包括：
对平面阵接收的回波信号进行L点的快速傅里叶变换，获得频域信号Sm,n(fbin)；
按近场距离序列对回波信号的频域信号通过相移波束形成器对频域信号进行行向的波束形成，获得的波束形成结果bm,p；
对阵列Y信号应用CAATI算法拟合，得到三维数据。
6.根据权利要求5所述的水下目标勘测处理方法，其特征在于：所述由回波信号采样数据的时域表达式Sm,n(t)经过快速傅里叶变换公式获得
Figure FDA0002633212990000023
其中，fbin表示信号的中心频率。
7.根据权利要求5所述的水下目标勘测处理方法，其特征在于：所述对阵列Y信号应用CAATI算法拟合包括：
CAATI算法按照Prony原理对各阵元信号进行拟合，构成零束控方程：
Figure FDA0002633212990000024
其中，wm(t)为加权值；
将该组权值作z变换，在某一采样时刻可得：
Figure FDA0002633212990000025
z＝exp(jduΘy) (10)。
8.一种水下目标勘测处理系统，其特征在于：包括
发射基阵，用于发射窄带脉冲信号，扫描水下目标；
接收基阵，用于接收响应发射基阵发射波束的回波信号；
信号处理单元，用于基于获取的回波信号，利用波束形成算法，得到方位方向信息，利用改进CAATI算法，得到目标图像的三维数据结果。
9.根据权利要求8所述的水下目标勘测处理系统，其特征在于：所述系统还包括拖体，所述拖体侧面倾斜设置，且所述发射基阵和接收基阵均设置于所述拖体侧面。
10.根据权利要求8或9所述的水下目标勘测处理系统，其特征在于：所述发射基阵包括若干发射声纳，所述接收基阵可包括若干接收声纳。
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