CN116679306A - 一种基于系数修正的扩展孔径声纳成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种海洋领域的水声信号处理方法，具体涉及一种基于系数修正的扩展孔径声纳成像方法。本发明方法包括：构建期望目标信号强度和波束图响应敏感度的约束，建立关于窗函数修正系数的约束优化问题，并求解得到窗函数修正系数；使用窗函数修正系数对扩展孔径声呐成像过程中波束形成加权矢量进行修正补偿处理，获得扩展孔径声纳图像。本发明方法能够实现对扩展孔径声纳成像过程中波束旁瓣的抑制，实现高分辨率高清晰成像效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种海洋领域的水声信号处理方法，具体涉及一种基于系数修正的扩展孔径声纳高清晰成像方法。
背景技术
扩展孔径成像声纳利用多发射多接收波形分集技术，结合相位中心原理，发射基阵和接收基阵分布在小范围内，形成大的虚拟阵列孔径，本质上就是利用发射接收联合相干处理实现图像方位向高分辨率，因此扩展孔径成像声纳一般采用紧凑式布放模式，即收发阵列基本集中于目标的同一个观测角度上。扩展孔径成像声纳利用虚拟扩展原理实现方位分辨率的提高，改善了声纳图像的质量，但是虚拟阵列可能不再是真正意义上的均匀线性阵列，因此常规成像声纳中常用的窗函数加权抑制方位向旁瓣的方法，若直接用于扩展孔径成像声纳中会导致方位向旁瓣抑制失效。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术存在的问题：扩展孔径成像声纳在不改变实际物理孔径的情况下，可形成虚拟大孔径、提高分辨率，但虚拟扩展阵列的非均匀性会导致常规窗函数加权波束旁瓣抑制失效。针对这一问题，本发明首先提出了基于窗函数系数修正的扩展孔径声纳波束低旁瓣成像方法，该方法通过引入期望目标信号强度和波束图响应敏感度的约束，求解关于窗函数修正系数的二阶锥规划约束优化问题，将得到的窗函数修正系数应用到扩展孔径成像声纳的成像过程中，实现波束旁瓣的抑制，实现高分辨率高清晰成像效果。
为达到上述目的，本发明通过下述技术方案实现。
本发明提出了一种基于系数修正的扩展孔径声纳成像方法，所述方法包括：
构建期望目标信号强度和波束图响应敏感度的约束，建立关于窗函数修正系数的约束优化问题，并求解得到窗函数修正系数；
使用窗函数修正系数对扩展孔径声呐成像过程中波束形成加权矢量进行修正补偿处理，获得扩展孔径声纳图像。
作为上述技术方案的改进之一，所述期望目标信号强度的约束，表达式为：
其中，表示窗函数权值修正系数，web为给定旁瓣高度的切比雪夫窗函数权值；aTR(θd)是波束指向角为θd的扩展孔径成像声呐导向矢量，上标H表示共轭转置；
所述波束图响应敏感度的约束，表达式为：
其中，ξ为设定的常数，||·||为2-范数计算符。
作为上述技术方案的改进之一，所述关于窗函数修正系数的约束优化问题，表达式为：
其中，aTR(θi)是波束指向角为θi的扩展孔径成像声呐导向矢量；ΘSL表示第一零点以外的旁瓣区域；是实数集。
作为上述技术方案的改进之一，在求解关于窗函数修正系数的二阶锥规划约束优化问题得到的过程中，不改变关于窗函数修正系数的二阶锥规划约束优化问题的值，直到/>是实数，/>表示窗函数权值修正系数。
作为上述技术方案的改进之一，当是实数时，关于窗函数修正系数的约束优化问题表达式转换为：
作为上述技术方案的改进之一，转换后的关于窗函数修正系数的约束优化问题为二阶锥规划问题，采用sedumi软件进行求解。
作为上述技术方案的改进之一，所述使用窗函数修正系数对扩展孔径声呐成像过程中波束形成加权矢量进行修正补偿处理，获得扩展孔径声纳成像，包括：
根据角度分辨率需求，结合相位中心定理和载体平台尺寸的约束，设计扩展孔径声纳阵列，并确定扩展孔径声纳的虚拟阵列的阵元位置；
通过NR个接收阵元分别接收NR个通道的回波信号；
对接收的NR个通道的回波信号进行窗函数加权匹配滤波处理并进行波形分离处理，得到NRMT组回波数据，MT为发射阵元数目；
使用窗函数修正系数对波束形成加权矢量进行修正补偿处理，得到扩展成像声纳的发射-接收联合波束形成加权矢量；
根据发射-接收联合波束形成加权矢量对NRMT组回波数据进行接收预成多个波束，得到扩展孔径声纳图像。
作为上述技术方案的改进之一，虚拟阵列的导向矢量表示为：
其中，表示克罗内积，aT为扩展孔径声纳的声呐发射阵列的导向矢量，aR为接收阵列的导向矢量。
作为上述技术方案的改进之一，虚拟阵列的波束图表示为：
其中，dT是相邻发射阵元的间距，λ是发射信号中心频率对应的波长，dR为相邻接收阵元的间距，变量Yp＝sinθ-sinθp，θp为第p个目标的方向角。
作为上述技术方案的改进之一，所述扩展成像声纳的发射-接收联合波束形成加权矢量WTR(θd)的表达式为：
本发明与现有技术相比优点在于：
1)本发明方法对扩展孔径声纳的阵列形状无特殊要求；
2)本发明方法得到的此窗函数修正系数为实数，不会随波束指向角度改变而改变，与不同波束指向角的导向矢量无关，同时在近场聚焦区域，也不受距离不同相位差不同的影响，因此，不需要提前存储多个距离点或波束指向角的权值系数，只需要提前计算一组修正系数即可，本发明方法便于工程实现；
3)本发明方法可得到波束旁瓣约为40dB的扩展孔径声纳图像。
附图说明
图1为本发明方法流程图；
图2(a)-图2(d)是MIMO成像声纳二维声纳图像以及11m目标处的方位向切片对比效果图，其中，图2(a)是采用均匀加权方法获取的声纳图像，图2(b)是采用切比雪夫窗加权方法获取的声纳图像，图2(c)是采用本发明修正系数加权方法获取的声纳图像，图2(d)是上述三种方法在11m目标处的方位向切片对比效果图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。
实施例1
如图1所示，为本发明方法流程图。本发明方法包括：
构建期望目标信号强度和波束图响应敏感度的约束，建立关于窗函数修正系数的约束优化问题，并求解得到窗函数修正系数；
使用窗函数修正系数对扩展孔径声呐成像过程中波束形成加权矢量进行修正补偿处理，获得扩展孔径声纳图像。
具体地包括以下步骤：
首先，根据角度分辨率需求，结合相位中心定理和载体平台尺寸的约束，设计合适的扩展孔径阵列，考虑实际接收阵列和发射均为均匀线性阵列，扩展孔径的虚拟阵列的阵元位置等于接收阵列的阵元位置卷积发射阵列的阵元位置，虚拟阵列的导向矢量可表示为，
其中，表示克罗内积，aT为扩展孔径声纳的声呐发射阵列的导向矢量，aR为接收阵列的导向矢量。
则虚拟阵列的波束图可表示为
其中，dT是相邻发射阵元的间距，λ是发射信号中心频率对应的波长，dR为相邻接收阵元的间距，NR为接收阵元数目，MT为发射阵元数目，Yp＝sinθ-sinθp，θp为第p个目标的方向角。
接着，对NR个通道实际接收的回波信号进行波形分离处理，得到NRMT组回波数据。
然后，波束域输出功率期望值的基底值将依赖于敏感度函数Tse和扰动的方差，其效果是限制了波束图零点的深度。在设计最优阵列时，应施加一个敏感度约束。
Tse＝||w||2≤To (3)
其中，w表示波束形成加权矢量，To为一个设计常数，使得阵列的性能对扰动更加稳健和零陷深度更低。
对窗函数系数加权后的波束旁瓣进行限定，并对期望目标信号强度，以及旁瓣级期望值敏感度进行约束，进而得出修正系数的约束优化问题，然后通过求解二阶锥规划优化，获得修正后的窗函数非线性系数，通过非线性系数对虚拟阵列幅度加权，获得等波纹低旁瓣级的波束响应。窗函数权值修正系数可通过如下约束估计获得：
式中，web为给定旁瓣高度的切比雪夫窗函数权值，常用旁瓣高度为-40dB。aTR(θd)是波束指向角为θd的扩展孔径成像声呐导向矢量；aTR(θi)是波束指向角为θi的扩展孔径成像声呐导向矢量；ΘSL表示第一零点以外的旁瓣区域；||·||为2-范数计算符；ξ为一常数，其数值与算法的鲁棒性和期望的旁瓣高度有关，其数值小于等于0.01时，波束图旁瓣高度才有-40dB的零陷；是实数集。
式(4)中，在寻找的最优解时，而并不会改变其代价函数的值，直到(w·web·aTR(θd))HaTR(θd)是实数。因此，为了不失一般性，可以假设(w·web·aTR(θd))HaTR(θd)是实数，则上式可以表示成：
式(5)中的窗函数修正权值系数的约束问题为二阶锥规划问题，可采用sedumi软件进行求解，收敛速度快，且节约时间。
最后，波束指向角为θd，得到扩展成像声纳的发射-接收联合波束形成加权矢量为：
根据式(6)进行接收预成多个波束，进而得到扩展声纳的旁瓣级约为-40dB的高分辨率高清晰度图像。
扩展孔径成像声纳包含接收阵列和发射阵列，根据角度分辨率指标设计要求，线性均匀接收阵列的阵元数目为192，线性发射阵列包含2个发射子阵，分别位于接收阵列的两端，分别发射正负斜率线性调频信号，仿真条件中假设具有12个互不相关的点目标回波，12个点目标组成“L”型，首先对回波信号进行窗函数加权匹配滤波处理进行回波信号分离并抑制距离向旁瓣，接着采用发射-接收联合波束形成得到声纳图像。
如图2(a)-图2(d)所示，是MIMO成像声纳二维声纳图像以及11m目标处的方位向切片对比效果图，其中，图2(a)是采用均匀加权方法获取的声纳图像，图2(b)是采用切比雪夫窗加权方法获取的声纳图像，图2(c)是采用本发明修正系数加权方法获取的声纳图像，图2(d)是上述三种方法在11m目标处的方位向切片对比效果图。
由仿真结果可知，对于扩展孔径成像声纳阵列，常规均匀线性加权方法，目标附近产生较高的旁瓣，造成目标点分离模糊；切比雪夫窗函数权值加权方法，在远离目标角度区域降低了旁瓣，但是由于虚拟扩展阵列不均匀性，切比雪夫窗加权导致扩展孔径成像声纳图像目标主瓣附近产生高旁瓣，真目标附近产生多个虚假目标。而本发明所提修正系数加权方法，对于扩展孔径成像声纳阵列，采用窗函数修正系数补偿处理后，得到的波束旁瓣均低于-40dB，降低了目标附近的高旁瓣影响，达到了抑制扩展孔径成像声纳方位向旁瓣的目的，且没有升高波束旁瓣，提高了扩展孔径成像声纳图像的清晰度。
由上述可知，本发明通过引入期望目标信号强度和波束图响应敏感度的约束，求解关于窗函数修正系数的二阶锥规划约束优化问题，将得到的窗函数修正系数应用到扩展孔径成像声纳的成像过程中，实现波束旁瓣的抑制，实现高分辨率高清晰成像效果。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种基于系数修正的扩展孔径声纳成像方法，所述方法包括：
构建期望目标信号强度和波束图响应敏感度的约束，建立关于窗函数修正系数的约束优化问题，并求解得到窗函数修正系数；
使用窗函数修正系数对扩展孔径声呐成像过程中波束形成加权矢量进行修正补偿处理，获得扩展孔径声纳图像。
2.根据权利要求1所述的基于系数修正的扩展孔径声纳成像方法，其特征在于，所述期望目标信号强度的约束，表达式为：
其中，表示窗函数权值修正系数，web为给定旁瓣高度的切比雪夫窗函数权值；aTR(θd)是波束指向角为θd的扩展孔径成像声呐导向矢量，上标H表示共轭转置；
所述波束图响应敏感度的约束，表达式为：
其中，ξ为设定的常数，·为2-范数计算符。
3.根据权利要求2所述的基于系数修正的扩展孔径声纳成像方法，其特征在于，所述关于窗函数修正系数的约束优化问题，表达式为：
其中，aTR(θi)是波束指向角为θi的扩展孔径成像声呐导向矢量；ΘSL表示第一零点以外的旁瓣区域；是实数集。
4.根据权利要求3所述的基于系数修正的扩展孔径声纳成像方法，其特征在于，在求解关于窗函数修正系数的二阶锥规划约束优化问题得到的过程中，不改变关于窗函数修正系数的二阶锥规划约束优化问题的值，直到/>是实数，/>表示窗函数权值修正系数。
5.根据权利要求4所述的基于系数修正的扩展孔径声纳成像方法，其特征在于，当是实数时，关于窗函数修正系数的约束优化问题表达式转换为：
6.根据权利要求5所述的基于系数修正的扩展孔径声纳成像方法，其特征在于，转换后的关于窗函数修正系数的约束优化问题为二阶锥规划问题，采用sedumi软件进行求解。
7.根据权利要求5所述的基于系数修正的扩展孔径声纳成像方法，其特征在于，所述使用窗函数修正系数对扩展孔径声呐成像过程中波束形成加权矢量进行修正补偿处理，获得扩展孔径声纳成像，包括：
根据角度分辨率需求，结合相位中心定理和载体平台尺寸的约束，设计扩展孔径声纳阵列，并确定扩展孔径声纳的虚拟阵列的阵元位置；
通过NR个接收阵元分别接收NR个通道的回波信号；
对接收的NR个通道的回波信号进行窗函数加权匹配滤波处理并进行波形分离处理，得到NRMT组回波数据，MT为发射阵元数目；
使用窗函数修正系数对波束形成加权矢量进行修正补偿处理，得到扩展成像声纳的发射-接收联合波束形成加权矢量；
根据发射-接收联合波束形成加权矢量对NRMT组回波数据进行接收预成多个波束，得到扩展孔径声纳图像。
8.根据权利要求7所述的基于系数修正的扩展孔径声纳成像方法，其特征在于，虚拟阵列的导向矢量表示为：
其中，表示克罗内积，aT为扩展孔径声纳的声呐发射阵列的导向矢量，aR为接收阵列的导向矢量。
9.根据权利要求8所述的基于系数修正的扩展孔径声纳成像方法，其特征在于，虚拟阵列的波束图表示为：
其中，dT是相邻发射阵元的间距，λ是发射信号中心频率对应的波长，dR为相邻接收阵元的间距，变量Yp＝sinθ-sinθp，θp为第p个目标的方向角。
10.根据权利要求7所述的基于系数修正的扩展孔径声纳成像方法，其特征在于，所述扩展成像声纳的发射-接收联合波束形成加权矢量WTR(θd)的表达式为：
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| CN117045279A (zh) * | 2023-09-22 | 2023-11-14 | 哈尔滨工业大学 | 一种基于点扩散函数参数优化的掌上超声成像方法 |
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- 2023-04-24 CN CN202310444175.0A patent/CN116679306A/zh active Pending
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| CN117045279A (zh) * | 2023-09-22 | 2023-11-14 | 哈尔滨工业大学 | 一种基于点扩散函数参数优化的掌上超声成像方法 |
| CN117045279B (zh) * | 2023-09-22 | 2024-03-29 | 哈尔滨工业大学 | 一种基于点扩散函数参数优化的掌上超声成像方法 |
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