CN1996047A - 单接收阵合成孔径声纳干涉测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种单接收阵合成孔径声纳干涉测量方法，该方法采用两个或两个以上发射阵发射同频的正交信号，采用一个接收阵接收信号回波获取合成孔径成像干涉处理所需信息，从而有效降低系统的复杂程度，控制设备的成本。

Description

单接收阵合成孔径声纳干涉测量方法

技术领域

本发明属于合成孔径声纳干涉领域，提出了一种全新概念的单接收阵合成孔径声纳干涉测量方法。

背景技术

在合成孔径声纳成像的应用中，为了实现测深的目的，需要用垂直于平台运动方向的两条或者多条收发射阵进行干涉处理。以往的方法是采用一条发射基阵，两条或多条接收基阵，在同一时刻获取两幅或多幅合成孔径声纳成像数据，然后对图像进行干涉处理，得到目标的高程数据。

这种方法原理如图1所示，信号处理时将来自两个不同接收阵的信号分别进行合成孔径成像，然后再对它们进行干涉处理，就可以得到一幅目标的高程数据了。从目前的应用情况来看，实现这一技术需要克服以下几个方面的要求。

首先，在合成孔径声纳应用中，为了克服测距模糊和空间采样率不足之间的矛盾，往往采用多子阵接收的方法(如图2所示)。因此实用的合成孔径声纳，接收阵长度一般比发射阵长很多，成本也要高很多。将这一技术应用到干涉上，多出的一个或多个接收阵会进一步增加成本。

其次，由于干涉仪合成孔径声纳接收阵元的数目大幅度增加，声纳接收机的复杂程度也会增加，信号采集设备的通道数目也将成倍增长，同时也给数据存储和数据传输提出了比普通合成孔径声纳更高的要求。

此外，干涉合成孔径声纳对参加干涉的两个或多个接收阵各通道的幅度和相位一致性提出了很高的要求。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述背景技术存在的不足，提出一种利用一个接收阵接收回波信号来实现单基线或多基线的单接收阵合成孔径声纳干涉测量方法，从而有效降低系统的复杂程度，控制设备的成本。

本发明采用两个或两个以上发射阵发射同频的正交信号，采用一个接收阵接收信号回波来获取合成孔径成像干涉处理所需信息。

上述每个发射阵之间可以具有不同的相位中心，发射阵最好沿垂直于平台运动的方向排列。

若信号S_i(t)和S_j(t)满足如下的关系式：

$\left\{\begin{array}{cc}\underset{T}{\text{\∫}}{S}_i\left(t\right)S_j(t-\mathrm{\τ})\mathrm{dt}=\mathrm{\δ}\left(\mathrm{\τ}\right),& i=j\\ \underset{T}{\text{\∫}}{S}_i\left(t\right)S_j(t-\mathrm{\τ})\mathrm{dt}=0,& i\≠j\end{array}\right.$ 则称S_i(t)i＝1，2，…n为一组正交信号。其中，δ(τ)是冲击函数。

理想的同频正交信号是指频率相同、互相关函数等于零的信号。但实际应用中难以找到这样理想的正交信号。在本发明中只要其互相关函数的最大值远小于自相关函数最大值的信号都可以视为正交信号。

本发明步骤为：

1.用上述发射阵同时发射相互正交的信号。发射阵发射的信号为T_i，经目标反射后回波信号分别为S_i(τ_i)。式中τ_i是由于收发路径不同而产生的不同延迟。

2、用一个接收阵接收这些回波，并对信号回波进行脉冲压缩，同时将来自于不同发射阵的信号回波分离；

3、分别对每个分离后的回波信号进行合成孔径成像处理，得到F_i(T，R)，式中，T是合成孔径成像声纳缓变时间坐标，R是声纳作用方向的坐标。

4、将合成孔径成像的结果进行干涉处理，得到目标区域的高度信息。

上述脉冲压缩采用匹配滤波的方法，公式为：S_comi(τ_i)＝∫S(t)×T_i ^*(τ_i-t)dt，其中，S(t)是接收阵接收到的所有发射信号的回波之和，T_i(t)是第i个发射阵发射的信号，τ_i是由于收发路径不同而产生的不同延迟，S_comi(τ_i)是脉冲压缩后被分离的信号回波。

如果该方法采用两个发射阵发射同频的正交信号，所述干涉处理是采用上述两个发射阵的回波合成孔径信号F₁(T，R)，F₂(T，R)进行干涉、相位解卷和相位高度变换处理，得到基于单基线的目标区域高度信息。

如果该方法采用三个或三个以上发射阵发射同频的正交信号，所述干涉处理是采用上述三个或三个以上发射阵的回波合成孔径信号F_i1(T，R)，F_i2(T，R)，…，F_ik(T，R)进行干涉、相位解卷和相位高度变换处理，得到基于多基线的目标区域高度信息。

综上所述，本发明利用多个发射阵和一个接收阵的收发阵结构，通过对正交回波信号进行分离和分别成像处理得到多幅来自不同收发路径的合成孔径图像，将这些合成孔径图像进行干涉处理，实现了干涉仪合成孔径声纳。这种方法相对于以往的采用多接收阵的干涉仪合成孔径技术主要有以下优点

一、相对于以往的采用多接收阵的干涉仪合成孔径技术，本发明大幅度地削减了声纳接收阵的成本。一般而言，同样长度的声纳接收阵和声纳发射阵需要花费的成本大致相等，而在多子阵合成孔径声纳技术投入应用之后，合成孔径声纳的接收阵的长度已经远远大于发射阵的长度，在成本上也远高于发射阵。按照以往的做法，如果要实现干涉或者多基线条件下的干涉测量，就有必要装备两条或数条成本较高的接收阵，而如果采用本发明中的办法，我们只需要装配多条成本比较低的发射阵，和一条成本较高的接收阵，这样整体系统的成本也大幅度降低了。

二、相对于以往的采用多接收阵的干涉仪合成孔径技术，本发明有效减少了接收机的通道数，降低接收系统的复杂程度。由于本发明只采用一条接收阵，多个正交信号同时接收，显然接收机的通道数会成倍降低。

三、本发明降低了干涉仪合成孔径声纳对原始数据采集、存储和传输的要求，很大程度上降低了数据采集和存储系统的成本。干涉仪合成孔径声纳对于数据采集、存储和传输的需求非常高，往往几分钟的声纳扫描，就将产生几千兆甚至更多的原始数据，因此数据采集设备和存储设备的成本都非常高。采用单接收阵的干涉仪合成孔径声纳，数据量也将成倍减少，对数据采集和存储设备的技术指标要求也会相应降低。

附图说明

图1干涉合成孔径成像示意图；

图2多子阵接收方法示意图；

图3两发射阵发射两种正交波形T1和T2；

图4基于双发射阵的干涉原理图；

图5N发射阵分别发射N种正交波形T₁，T₂，…，T_N；

图6基于N发射阵的干涉原理图。

具体实施方式

实施例1：参见图3，本实施例的声纳阵列由2个发射阵和1个接收阵组成。发射阵分别发送正交信号T₁和T₂，经目标反射后，接收阵元同时收到回波信号S₁(τ₁)和S₂(τ₂)，其中τ₁，τ₂分别表示经过不同收发路径到达接收阵的信号延迟时间。利用发射信号的正交特性，在进行脉冲压缩时将来自于不同发射阵的信号回波分离，分别对分离后的回波信号进行合成孔径成像处理得到F₁(T，R)，F₂(T，R)。将两个合成孔径成像的结果进行干涉处理，得到两个信号的相位差主值(T，R)＝arg(F₁(T，R)×conj(F₂(T，R)))，再通过二维相位解卷，得到两个信号的真实相位差φ(T，R)＝(T，R)+2kπ。附图4中绘出了基于双发射阵的干涉测量原理：显然，二维相位解卷后的相位差是由信号延迟时间的差异决定的。

$\mathrm{\φ}=\frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}[{\mathrm{\ρ}}_1-{\mathrm{\ρ}}_2]---\left(1\right)$

其中

${\mathrm{\ρ}}_2=\sqrt{B^2+{\mathrm{\ρ}}_1^2-{2\mathrm{B\ρ}}_1\cos \mathrm{\β}}=\sqrt{B^2+{\mathrm{\ρ}}_1^2-{2\mathrm{B\ρ}}_1\sin (\mathrm{\θ}-\mathrm{\α})}---\left(2\right)$

基于平面波(远场)假设，(1)式可简写成：

$\mathrm{\φ}=\frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}B\sin (\mathrm{\θ}-\mathrm{\α})---\left(3\right)$

定义垂直基线：

B_⊥＝Bcos(θ-α)    (4)

由几何关系可得：

$\cos \mathrm{\θ}=\frac{H-h}{{\mathrm{\ρ}}_1}---\left(5\right)$

利用(3)、(4)两式即可得到场景的高度：

h＝H-ρ₁ cosθ    (6)

实施例2：参见图5，本实施例的声纳阵列由N个发射阵(3个或3个以上)和1个接收阵组成。参与干涉的任意两对收发射阵相位中心之间的距离又称为基线，包含N个发射阵和1个接收阵的干涉合成孔经声纳系统可以有

条基线。附图6中绘出了上述情况下基线的排列情况，基线分别为B(1，2)，B(2，3)，B(1，3)，...，B(1，N)。实施例中的基线长度满足B(1，2)＜B(2，3)＜B(1，3)＜，...，＜B(1，N)＝B₀。

发射阵分别发送正交信号T₁，T₂，…T_n，经目标反射后，接收阵元同时收到回波信号S₁(τ₁)，S₂(τ₂)，…，S_n(τ_n)，其中τ₁，τ₂，…τ_n分别表示经过不同收发路径到达接收阵的信号延迟时间。利用发射信号的正交特性，在进行脉冲压缩时将来自于不同发射阵的信号回波分离，分别对分离后的回波信号进行合成孔径成像处理得到F₁(T，R)，F₂(T，R)，…，F_n(T，R)。第i和第j个合成孔径成像的结果的干涉相位为_i，j(T，R)，第1和第N个合成孔径成像的结果的干涉相位为₀。根据干涉相位和基线的近似关系有 多基线干涉可以采用最大似然法估计干涉相位。利用多个合成孔径成像结果构造合适的似然函数f_MI(₀)，求解偏微分方程 可以得到₀的估计值。与实施例1中的单基线干涉处理相比，①在低信噪比条件下，多基线干涉得到的干涉图具有更高的干涉相位估计精度。②多基线干涉的干涉相位图具有更大的模糊基，相位解卷过程可以获得简化。

多基线干涉处理在相位——高度变换的过程中可以采用迭代法进行处理，先从最小的基线的干涉相位图出发，估计地形高度，然后以此为基准解卷较大基线的干涉相位图，依此类推直至获得最大基线的地形高度图。这种方法既利用了小基线相位解卷较好的优点，又获得了大基线在高度计算时的高精度。

Claims (6)

1、单接收阵合成孔径声纳干涉测量方法，其特征是该方法采用两个或两个以上发射阵发射同频的正交信号，采用一个接收阵接收信号回波获取合成孔径成像干涉处理所需信息。

2、根据权利要求1所述的单接收阵合成孔径声纳干涉测量方法，其特征是所述发射阵沿垂直于平台运动的方向排列。

3、根据权利要求1或2所述的单接收阵合成孔径声纳干涉测量方法，其特征是所述接收阵在接收信号回波后，首先对信号回波进行脉冲压缩，同时将来自于不同发射阵的信号回波分离；然后分别对每个分离后的回波信号进行合成孔径成像处理；最后将合成孔径成像的结果进行干涉处理，得到目标区域的高度信息。

4、根据权利要求3所述的单接收阵合成孔径声纳干涉测量方法，其特征是所述脉冲压缩采用匹配滤波的方法，公式为： $S_{\mathrm{comi}}\left({\mathrm{\τ}}_i\right)=\∫S\left(t\right)\×T_i^{*}({\mathrm{\τ}}_i-t)\mathrm{dt},$ 其中，S(t)是接收阵接收到的所有发射信号的回波之和，T_i(t)是第i个发射阵发射的信号，τ，是由于收发路径不同而产生的不同延迟，S_comi(τ_i)是脉冲压缩后被分离的信号回波。

5、根据权利要求3所述的单接收阵合成孔径声纳干涉测量方法，其特征是该方法采用两个发射阵发射同频的正交信号，所述干涉处理是采用上述两个发射阵的回波合成孔径信号F₁(T，R)，F₂(T，R)进行干涉、相位解卷和相位高度变换处理，得到基于单基线的目标区域高度信息。

6、根据权利要求3所述的单接收阵合成孔径声纳干涉测量方法，其特征是该方法采用三个或三个以上发射阵发射同频的正交信号，所述干涉处理是采用上述三个或三个以上发射阵的回波合成孔径信号F_i1(T，R)，F_i2(T，R)，…，F_ik(T，R)进行干涉、相位解卷和相位高度变换处理，得到基于多基线的目标区域高度信息。

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