專利名稱：一種合成孔徑聲納托體速度的估計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在合成孔徑聲納(SAS)運動中基于冗余相位中心(Redundant Phase Center)的方法估計拖體航行方位向?qū)崟r速度的方法。應用本方法估計的速度可直 接用于合成孔徑聲納成像。 合成孔徑聲納(SAS)是利用小尺寸基陣在方位向的移動，通過對不同位置接收信 號的相關(guān)處理，來獲得方位向(沿著聲納基陣的運動方向)上的合成孔徑，從而得到高精度 的方位向上的分辨率。作為一種工作于側(cè)掃模式下的成像聲納，SAS的距離向(垂直運動 方向)的分辨率采用線性調(diào)頻信號(LFM)的脈沖壓縮的方法得到提高的。
合成孔徑成像過程中，一般情況下，托體平臺的運動速度的測量是通過運動測量 系統(tǒng)得到的。運動測量系統(tǒng)一般為姿態(tài)傳感器或多普勒計程儀等設(shè)備，安裝在托體平臺上， 實時記錄平臺的位置和姿態(tài)。但專用的水下測量設(shè)備的價格一般比較昂貴，相對價格低廉 的GPS(Global Positioning System,全球衛(wèi)星定位導航系統(tǒng))無法應用于水下，可以測量 船速，但無法準確得到托體平臺的航行速度。準確、簡便地測量托體平臺的航向速度對于 SAS成像系統(tǒng)是至關(guān)重要的。 傳統(tǒng)測試聲納主要包括測量流體速度的流速剖面儀和測量載體速度的計程儀。目 前大多數(shù)利用多普勒原理工作的多普勒測速聲納應用比較廣泛。多普勒測速聲納使用3-4 個換能器基元，向斜方向發(fā)射信號，波束開角較小，大約為3。
-7° 。 隨著科學技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了相關(guān)測速聲納。相關(guān)測速聲納在相同的工作頻率下， 相關(guān)測速聲納的換能器陣比多普勒測速聲納換能器陣小，適合于體積小的載體或者低頻工 作。 本發(fā)明將在相關(guān)原理的基礎(chǔ)上，提出了一種基于冗余相位中心的合成孔徑聲納托 體速度的估計方法。 拖曳式聲納(穩(wěn)定性好)的聲納基陣固定在托體平臺上，工作時由拖船拖曳前進。 拖拽式聲納的工作模式特征在于拖船a，絞車b，托體平臺c，聲納基陣d。其中聲納基陣d 是由一個發(fā)射基元和多個接收基元組成的。 聲納基陣d首先在位置A處發(fā)射并接收數(shù)據(jù)，稱為第n幀數(shù)據(jù)；然后聲納基陣d勻 速運動到位置B發(fā)射并接收下一幀數(shù)據(jù)，稱為第n+l幀數(shù)據(jù)。其相應的冗余相位中心示意 圖如圖2所示。本發(fā)明的目的是估計在此期間聲納基陣的運動速度。 若聲納載體的速度測量不準確會直接造成接收信號的起伏，由此形成的相位誤差 將給圖像數(shù)據(jù)引入誤差，引起SAS成像質(zhì)量的下降，造成圖像的畸變、散焦，以至于不能成 像。本發(fā)明的關(guān)鍵是選取合適的聲納基陣平臺的運動速度，使得相鄰兩幀數(shù)據(jù)間有一個或 一個以上的冗余相位中心。
背景技術(shù)：
發(fā)明內(nèi)容
由SAS方位模糊限制條件可知，聲納基陣在方位向上的速度V限制為
v《(G D/2) PRF (1) 其中，G為接收基元的個數(shù)，D為接收基元的直徑，PRF為發(fā)射信號的脈沖頻率。
由公式(1)可知，SAS的成像條件是接收前后兩幀數(shù)據(jù)時，聲納基陣的運動距離要 小于聲納基陣的長度一半。因此，相鄰兩幀間有一個或一個以上的冗余相位中心的條件在 SAS基陣正常運行的條件下是可以得到滿足的。 對于前后兩幀的重疊接收基元來講，因為它們對應的方位位置是相同的，則重疊 部分陣元的回波信號進行互相關(guān)運算，具有最大的互相關(guān)系數(shù)。 在圖2中，在A處所接收到的數(shù)據(jù)為第n幀，在B處所接收到的數(shù)據(jù)為第n+l幀。 第n+l幀接收數(shù)據(jù)中的接收基元20中的數(shù)據(jù)與第n幀中接收基元4'中的數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)要 大于第n+l幀的接收基元20中數(shù)據(jù)與第n幀中其它接收基元中數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)。圖2中 共有4個冗余相位中心。 本發(fā)明是通過對接收基元的數(shù)據(jù)進行互相關(guān)計算，估計合成孔徑聲納成像過程中 拖體實時運動速度。為了得到托體的速度，主要采用了如下步驟 1)、假設(shè)當前聲納基陣中的接收基元的總個數(shù)為G，其相應的編號以1到G來編號 的；各個接收基元接收到的當前第N幀的數(shù)據(jù)回波信號進行脈沖壓縮、存儲，得數(shù)據(jù)SN(N， J);其中脈沖信號SN(N， J)為一維向量，N為當前是第幾幀數(shù)據(jù)，J為接收基元的編號；
2)、取當前幀的最后一個接收基元的脈壓信號SN(N， G)，按聲納基陣d中的接收基 元順序與前一幀脈壓信號進行互相關(guān)運算； 3)、根據(jù)步驟2)的計算結(jié)果，得到最大相關(guān)系數(shù)時的信號SN—工(N-l， J) (1《J《G)，從而求得前后兩幀的重疊基陣個數(shù)m = J ; 4)、根據(jù)聲納基陣總的接收基元個數(shù)G，重疊的基元個數(shù)m，得到托體的速度值v如 公式v = (G-m》l^i F ;其中，G為接收基元的個數(shù)，D為接收基元的直徑，PRF為發(fā)射信 號的脈沖頻率。 本發(fā)明的原理簡便，使用靈活，實現(xiàn)簡單，結(jié)果穩(wěn)定，容易在合成孔徑聲納實時成 像系統(tǒng)中獲得應用。


圖1拖拽式聲納的工作模式，其中 a :拖船，b :絞車，C :托體平臺，d :聲納基陣； 圖2冗余相位中心示意圖； 圖3第N幀的最后一個接收陣元的信號； 圖4陣元/陣元信號的互相關(guān)結(jié)果； 圖5第N-l幀的第4個接收陣元的信號； 圖6應用估計的速度進行SAS成像結(jié)果。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明
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拖曳式聲納(穩(wěn)定性好)的聲納基陣固定在托體平臺上，工作時由拖船拖曳前進。 拖拽式聲納的工作模式特征在于拖船a，絞車b，托體平臺c，聲納基陣d。其中聲納基陣d 是由一個發(fā)射基元和多個接收基元組成的。 聲納基陣d首先在位置A處發(fā)射并接收數(shù)據(jù)，稱為第n幀數(shù)據(jù)；然后聲納基陣d運 動到位置B發(fā)射并接收下一幀數(shù)據(jù)，稱為第n+1幀數(shù)據(jù)。其相應的冗余相位中心示意圖如 圖2所示。 若聲納載體的速度測量不準確會直接造成接收信號的起伏，由此形成的相位誤差 將給圖像數(shù)據(jù)引入誤差，引起SAS成像質(zhì)量的下降，造成圖像的畸變、散焦，以至于不能成 像。本實例的關(guān)鍵是選取合適的聲納基陣平臺的運動速度，使得相鄰兩幀數(shù)據(jù)間有一個或 一個以上的冗余相位中心。 由SAS方位模糊限制條件可知，聲納基陣在方位向上的速度v限制滿足公式 v《(G D/2) PRF。其中，G為接收基元的總個數(shù)，D為接收基元的直徑，PRF為發(fā)射信號 的脈沖頻率。在本實例中G為20， D為0. 08米，PRF為脈沖重復頻率，IHZ。
由公式v《(G *D/2) *PRF可知，SAS的成像條件是接收前后兩幀數(shù)據(jù)時，聲納基 陣的運動距離要小于聲納基陣的長度一半。因此，相鄰兩幀間有一個或一個以上的冗余相 位中心的條件在SAS基陣正常運行的條件下是可以得到滿足的。 對于前后兩幀的重疊接收基元來講，因為它們對應的方位位置是相同的，則重疊 部分接收基元的回波信號進行互相關(guān)運算，具有最大的互相關(guān)系數(shù)。 在本實例中是通過對聲納基陣d中的接收基元的數(shù)據(jù)進行互相關(guān)計算，估計合成
孔徑聲納成像過程中拖體實時運動速度。為了得到托體的速度，主要采用了如下步驟 1、各個接收基元接收到的當前第N幀的數(shù)據(jù)回波信號進行脈沖壓縮、存儲，得數(shù)
據(jù)S,(N，J);其中脈沖信號S,(N，J)為一維向量，N為當前是第幾幀數(shù)據(jù)，J為接收基元的編
號。(假設(shè)當前聲納基陣中的接收基元的總個數(shù)為G，其相應的編號以l到G來編號的) 2、取當前幀的最后一個接收陣元的脈沖壓縮信號SN(N， G)，在本實例中即
為SN(N，20)(其信號如圖3所示)。SN(N，20)按聲納基陣d中接收基元的編號從大
到小的順序與N-l幀中所有脈沖壓縮信號進行互相關(guān)運算；其相應的計算公式是
Cov[Sw (W， 20), Sw '— 1,0] ， . / ，n R = /T/』=，n、: S 、， (" " 20)。其中SN—JN-1， i)第N-1幀中第i個
^呵^ (w, 20)]呵- 0]
接收基元的數(shù)據(jù)。Cov[SN(N，20)， SN—JN-I， i)]為SJN，20)和S^JN-1， i)的協(xié)方差；
^^ [^ (tV， 20)]和^^[S^ (iV — 1, /)]為SN(N， 20) 、 SN—! (N-1， i)各自的標準差；P i是SN(N， 20)和SN—,1， i)的互相關(guān)系數(shù)。 3、根據(jù)步驟2的計算出相關(guān)系數(shù)的結(jié)果(見圖4)， P4值最大，即在本實例中得到最大 相關(guān)系數(shù)時的信號；工(N-l，4)(其信號如圖5所示)，其中從而求得重疊基陣個數(shù)m = J = 4。
4、估計速度值。根據(jù)聲納基陣d總的接收基元總個數(shù)G = 20，重疊的接收基元個
數(shù)m = 4，得到托體的速度為v = (G-w).^.尸i F二 (20-4)0.08/2 = 0.64m/s。從而求 得在本實例中托體速度為0. 64m/s。 應用本方法估計得到的托體速度進行SAS成像結(jié)果如圖6所示，圖像清晰，目標聚 集良好。
權(quán)利要求
一種合成孔徑聲納托體速度的估計方法，其特征在于，步驟如下1)、假設(shè)當前聲納基陣中的接收基元的總個數(shù)為G，其相應的編號以1到G來編號的；各個接收基元接收到的當前第N幀的數(shù)據(jù)回波信號進行脈沖壓縮、存儲，得數(shù)據(jù)SN(N，J)；其中脈沖信號SN(N，J)為一維向量，N為當前是第幾幀數(shù)據(jù)，J為接收基元的編號；2)、取當前幀的最后一個接收基元的脈壓信號SN(N，G)，按聲納基陣d中的接收基元順序與前一幀脈壓信號進行互相關(guān)運算；3)、根據(jù)步驟2)的計算結(jié)果，得到最大相關(guān)系數(shù)時的信號SN-1(N-1，J)(1≤J≤G)，從而求得前后兩幀的重疊基陣個數(shù)m＝J；4)、根據(jù)聲納基陣總的接收基元個數(shù)G，重疊的基元個數(shù)m，得到托體的速度值v如公式其中，G為接收基元的個數(shù)，D為接收基元的直徑，PRF為發(fā)射信號的脈沖頻率。FSA00000059942100011.tif
全文摘要
本發(fā)明涉及一種合成孔徑聲納托體速度的估計方法。傳統(tǒng)測試聲納包括測量流體速度的流速剖面儀和測量載體速度的計程儀。本發(fā)明用接收基元信號相關(guān)的方法來估計托體速度，假設(shè)當前聲納基陣中的接收基元的總個數(shù)為G；各個接收基元接收到的當前第N幀的數(shù)據(jù)回波信號進行脈沖壓縮、存儲，得數(shù)據(jù)SN(N，J)；其中脈沖信號SN(N，J)為一維向量，N為當前是第幾幀數(shù)據(jù)，J為接收基元的編號；取當前幀的最后一個接收基元的脈壓信號SN(N，G)，按聲納基陣d中的接收基元順序與前一幀脈壓信號進行互相關(guān)運算，得到最大相關(guān)系數(shù)時的信號SN-1(N-1，J)(1≤J≤G)，從而求得前后兩幀的重疊基陣個數(shù)m＝J；據(jù)接收基元個數(shù)G，重疊的基元個數(shù)m，得到托體的速度值v。本發(fā)明原理簡便，使用靈活，結(jié)果穩(wěn)定。
文檔編號G01S7/527GK101793958SQ20101013063
公開日2010年8月4日 申請日期2010年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月22日
發(fā)明者王嘯, 陳東升 申請人:北京工業(yè)大學