CN116500626B - 一种多接收阵元数据收发合置转换方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多接收阵元数据收发合置转换方法，涉及图像处理技术领域。该方法首先计算了一种较为精确的等效传统收发合置合成孔径声呐的双程斜距历程及二维频域系统函数，并针对每个接收阵元的数据在距离‑多普勒域补偿收发合置误差带来的微距离徙动误差，然后针对每个接收阵元的数据在距离‑多普勒域补偿收发合置误差带来的微多普勒误差，最后在二维频域对所有的接收阵元数据进行融合便得到等效收发合置合成孔径声呐的回波数据。本发明设计能较为精确地将多接收阵元合成孔径声呐数据转换为等效收发合置合成孔径声呐的数据，能够较好地补偿近似误差，能够得到更为精确的成像结果，从而避免图像存在畸变。
Description
技术领域
本发明涉及图像处理技术领域，具体地说，涉及一种多接收阵元数据收发合置转换方法。
背景技术
合成孔径技术是将常规侧扫声呐的方位分辨率提高一个数量级的有效技术。该技术采用小孔径天线，依靠信号处理合成虚拟大孔径天线来提高方位分辨率。实际上，实孔径长天线是由许多辐射单元沿直线配置而成，根据干涉原理，对各收发合置辐射单元的接收信号进行处理便可以获得这条长天线的有效辐射方向图。如果目标的散射特性不随时间而改变，就可以采用较小的天线实现一个长天线的功能，可以将长天线中的各辐射单元等效为一系列离散的空间位置，沿着这条直线，当一个辐射单元依次运动到每个位置上时向侧视方向发射一个信号，并在存储器中记录对应接收回波信号的幅度和相位。当辐射单元移动到了一定的距离以后，记录的信号就非常类似于实孔径长天线阵存储单元同时记录的回波信号。如果利用常规线列阵信号原理处理所记录的回波数据，就能得到相应实孔径长天线阵的方位分辨率，这就是合成孔径的基本思想。
采用一个发射阵元和多个接收阵元的多接收阵元合成孔径声呐构型较好地解决了方位向高分辨和距离向宽测绘带之间的矛盾，却带来了复杂的成像过程，原因在于双程斜距历程中含有两个独立的根号形式的单程斜距，导致精确且解析的二维频域系统函数不存在。
一种直观的思路是将多接收阵元回波数据转换为等效传统收发合置合成孔径声呐的信号，进而简化为传统收发合置合成孔径声呐模型下的成像问题，然而这个近似导致的误差会降低近距离目标的成像质量；另一方面，方位向接收阵列的采用提高了测绘速率和测绘距离，如果仍采用机载合成孔径雷达中的“停-走-停”假设进行建模，那么远距离目标将会出现畸变。针对上述近似误差，传统方法是以波束中心为参考进行统一补偿的，仅对波束中心目标进行了精确补偿。另外，如黄攀，唐劲松，钟何平等人在《武汉大学学报（信息科学版）》发表的《基于有理函数曲面拟合的InSAS复图像配准新方法》和《干涉合成孔径声呐复图像配准分段曲面拟合法》中均提出了一种基于曲面拟合的InSAS复图像配准方法，该方法具有拟合精度高，计算量小的优点。
实际上，对于发射阵元的每个发射脉冲，接收阵元接收到的数据对应的是整个波束内所有散射点的回波；波束很窄时，以波束中心为参考进行统一补偿能够取得较好的结果；然而当波束较宽时，系统误差相对波束内不同方位位置的目标是不同的，如果仍采用窄波束假设进行处理，将可能导致图像旁瓣抬高出现虚假目标、图像几何失真和对比度下降，这不利于基于合成孔径声呐图像的目标分类及识别工作的开展。鉴于此，我们提出了一种多接收阵元数据收发合置转换方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多接收阵元数据收发合置转换方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述技术问题的解决，本发明的目的之一在于，提供了一种多接收阵元数据收发合置转换方法，包括如下步骤：
S1、首先计算一种等效传统收发合置合成孔径声呐的双程斜距历程；
S2、根据双程斜距历程，计算二维频域系统函数；
S3、针对每个接收阵元的数据在距离-多普勒域通过插值补偿收发合置误差带来的微距离徙动误差；
S4、针对每个接收阵元的数据在距离-多普勒域通过插值补偿收发合置误差带来的微多普勒误差；
S5、最后在二维频域对所有的接收阵元数据进行取余数叠加相干融合，最终得到等效收发合置合成孔径声呐的回波数据。
作为本技术方案的进一步改进，所述S1中，计算一种等效传统收发合置合成孔径声呐的双程斜距历程，其计算公式如下：
其中，下标表示第个接收阵元和发射阵元所组成的第个子系统；表示斜
距；表示传统收发合置合成孔径声呐的双程斜距历程；表示目标与等效
相位中心之间的侧视角；是精确的双程
斜距历程与等效收发合置合成孔径声呐近似双程斜距历程之间的差值，表示收发合置误
差；值得说明的是这里的、均是侧视角的函数；表示方
位慢时间；表示第个接收阵元和发射阵元所组成的第个子系统中收发阵元之间的
距离。其中，表示收发合置误差，会给回波数据带来微距离徙动误差与微多
普勒误差两个重要影响。
作为本技术方案的进一步改进，所述S2中，根据双程斜距历程，计算二维频域系统函数，其公式如下：
其中，表示声呐平台的拖曳速度；表示水声声速；表示第个接
收阵元接收信号的二维频谱；表示传统收发合置合成孔径声呐数据的二
维频谱；表示线性调频信号中心频率；和分别表示对应于快、慢时间的瞬时频率；表示在多普勒域中目标与等效相位中心之间的侧视角；
表示第个收发子系统空间分置采样而引起的相位；j表示虚数单位。
作为本技术方案的进一步改进，所述S3中，在距离-多普勒域补偿收发合置误差带来的微距离徙动误差，其补偿函数如下：
其中，表示插值函数；表示变换到距离-多普勒域的回波数据；表示微距离徙动误差。
作为本技术方案的进一步改进，所述S4中，在距离-多普勒域补偿收发合置误差带来的微多普勒误差，其补偿函数为：
其中，表示微多普勒误差补偿函数，表示微多普勒误差，j表
示虚数单位。
作为本技术方案的进一步改进，所述S5中，在二维频域对所有的接收阵元数据进行取余数叠加相干融合，其计算公式如下：
其中，表示各接收阵元数据融合之后的频谱；表示距离向的频点；表
示方位向的频点；表示发射的脉冲总数；表示求余数操作；表示接收阵元总数目。
本发明的目的之二在于，提供了一种方法运行计算平台装置，包括处理器、存储器以及存储在存储器中并在处理器上运行的计算机程序，处理器用于执行计算机程序时实现上述的精确的多接收阵元数据收发合置转换方法的部分计算步骤。
本发明的目的之三在于，提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的精确的多接收阵元数据收发合置转换方法的部分计算步骤。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1.该精确的多接收阵元数据收发合置转换方法中，能较为精确地将多接收阵元合成孔径声呐数据转换为等效收发合置合成孔径声呐的数据，能够得到更为精确的成像结果；
2.该精确的多接收阵元数据收发合置转换方法中，能够较好地补偿近似误差，相较于传统方法成像结果在方位向上存在偏差的问题，其能够得到精确的成像结果，从而避免图像存在畸变。
附图说明
图1为本发明中示例性的多接收阵元合成孔径声呐数据收发合置转换流程图；
图2为本发明中示例性的第m个收发分置合成孔径声呐子系统的二维成像几何图；
图3为本发明中示例性的多接收阵元合成孔径声呐数据转换结果示意图；
图4为本发明中示例性的基于多接收阵元合成孔径声呐数据转换后的成像结果示意图；
图5为本发明中示例性的传统方法与本方案方法成像结果方位剖面局部放大对比图；
图6为本发明中示例性的电子计算机平台装置结构图。
具体实施方式
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、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
实施例1
如图1-图5所示，本实施例提供了一种多接收阵元数据收发合置转换方法，其实施流程图如图1所示，主要由以下步骤组成：计算一种较为精确的等效传统收发合置合成孔径声呐的双程斜距历程及二维频域系统函数，并针对每个接收阵元的数据在距离-多普勒域补偿收发合置误差带来的微距离徙动误差，然后针对每个接收阵元的数据在距离-多普勒域补偿收发合置误差带来的微多普勒误差，最后在二维频域对所有的接收阵元数据进行融合便得到等效收发合置合成孔径声呐的回波数据。图1中的FT表示傅里叶变换。
其中，多接收阵合成孔径声呐中第个收发子系统在斜距和方位构成的二维平面
内的成像几何如图2所示。其中，表示方位维，表示斜距维。假定成像场景中存在一个坐
标为的理想点目标P，在信号从发射到目标回波被第个接收阵元接收的双程传播
时间内，这个接收阵元向前运动了的距离；也就是说第个收发阵元子系统之间
的距离可以被视为。多接收阵元合成孔径声呐中任意一个子系统的一次空间
采样源自于和收、发阵元距离相等的椭圆等距线上所有散射目标的回波信号。由于声呐波
束具有一定的宽度，所以波束照射区域仅仅是椭圆等距线上的一小段圆弧，如图2中的粗黑
线所示。在图2所示的椭圆等距线中，收、发阵元为其两个焦点，信号的双程传播距离为椭圆
长轴，收、发阵元间距为焦距。根据相位中心近似方法，这个空间分置的声
呐系统可以等效为收发阵元中点处的一个收发合置声呐。也就是说，图2中以表示
的双程斜距历程可以用位于O点处的声呐到目标P的等效收发合置合成孔径声呐双程距离
来近似，于是，收发分置的第个子系统的一次采样可以认为是一系列等效收发合置合成
孔径声呐采样的组合。如果能够把椭圆上的点目标区分开，并逐个补偿掉等效单阵的斜距
差，就可以把双基的回波数据转变为收发合置模型下的回波数据，这就是本方法收发合置
转换的基本思路。
本实施例中，上述精确的多接收阵元数据收发合置转换方法具体包括如下步骤。
S1、首先计算一种较为精确的类似于传统收发合置合成孔径声呐的双程斜距历程；
本步骤中，如图2所示，针对发射阵和与其间隔的接收阵元所构成子系统的近
似斜距历程，其计算公式如下：
其中，下标表示第个接收阵元和发射阵元所组成的第个子系统；表示斜
距；表示传统收发合置合成孔径声呐的双程斜距历程；表示目标与等效
相位中心之间的侧视角，这里的侧视角为时域中的表达式；是精确的双程斜距历程与等效收发合
置合成孔径声呐近似双程斜距历程之间的差值，表示收发合置误差；
值得说明的是这里的、均是侧视角的函数；
表示方位慢时间；表示第个接收阵元和发射阵元所组成的第个子系统中收发阵元
之间的距离。
其中，表示收发合置误差，会给回波数据带来微距离徙动误差与
微多普勒误差两个重要影响。
S2、根据双程斜距历程，计算二维频域系统函数；其公式如下：
其中，表示声呐平台的拖曳速度；表示水声声速；表示第个接
收阵元接收信号的二维频谱；表示传统收发合置合成孔径声呐数据的二
维频谱；表示线性调频信号中心频率；和分别表示对应于快、慢时间的瞬时频率；表示在多普勒域中目标与等效相位中心之间的侧视角；
表示第个收发子系统空间分置采样而引起的相位；j表示虚数单位。
S3、针对每个接收阵元的数据在距离-多普勒域通过插值补偿收发合置误差带来的微距离徙动误差；其补偿函数如下：
其中，表示插值函数；表示变换到距离-多普勒域的回波数据；表示微距离徙动误差。
S4、针对每个接收阵元的数据在距离-多普勒域通过插值补偿收发合置误差带来的微多普勒误差；其补偿函数为：
其中，表示微多普勒误差补偿函数，表示微多普勒误差，j表
示虚数单位。
S5、最后在二维频域对所有的接收阵元数据进行取余数叠加相干融合，最终得到等效收发合置合成孔径声呐的回波数据；
本步骤中，在二维频域对所有的接收阵元数据进行取余数叠加相干融合，其计算公式如下：
其中，表示各接收阵元数据融合之后的频谱；表示距离向的频点；表
示方位向的频点；表示发射的脉冲总数；表示求余数操作；表示接收阵元总数目。
按照上述步骤对多接收阵元回波数据进行收发合置转换，结果如图3所示，成像结果如图4所示。
此外，本实施例还通过仿真实验，对本方案的方法、黄攀在其发表论文“Syntheticaperture imagery for high-resolution imaging sonar”中提出的方法（以下简称为黄攀方法）以及标准反向投影成像方法对方位坐标为5m、距离坐标为55m目标成像后的方位剖面图进行重叠对比，如图5所示。图5中，黄攀方法（即图中的“传统方法”）成像后，可以明显地看到其峰值偏离5m，而本方案的方法成像后，其方位坐标就是5m，从而可以看出本方案方法的优势。
如图6所示，本实施例还提供了一种方法运行计算平台装置，该装置包括处理器、存储器以及存储在存储器中并在处理器上运行的计算机程序。
处理器包括一个或一个以上处理核心，处理器通过总线与存储器相连，存储器用于存储程序指令，处理器执行存储器中的程序指令时实现上述的精确的多接收阵元数据收发合置转换方法的部分计算步骤。
可选的，存储器可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，如静态随时存取存储器（SRAM），电可擦除可编程只读存储器（EEPROM），可擦除可编程只读存储器（EPROM），可编程只读存储器（PROM），只读存储器（ROM），磁存储器，快闪存储器，磁盘或光盘。
此外，本发明还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述的精确的多接收阵元数据收发合置转换方法的部分计算步骤。
可选的，本发明还提供了一种包含指令的计算机程序产品，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述各方面精确的多接收阵元数据收发合置转换方法的部分计算步骤。
本领域普通技术人员可以理解，实现上述实施例的全部或部分步骤的过程可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，程序可以存储于计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (3)
1.一种多接收阵元数据收发合置转换方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、首先计算一种等效传统收发合置合成孔径声呐的双程斜距历程；
S2、根据双程斜距历程，计算二维频域系统函数；
S3、针对每个接收阵元的数据在距离-多普勒域通过插值补偿收发合置误差带来的微距离徙动误差；
S4、针对每个接收阵元的数据在距离-多普勒域通过插值补偿收发合置误差带来的微多普勒误差；
S5、最后在二维频域对所有的接收阵元数据进行取余数叠加相干融合，最终得到等效收发合置合成孔径声呐的回波数据；
所述S1中，计算一种等效传统收发合置合成孔径声呐的双程斜距历程，其计算公式如下：
其中，下标m表示第m个接收阵元和发射阵元所组成的第m个子系统；r表示斜距；表示传统收发合置合成孔径声呐的双程斜距历程；θ表示目标与等效相位中心之间的侧视角；/> 是精确的双程斜距历程与等效收发合置合成孔径声呐近似双程斜距历程之间的差值，表示收发合置误差；这里的/>ΔRm(r；θ；dm)均是侧视角θ的函数；t表示方位慢时间；dm表示第m个接收阵元和发射阵元所组成的第m个子系统中收发阵元之间的距离；
所述S4中，在距离-多普勒域补偿收发合置误差带来的微多普勒误差，其补偿函数为：
其中，Hm表示微多普勒误差补偿函数，表示微多普勒误差，fc表示线性调频信号中心频率；ft表示对应于慢时间的瞬时频率；
所述S5中，在二维频域对所有的接收阵元数据进行取余数叠加相干融合，其计算公式如下：
其中，SS(n,q)表示各接收阵元数据融合之后的频谱；n表示距离向的频点；q表示方位向的频点；Q表示发射的脉冲总数；mod表示求余数操作；M表示接收阵元总数目。
2.根据权利要求1所述的多接收阵元数据收发合置转换方法，其特征在于，所述S2中，根据双程斜距历程，计算二维频域系统函数，其公式如下：
其中，v表示声呐平台的拖曳速度；c表示水声声速；SSm(fτ,ft；r)表示第m个接收阵元接收信号的二维频谱；SSmono(fτ,ft；r)表示传统收发合置合成孔径声呐数据的二维频谱；fc表示线性调频信号中心频率；fτ和ft分别表示对应于快、慢时间的瞬时频率；表示在多普勒域中目标与等效相位中心之间的侧视角；/>表示第m个收发子系统空间分置采样而引起的相位，j表示虚数单位。
3.根据权利要求1所述的多接收阵元数据收发合置转换方法，其特征在于，所述S3中，在距离-多普勒域补偿收发合置误差带来的微距离徙动误差，其补偿函数如下：
SSm(r,ft)＝Interp(SSm(r-ΔRm(r；θ；dm),ft))
其中，Interp表示插值函数；SSm(r,ft)表示变换到距离-多普勒域的回波数据；ΔRm(r；θ；dm)表示微距离徙动误差。
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