CN112099021A - 一种合成孔径声呐的点目标成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种合成孔径声呐的点目标成像方法，本发明先发射一个原始线性调频信号，得到一个点目标反射后的回波信号，接着对回波信号进行距离向的脉冲压缩；再对距离向和方位向的解耦合，即距离徙动校正，最后使用时域延时相加算法进行信号处理。本发明通过改进时域延时相加中，当前像素点的延时的相加过程，来加速目标成像速度。

Description

一种合成孔径声呐的点目标成像方法

技术领域

本发明属于合成孔径声呐技术领域，具体涉及一种合成孔径声呐的点目标成像方法。

技术背景

地球表面有百分之七十属于海洋的范围，它为人类提供了丰富的资源，并且对环境也有着重大的影响。水声成像技术在民用方面和军事方面都有着重要的意义，那么水下成像技术就有着重要的意义。合成孔径声呐技术是一种新型的高分辨率的水声成像技术，它利用小孔径基阵沿航线匀速运动时，周期性的发行线性调频信号，将接收到的回波信号进行相干累加，形成虚拟的大孔径基阵，实现方位向的高分辨率。合成孔径声呐以其出色的工作效率和测深精度逐渐成为现代海洋监测与海底资源勘测的最有效、使用最广泛的科学工具之一。受成本和需求多样性的限制,海底地形地貌测量系统日趋小型化,但同时测绘任务对系统指标的要求却越来越高,其中最重要的指标之一是系统的空间分辨率,系统的空间分辨率分为纵向航迹向与横向分辨率垂直航迹向。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了一种合成孔径声呐的点目标成像方法。

本发明一种合成孔径声呐的点目标成像方法，该方法具体包括以下步骤：

步骤一：发射一个原始线性调频信号，得到一个点目标反射后的回波信号；

所述的原始线性调频信号s(t,η)：

s(t,η)＝A₀W_t[t]exp(j2πf₀t)exp(jπK_rt²)

则在(r,y)的点目标反射后的回波信号ee(t,η)为：

ee(t,η)＝A₀W_t[t-2R(η)/c]W_η(η-η_c)

×exp[j2πf₀t]exp[-j4πf₀R(η)/c]exp(jπK_r(t-2R(η)/c)²)

其中，A₀是常量，W_t、W_η是矩形函数，表示信号限制在脉宽和合成孔径长度范围内，f₀为载波频率，K_r＝B/T_r是调频率，T_r为目标的照射时间，B为信号带宽，η_c为起始方位时间，c为水声速度。R(η)是在不同方位时间η时目标到收发换能器的距离，其表达式为

其中V表示航速,t表示时间；

步骤二：对回波信号进行距离向的脉冲压缩；

将回波信号与原始发射信号进行自相关运算，得到如下所示的一个表达式：

g(t,η)＝A₁W_t[t-2R(η)]W_η(η-η_c)

×exp[j2πf₀t]exp[-j4πR(η)/λ]sin c(πK_rT_r(t-2R(η)/c))

A₁是常量，λ为水声波长。

步骤三：对距离向和方位向的解耦合，即距离徙动校正。

已知不同采样点到目标的距离表达式为：

其中，r为目标到换能器的斜距，Δu代表在空间采样点到目标方位向位置的距离。当r＞＞Δu时，采用菲涅尔近似对以上式子进行简化：

又根据多普勒频率表达式：

根据上述两个式子，得到：

其中，f_η表示η方位时间所对应的多普勒频率；

因此在距离多普勒域中RCM的变化量利用下式表达：

由于有时SAS系统无法满足r＞＞Δu，所以最后式子转化为：

其中

被称为二维徙动因子，其中V为船运行速度。

步骤四：使用时域延时相加算法进行信号处理。

假设距离向脉冲压缩后时域数据用离散形式表示为ss(n,m)，其中n和m分别代表方位向样本点和距离向样本点，那么时域延时相加算法的图像输出如下所示：

其中M_SA为方位向合成孔径的采样数目，i表示第i个虚拟孔径，Δτ(i,m)代表RCM引起的时延变化：

将零点设置在中心，以零点为中心左右，两边逐项做差值，从零点的任意一侧做累加，即得到目标信息。

本发明相对于现有技术具有的效果：本发明主要是针对于合成孔径声呐的点目标成像速度上的不足，通过改进时域延时相加中，当前像素点的延时的相加过程，来加速目标成像速度。

具体实施方式：

(1)首先，假设目标的反射系数为常数，那么，发射一个如下所示的原始线性调频信号：

s(t,η)＝A₀W_t[t]exp(j2πf₀t)exp(jπK_rt²)

然后，就可以知道在(r,y)的点目标反射后的回波信号为：

ee(t,η)＝A₀W_t[t-2R(η)/c]W_η(η-η_c)

×exp[j2πf₀t]exp[-j4πf₀R(η)/c]exp(jπK_r(t-2R(η)/c)²)

其中，A₀是常量，W_t、W_η是矩形函数，表示信号限制在脉宽和合成孔径长度范围内，f₀为载波频率，K_r＝B/T_r是调频率，T_r为目标的照射时间，B为信号带宽，η_c为起始方位时间，c为水声速度。R(η)是在不同方位时间η时目标到收发换能器的距离，其表达式为

(2)开始对回波信号进行距离向的脉冲压缩。

首先，将回波信号与原始发射信号进行自相关运算，得到如下所示的一个表达式：

g(t,η)＝A₁W_t[t-2R(η)]W_η(η-η_c)

×exp[j2πf₀t]exp[-j4πR(η)/λ]sin c(πK_rT_r(t-2R(η)/c))

A₁是常量，W_t、W_η是矩形函数，f₀为载波频率，K_r是调频率，T_r为目标的照射时间，B为信号带宽，η_c为起始方位时间，λ为水声波长。R(η)是在不同方位时间η时目标到收发换能器的距离。

(3)距离徙动校正

首先由于距离向和方位向的耦合性，我们无法直接对距离向脉冲压缩后的信号进行方位向脉冲压缩处理。所以，首先要进行的是距离向和方位向的解耦合，即距离徙动校正。

已知不同采样点到目标的距离表达式为：

其中，r为目标到换能器的斜距，Δu代表在空间采样点到目标方位向位置的距离。当r＞＞Δu时，可以采用菲涅尔近似对以上式子进行简化：

又根据多普勒频率表达式：

根据上述两个式子，就可以得到：

其中，f_η表示η方位时间所对应的多普勒频率。

因此在距离多普勒域中RCM的变化量可利用下式表达：

最后由于有时SAS系统无法满足r＞＞Δu，所以最后式子转化为：

其中

被称为二维徙动因子，其中V为船运行速度。

(4)使用时域延时相加算法进行信号处理

时域延时相加算法就是将RCM引起的曲线所在的空间累加作为输出，假设距离向脉冲压缩后时域数据用离散形式表示为SS(n,m)，其中n和m分别代表方位向样本点和距离向样本点，那么时域延时相加算法的图像输出如下所示：

其中M_SA为方位向合成孔径的采样数目，Δτ(i,m)代表RCM引起的时延变化：

从上式可以看出，正常的时域延时求和算法中，是逐项累计相加求和的，在这里，我们提出可以将零点设在中心，这样，就可以加速运算速度，并且同时将孔径数目补成奇数，达到对称效果。

Claims (1)

1.一种合成孔径声呐的点目标成像方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：

步骤一：发射一个原始线性调频信号，得到一个点目标反射后的回波信号；

所述的原始线性调频信号s(t,η)：

s(t,η)＝A₀W_t[t]exp(j2πf₀t)exp(jπK_rt²)

则在(r,y)的点目标反射后的回波信号ee(t,η)为：

ee(t,η)＝A₀W_t[t-2R(η)/c]W_η(η-η_c)

×exp[j2πf₀t]exp[-j4πf₀R(η)/c]exp(jπK_r(t-2R(η)/c)²)

其中，A₀是常量，W_t、W_η是矩形函数，表示信号限制在脉宽和合成孔径长度范围内，f₀为载波频率，K_r＝B/T_r是调频率，T_r为目标的照射时间，B为信号带宽，η_c为起始方位时间，c为水声速度；R(η)是在不同方位时间η时目标到收发换能器的距离，其表达式为

其中V表示航速,t表示时间；

步骤二：对回波信号进行距离向的脉冲压缩；

将回波信号与原始发射信号进行自相关运算，得到如下所示的一个表达式：

g(t,η)＝A₁W_t[t-2R(η)]W_η(η-η_c)

×exp[j2πf₀t]exp[-j4πR(η)/λ]sinc(πK_rT_r(t-2R(η)/c))

A₁是常量，λ为水声波长；

步骤三：对距离向和方位向的解耦合，即距离徙动校正；

已知不同采样点到目标的距离表达式为：

其中，r为目标到换能器的斜距，△u代表在空间采样点到目标方位向位置的距离；当r＞＞△u时，采用菲涅尔近似对以上式子进行简化：

又根据多普勒频率表达式：

根据上述两个式子，得到：

其中，f_η表示η方位时间所对应的多普勒频率；

因此在距离多普勒域中RCM的变化量利用下式表达：

由于有时SAS系统无法满足r＞＞△u，所以最后式子转化为：

其中

被称为二维徙动因子，其中V为船运行速度；

步骤四：使用时域延时相加算法进行信号处理；

假设距离向脉冲压缩后时域数据用离散形式表示为ss(n,m)，其中n和m分别代表方位向样本点和距离向样本点，那么时域延时相加算法的图像输出如下所示：

其中M_SA为方位向合成孔径的采样数目，i表示第i个虚拟孔径，△τ(i,m)代表RCM引起的时延变化：

将零点设置在中心，以零点为中心左右，两边逐项做差值，从零点的任意一侧做累加，即得到目标信息。