CN113687364B - 一种三维成像声纳图像假底的抑制方法 - Google Patents

一种三维成像声纳图像假底的抑制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种三维成像声纳图像假底的抑制方法，该方法声纳领域，具体涉及声成像技术。本方法首先通过对阵元接收信号脉冲压缩结果进行均衡处理，降低当底回波的干扰强度，然后利用均衡处理后的阵元接收信号进行垂直稳定的聚焦波束形成处理，使得其他方位波束形成主瓣接收的真底回波大于旁瓣接收的当底回波，从而达到抑制三维成像声纳图像假底现象的目的。本方法算法简单，稳定性高，易于工程实现。

Description

一种三维成像声纳图像假底的抑制方法
技术领域
本发明涉及声纳领域，具体涉及声成像技术，主要是一种三维成像声纳图像假底的抑制方法。
背景技术
水下三维成像声纳是进行海洋(水中、沉底和掩埋)目标探测或海底成像的重要技术手段，对于三维成像声纳来讲，当底回波垂直于接收阵，其海底反射强度大，并且传播距离较近，传播损失较较小，因此与其他方位海底回波信号相比，当底回波波形尖锐、能量较强。能量较强的当底回波信号对其余方位的波束形成来讲是强的干扰源，因此在利用波束形成技术进行方位维成像时，当底回波信号能量泄露到其余波束的旁瓣中，导致三维成像声纳图像结果中产生假底现象。
常用的消除成像声纳海底假底有设置动态门限、设置海底跟踪门等方法，但这类方法对如何设置相当敏感，存在一定的局限性。有学者提出利用自适应干扰抵消、零陷波束形成等自适应类阵处理技术抑制当底回波对其他方位波束形成的干扰，解决成像声纳图像中的假底现象，但自适应类的方法往往稳健性不高。本专利另辟蹊径，直接从降低当底回波干扰源能量的角度出发，提出一种抑制三维成像声纳图像假底的方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种三维成像声纳图像假底的抑制方法，用于降低当底回波对其他方位波束形成的干扰强度，抑制三维成像声纳成像中的假底现象。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。在三维成像声纳中，由于当地回波对其他方位的波束形成是一个强干扰源，造成了声纳图像的假底现象，本发明提出了一种三维成像声纳图像假底的抑制方法，通过增加对阵元接收信号脉冲压缩结果的均衡处理达到抑制三维成像声纳图像中的假底现象，具体包括以下步骤：
(1)对三维成像声纳阵元接收数据进行脉冲压缩处理；
(2)对脉冲压缩结果进行均衡处理，具体实施步骤如下：
(2.1)通过滑动平均滤波获取全部阵元脉冲压缩结果的能量变化趋势，或者采用希尔伯特变化求阵元的包络函数；
(2.2)求全部阵元能量变化趋势函数或者包络函数的均值作为该批次的均衡处理函数；
(2.3)将全部阵元脉冲压缩结果与均值函数的幂次方相除，获取脉冲压缩的均衡处理结果；
(3)利用三维成像声纳惯导系统测得基阵的横滚角和的俯仰角以及升沉差对该批次均衡处理后脉冲压缩结果进行基阵运动误差补偿；
(4)最后对补偿后的结果进行垂直稳定聚焦波束形成。
步骤2中，针对每一批次的阵元接收数据，在进行聚焦波束形成之前，通过对阵元脉冲压缩结果增加均衡处理，直接从阵元域降低回波信号中的强弱对比度，使得其他方位波束形成主瓣接收的真底回波大于旁瓣接收的当底回波，达到抑制三维成像声纳图像中的假底现象。
本发明的有益效果为：本发明通过对阵元接收信号脉冲压缩结果进行均衡处理，直接减小当底界面回波能量与其他方位的界面回波以及地层回波能量的强弱对比，进而降低当底波束的旁瓣干扰对其他波束的影响，抑制了三维成像声纳假底现象，并且本算法稳健性较强，算法简单，利于工程应用。
附图说明
图1三维成像声纳运动误差示意图；
图2阵元接收数据脉压结果；
图3阵元脉压与均衡处理函数；
图4阵元接收数据脉压均衡处理结果；
图5单批次数据常规处理深度方位谱；
图6单批次数据脉压均衡处理深度方位谱；
图7为20°方位，常规处理深度走航谱；
图8为20°方位，均衡处理深度走航谱；
图9为30°方位，常规处理深度走航谱；
图10为30°方位，均衡处理深度走航谱；
图11为50°方位，均衡处理深度走航谱；
图12为50°方位，均衡处理深度走航谱。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做详细的介绍：
针对三维成像声纳图像中的假底问题，本发明提出了一种抑制三维成像声纳海底假底的方法，包括如下步骤：
(1)对三维成像声纳阵元接收数据进行脉冲压缩处理；
三维成像声纳的接收阵元个数为M，第i个阵元接收信号的脉冲压缩结果为xi(t),i＝1,2,...,M。
(2)对脉冲压缩结果进行均衡处理，其具体实施步骤如下：
首先通过滑动平均滤波获得xi(t)的能量变化趋势，也可以采用希尔伯特变化求xi(t)的包络。xi(t)的滑动平均结果为wi(t)。
其中，2Δt为滑动窗的大小，其中滑动窗的大小的选取和脉冲压缩距离分辨力有关。
进一步利用全部M个阵元滑动平均结果求均衡处理函数
利用如下的公式3求解阵元接收信号脉冲压缩均衡处理结果xi'(t),i＝1,2,...,M。
在上式中，a为均衡系数，a≥0。尽管是与时间有关的函数，但由于其频率较低，因此本专利忽略其对垂直稳定聚焦波束形成算法的影响。此外，a值越大，均衡强度越大，回波信号能量的强弱对比越小；a值越小，均衡强度越小，当a＝0时，x’i(t)＝xi(t)，相当于无均衡处理。
(3)对均衡后的结果进行基阵运动误差近似补偿；
利用三维成像声纳惯导系统测得的x轴上的横滚角θroll和y轴上的俯仰角θpitch以及z轴上的升沉差Hheave对该批次均衡处理后脉冲压缩结果按照下面公式4进行补偿。补偿后的结果为x”i(t)。
三维成像声纳的运动误差示意图如附图1所示。其中，(Δxi,Δyi)为以阵中心为原点，第i个阵元与阵中心的相对位置。
(4)将补偿后的结果x”i(t)作为聚焦波束形成算法的输入，获得成像声纳方位维成像结果b(r,θ)。
其中，在聚焦波束形成中τi(r,θ)为目标到达第i个阵元的时延差，d为阵元间距，r为目标到基阵参考位置的距离，θ为目标到基阵参考位置的角度，c为声速。
实施例：选取三维成像声纳千岛湖试验湖试数据，三维成像声纳含有192个接收阵元，发射信号为线性调频信号。具体实例的实施过程如下：
(1)对192阵元接收到的回波数据进行脉冲压缩处理，其中一个阵元的脉压结果结果如图2所示，从图2中可以看出，与其他方位的回波能量相比，当底回波信号能量较强且持续时间较短，与上述的分析结果一致。
(2)求192阵元脉冲压缩结果的滑动均值，其中滑动窗的大小为64个采样点，然后利用公式(2)求均衡处理函数。阵元脉压结果与均衡处理函数如图3所示，从图中可以看出，均衡处理函数可以反映阵元接收信号的能量分布趋势。
(3)利用上述公式(3)获得阵元接收信号脉冲压缩均衡处理结果，如图4所示。其中，均衡系数α＝0.7。从图中可以看出，经过均衡处理后的信号，当底回波与其他方位回波信号能量对比度明显降低。
(4)根据惯导数据给出的信息值，对均衡处理后的信号进行基阵运动误差近似补偿，将补偿后的结果作为聚焦波束形成算法的输入求得成像声纳的深度方位谱，如图6所示。图5为常规处理的深度方位谱图(未经过均衡处理)。从图5和图6的对比可以看出，利用该专利提供的方法，当底回波的旁瓣干扰得到了明显的抑制。
(5)图7～图12为对多批次的数据进行重复(1)到(4)的处理后，得到不同波束深度走航谱的结果。其中图7和图8分别为20°方位，常规处理和均衡处理的深度走航谱图结果，从图中可以看出，利用该专利提供的方法，假底现象得到了的有效的抑制。图9和图10分别为30°方位，常规处理和均衡处理的深度走航谱结果；图11和图12分别为50°方位，常规处理和均衡处理的深度走航谱结果。从上面的对比结果可以看出，该专利提供的方法可以有效的抑制当底波束的回波能量对其他波束造成的干扰，抑制三维成像声纳的假底现象。
本发明不局限于上述实施方式，不论其实施方式作任何变化，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方法，都是本发明的一种变形，均应认为在发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种三维成像声纳图像假底的抑制方法，其特征在于：通过增加对阵元接收信号脉冲压缩结果的均衡处理达到抑制三维成像声纳图像中的假底现象，具体包括以下步骤：
(1)对三维成像声纳阵元接收数据进行脉冲压缩处理；
(2)对脉冲压缩结果进行均衡处理，具体实施步骤如下：
(2.1)通过滑动平均滤波获取全部阵元脉冲压缩结果的能量变化趋势，或者采用希尔伯特变化求阵元的包络函数；
(2.2)求全部阵元能量变化趋势函数或者包络函数的均值作为该批次的均衡处理函数；
(2.3)将全部阵元脉冲压缩结果与均值函数的幂次方相除，获取脉冲压缩的均衡处理结果；
(3)利用三维成像声纳惯导系统测得基阵的横滚角和的俯仰角以及升沉差对该批次均衡处理后脉冲压缩结果进行基阵运动误差补偿；
(4)最后对补偿后的结果进行垂直稳定聚焦波束形成；
对三维成像声纳阵元接收数据进行脉冲压缩处理中，三维成像声纳的接收阵元个数为M，第i个阵元接收信号的脉冲压缩结果为xi(t),i＝1,2,...,M；
对脉冲压缩结果进行均衡处理，具体实施步骤如下：
首先通过滑动平均滤波获得xi(t)的能量变化趋势，或者采用希尔伯特变化求xi(t)的包络，xi(t)的滑动平均结果为wi(t)；
其中，2△t为滑动窗的大小，其中滑动窗的大小的选取和脉冲压缩距离分辨力有关；
进一步利用全部M个阵元滑动平均结果求均衡处理函数
利用如下的公式(3)求解阵元接收信号脉冲压缩均衡处理结果xi'(t),i＝1,2,...,M；
在上式中，a为均衡系数，a≥0。
2.根据权利要求1所述的三维成像声纳图像假底的抑制方法，其特征在于：对均衡后的结果进行基阵运动误差近似补偿，具体实施步骤如下：
利用三维成像声纳惯导系统测得的x轴上的横滚角θroll和y轴上的俯仰角θpitch以及z轴上的升沉差Hheave对该批次均衡处理后脉冲压缩结果按照下面公式(4)进行补偿，补偿后的结果为xi”(t)；
其中，(△xi,△yi)为以阵中心为原点，第i个阵元与阵中心的相对位置。
3.根据权利要求1所述的三维成像声纳图像假底的抑制方法，其特征在于：将补偿后的结果xi”(t)作为聚焦波束形成算法的输入，获得成像声纳方位维成像结果b(r,θ)；
其中，在聚焦波束形成中ti(r,θ)为目标到达第i个阵元的时延差，d为阵元间距，r为目标到基阵参考位置的距离，θ为目标到基阵参考位置的角度，c为声速。
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