CN116520335B - 一种多接收阵元合成孔径声呐波数域成像方法 - Google Patents
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Abstract
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合成孔径声呐波数域成像方法。该方法首先计算一种较为精确的包含距离空变和距离空不变的二维频域系统函数，并针对每个接收阵元的数据在二维频域进行一致相位补偿，然后针对每个接收阵元的数据在二维频域进行距离向坐标变换操作，在二维频域对所有接收阵元数据融合后进行距离向傅里叶逆变换，在距离‑多普勒域补偿方位走动误差，方位傅里叶变换后便得到最终的高分辨结果。本发明设计通过一致相位补偿操作对距离空不变相位进行补偿，降低了后续距离空变误差之间的耦合性，从而能提供更为精确的成像结果。
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合成孔径声呐波数域成像方法。
背景技术
目前，合成孔径声呐技术是将常规声呐的方位分辨率提高一个数量级的有效技术。其原理是利用小孔径基阵的匀速直线运动在方位向上虚拟合成一个大孔径基阵，由于这个虚拟的孔径正相关于测绘距离，所以方位分辨率具有与作用距离和工作频率无关的特性。合成孔径成像是合成孔径声呐信号处理的核心内容，是获取高分辨图像和后期干涉信号处理的关键因素。根据线性系统的观点，可以将合成孔径声呐等效为一个线性系统，系统的输入是散射场的二维声散射函数，系统的输出就是合成孔径声呐系统所接收到的目标回波信号，将合成孔径声呐系统中这个接收信号的过程看成一个正向过程，那么对场景目标声散射特性的求取就是一个逆向重构过程，也就是说合成孔径成像的任务就是在合成孔径声呐系统接收到的回波和系统转移函数基础上重构成像场景的二维声散射场。
多接收阵元合成孔径声呐是当前能够同时提高方位分辨率与距离测绘带的有效系统，其在方位向上包含一个发射阵元和多个接收阵元，由于其精确双程斜距历程中包含两个含有根号形式的单程斜距历程，所以利用相位驻留原理不能得到精确且解析的二维频域系统函数，因此必须首先对精确二维频域系统函数采用合理的近似，然后再基于近似的二维频域系统函数设计多接收阵元合成孔径声呐快速成像算法。如Callow H J，Hayes MP，Gough P T.等人在《Electronics Letters》发表的《Wavenumber domainreconstruction of SAR/SAS imagery using single transmitter and multiple-receiver geometry》（译为《利用单发射机和多接收机几何结构对SAR/SAS图像的波数域重建》）中提出一种图像的波数域成像方法。再如黄攀，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。
然而往往通过某些近似得到的二维频域系统函数非常复杂，这进一步给后期成像算法的设计增加了难度，为此为简化成像算法设计，同时能够提高成像算法的成像性能，拟对二维频域系统函数进行线性化处理，我们提出了一种多接收阵元合成孔径声呐波数域成像方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多接收阵元合成孔径声呐波数域成像方法，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合成孔径声呐波数域成像方法，包括如下步骤：
S1、首先计算包含距离空变和距离空不变的二维频域系统函数；
S2、针对每个接收阵元的数据在二维频域进行一致相位补偿；
S3、针对每个接收阵元的数据在二维频域进行距离向坐标变换操作；
S4、在二维频域对所有接收阵元数据融合后进行距离向傅里叶逆变换；
S5、针对融合后的数据，在距离-多普勒域补偿方位走动误差，方位傅里叶变换后得到最终的高分辨结果。
作为本技术方案的进一步改进，所述S1中，计算包含距离空变和距离空不变的二维频域系统函数，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；
表示距离空不变相位；表示距离空变
相位；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；表示参考距离；表示空变距离；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；、均表示中间
参数；和分别表示水声声速与声呐平台拖曳速度。
作为本技术方案的进一步改进，所述S2中，针对每个接收阵元的数据在二维频域进行一致相位补偿，主要补偿与距离无关的相位误差，其公式如下：
其中，表示相位补偿函数；表示线性相位项，物理意义在于将
图像平移至参考距离处；表示发射信号的频谱，表示取共轭操作，表示虚数单
位。
作为本技术方案的进一步改进，所述S3中，针对每个接收阵元的数据在二维频域通过插值进行距离向坐标变换操作，即在二维频域采用Stolt插值的方式进行距离向坐标变换操作，将二维波数域内的弧形坐标变换成直线坐标，其变换后的距离向波数域坐标如下：
其中，表示在波数域进行距离向坐标变换后的坐标，表示
收发分置所造成的频率尺度因子。
作为本技术方案的进一步改进，所述S5中，针对融合后的数据在距离-多普勒域补偿方位走动误差，其补偿函数为：
其中，表示方位走动误差补偿函数。
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新的多接收阵元合成孔径声呐波数域成像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新的多接收阵元合成孔径声呐波数域成像方法的部分计算步骤。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
该新的多接收阵元合成孔径声呐波数域成像方法中，通过一致相位补偿操作对距离空不变相位进行补偿，降低了后续距离空变误差之间的耦合性，从而能提供更为精确的成像结果。
附图说明
图1为本发明中的流程图；
图2为实施例中的成像处理流程图；
图3为本发明中示例性的多接收阵元合成孔径声呐成像结果示意图；
图4为本发明中示例性的传统方法与本方案方法成像结果的方位剖面图；
图5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4所示，本实施例提供了一种多接收阵元合成孔径声呐波数域成像方法，其实施流程图如图1所示，主要由以下步骤组成：首先计算一种较为精确的包含距离空变和距离空不变的二维频域系统函数，并针对每个接收阵元的数据在二维频域进行一致相位补偿，然后针对每个接收阵元的数据在二维频域进行距离向坐标变换操作，在二维频域对所有接收阵元数据融合后进行距离向傅里叶逆变换，在距离-多普勒域补偿方位走动误差，方位傅里叶变换后便得到最终的高分辨结果。
本实施例中，上述新的多接收阵元合成孔径声呐波数域成像方法具体包括如下步骤。
S1、首先计算一种较为精确的包含距离空变和距离空不变的二维频域系统函数；
本步骤中，原始的解析二维频域系统函数中含有距离变量及，为使得二维频域
系统函数仅距离变量成正比，在计算包含距离空变和距离空不变的二维频域系统函数，针
对原始的二维频域系统函数，采用恒等式与近似式将原始解析
二维频域系统函数中的距离空变项、距离空不变项分离开来，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；表示距离
空不变相位；表示距离空变相位；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；表示参
考距离；表示空变距离；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；、均表示中间参数；和
分别表示水声声速与声呐平台拖曳速度。
S2、针对每个接收阵元的数据在二维频域进行一致相位补偿；
本步骤中，针对每个接收阵元的数据在二维频域进行一致相位补偿，主要补偿与距离无关的相位误差，其公式如下：
其中，表示相位补偿函数；表示线性相位项，物理意义在于将
图像平移至参考距离处；表示发射信号的频谱，表示取共轭操作，表示虚数单
位。如图2所示，M表示接收阵元的总数，1≤m≤M。
S3、针对每个接收阵元的数据在二维频域进行距离向坐标变换操作；
本步骤即在二维频域采用Stolt插值的方式进行距离向坐标变换操作，将二维波数域内的弧形坐标变换成直线坐标，其变换后的距离向波数域坐标如下：
其中，表示在波数域进行距离向坐标变换后的坐标，表示
收发分置所造成的频率尺度因子。
S4、在二维频域对所有接收阵元数据融合后进行距离向傅里叶逆变换。
S5、针对融合后的数据，在距离-多普勒域补偿方位走动误差，方位傅里叶变换后得到最终的高分辨结果；
本步骤中，针对融合后的数据在距离-多普勒域补偿方位走动误差，其补偿函数为：
其中，表示方位走动误差补偿函数。
按照上述步骤对距离坐标为100m、方位坐标为7m理想点目标所产生的多接收阵元回波数据进行成像处理，成像结果如图3所示。
此外，本实施例还通过仿真实验，对本方案的方法、Callow在其发表论文“Wavenumber domain reconstruction of SAR/SAS imagery using single transmitterand multiple-receiver geometry”中提出的方法（以下简称为Callow的方法）以及黄攀在其发表论文“Synthetic aperture imagery for high-resolution imaging sonar”中提出的方法（以下简称为黄攀方法）对仿真数据进行成像后的方位剖面进行重叠对比，如图4所示。从图4的结果中不难发现，本方案的方法相对Callow的方法有较大的提升；而黄攀方法在5.7m处的旁瓣比本方案的方法要高约5.6dB，进一步体现了本方案的方法的优越性。
如图5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新的多接收阵元合成孔径声呐波数域成像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新的多接收阵元合成孔径声呐波数域成像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新的多接收阵元合成孔径声呐波数域成像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)
1.一种多接收阵元合成孔径声呐波数域成像方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、首先计算包含距离空变和距离空不变的二维频域系统函数；
S2、针对每个接收阵元的数据在二维频域进行一致相位补偿；
S3、针对每个接收阵元的数据在二维频域进行距离向坐标变换操作；
S4、在二维频域对所有接收阵元数据融合后进行距离向傅里叶逆变换；
S5、针对融合后的数据，在距离-多普勒域补偿方位走动误差，方位傅里叶变换后得到最终的高分辨结果；
所述S1中，计算包含距离空变和距离空不变的二维频域系统函数，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； 表示距离空不变相位；/>表示距离空变相位；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；rc表示参考距离；r'表示空变距离；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；/> 均表示中间参数；c和v分别表示水声声速与声呐平台拖曳速度；
所述S3中，针对每个接收阵元的数据在二维频域通过插值进行距离向坐标变换操作，即其变换后的坐标如下：
其中，kr表示在波数域进行距离向坐标变换后的坐标，表示收发分置所造成的频率尺度因子。
2.根据权利要求1所述的多接收阵元合成孔径声呐波数域成像方法，其特征在于，所述S2中，针对每个接收阵元的数据在二维频域进行一致相位补偿，其公式如下：
其中，Hm表示相位补偿函数；表示线性相位项，物理意义在于将图像平移至参考距离rc处；P(fτ)表示发射信号的频谱，*表示取共轭操作，j表示虚数单位。
3.根据权利要求1所述的多接收阵元合成孔径声呐波数域成像方法，其特征在于，所述S5中，针对融合后的数据在距离-多普勒域补偿方位走动误差，其补偿函数为：
其中，Hr(ft；r)表示方位走动误差补偿函数。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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