專利名稱：基于底跟蹤的saa和dpca聯(lián)合運動補償方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及水聲工程領(lǐng)域中的合成孔徑技術(shù)，主要是一種基于底跟蹤的SAA和 DPCA聯(lián)合運動補償方法。
背景技術(shù)：
目前在國際上尚無成熟的海底地層的三維成像系統(tǒng)，本方案采用仿醫(yī)用CT技術(shù)的海底地層聲學(xué)三維成像方法實現(xiàn)掩埋雷探測識別。在三維成像機理方法上，通過高分辨陣處理實現(xiàn)對回波不同的水平方位高分辨力，通過脈沖壓縮技術(shù)獲得深度方向距離高分辨力，通過發(fā)射換能器每一次發(fā)射得到一個橫斷面地層的二維能量分布圖，隨著聲吶平臺向前運動，獲得另一維走航方位上的合成孔徑高分辨力，連續(xù)掃描即可獲得地層地貌的三維探測成像。主要需要突破各維度成像分辨力的關(guān)鍵技術(shù)。由于拖體在工作狀態(tài)中，受到海浪、海流、潮汐和拖船等因素的影響，運動平臺不能按照理想直線軌跡運動，在海上拖曳工作狀態(tài)中，拖體在自由姿態(tài)上的橫搖、縱傾、上下起伏變化明顯，對成像質(zhì)量較大影響，當(dāng)拖體的運動誤差幅度大于λ/8時，SAS圖像出現(xiàn)明顯模糊，走航分辨力下降。達不到三維成像系統(tǒng)走航維的分辨力要求。運動姿態(tài)補償可采用高精度的硬件設(shè)備進行，但是面臨使用成本昂貴，并且受到工作環(huán)境的限制，海底地形地貌變化復(fù)雜，強散射體漫反射的干擾會導(dǎo)致SAA切變平均算法性能下降，冗余相位中心算法依靠冗余子陣獲得覆蓋相同區(qū)域的回波，但海水中、海底表面、地層的漫反射回波形成嚴(yán)重混響，拖體姿態(tài)的不平穩(wěn)也導(dǎo)致照射海底區(qū)域的晃動，回波散射體信息冗雜，影響走航合成孔徑高分辨成像。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的正是克服上述技術(shù)的不足，而提供一種基于底跟蹤的SAA和DPCA聯(lián)合運動補償方法，本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用的技術(shù)方案這種基于底跟蹤的SAA和DPCA聯(lián)合運動補償方法，硬件傳感器測量的姿態(tài)數(shù)據(jù)進行補償后，采用底跟蹤技術(shù)截取底界面附近的回波，利用底部散射體的空間和時間相關(guān)的冗余特性，通過切邊平均SAA算法和冗余相位中心DPCA算法估計拖體殘余的縱傾和上下起伏；最后積分并去除線性相位誤差的影響而獲得平臺運動軌跡。作為優(yōu)選，該方法包括以下步驟101)發(fā)射換能器按航行速度受控發(fā)射，需滿足有冗余子陣重疊的空間關(guān)系；102)傳輸原始陣元數(shù)據(jù)和傳感器數(shù)據(jù)；103)獲得傳感器測量的運動誤差估計，軟件初始化冗余子陣數(shù)據(jù)；104)獲取冗余回波數(shù)據(jù)，處理獲得底跟蹤范圍結(jié)果和搜索步長，截取底界面附近回波進行縱傾角和上下起伏估計，計算線性相位誤差；105)接收每批次數(shù)據(jù)和硬件傳感器數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行傳感器信息補償；
106)完成底跟蹤，截取數(shù)據(jù)完成縱傾角和上下起伏運動補償，去除線性相位誤差；107)將補償后數(shù)據(jù)輸出給成像模塊，重復(fù)105) 107)。作為優(yōu)選，所述回波選取垂直照射湖、海底的回波，能量最強，其附近較小的波束開角內(nèi)，斜距變化也很小，回波散射體信息不冗雜，相比較其它角度上回波而言，提取這部分底分界附近的回波并通過算法獲得的運動誤差準(zhǔn)確性大大提高。本發(fā)明有益的效果是1、發(fā)明選取垂直照射湖、海底的回波，能量最強，其附近較小的波束開角內(nèi)，斜距變化也很小，回波散射體信息不冗雜，相比較其它角度上回波而言，提取這部分底分界附近的回波并通過算法獲得的運動誤差準(zhǔn)確性大大提高。2、發(fā)明采用了水與底界面處顯著變化的梯度特征和走航軌跡上分界面的連續(xù)性兩大措施保證對底界面進行有效跟蹤，確保了對底跟蹤的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。3、發(fā)明采用硬件粗補償后進行軟件細補償?shù)乃枷?，工作狀態(tài)易于實時實現(xiàn)，處理后的圖像質(zhì)量明顯改善，提高走航分辨力，算法魯棒性好。


圖1 表示本發(fā)明適用的地層三維聲成像技術(shù)方案示意2 表示本發(fā)明實施的聲成像系統(tǒng)平臺示意3 表示本發(fā)明算法流程結(jié)構(gòu)框4 表示本發(fā)明實施中聲納平臺受縱傾影響時陣元深度示意5 表示本發(fā)明實施中聲納平臺聲陣縱傾角示意6 表示本發(fā)明實施中聲納平臺聲陣上下起伏示意7 表示本仿真條件下小球原始SAS圖像圖8 表示用本發(fā)明處理小球運動補償后的SAS圖像圖9 表示用本發(fā)明處理小球縱傾角pitch估計結(jié)果圖10 表示用本發(fā)明處理小球上下起伏surge估計結(jié)果。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明為了解決在小型拖體中對海底地層的探測、繪制、三維成像顯示，特別是在走航維度需要高分辨能力，本發(fā)明從硬、軟件聯(lián)合估計運動姿態(tài)進行研究，提出了一種基于底跟蹤的切變平均自聚焦算法(SAA)和冗余相位中心算法(DPCA)聯(lián)合估計的SAS運動補償算法， 算法首先根據(jù)硬件傳感器測量的姿態(tài)數(shù)據(jù)進行補償，然后通過底跟蹤技術(shù)截取底界面附近的回波，利用底部散射體的空間和時間相關(guān)的冗余特性，通過SAA算法估計拖體殘余的縱傾角，采用DPCA算法估計拖體殘余的上下起伏；最后積分并去除線性相位誤差的影響而獲得運動軌跡，實現(xiàn)拖體在走航狀態(tài)下的橫搖、縱傾、上下起伏運動誤差的精確估計與補償。 適用于聲陣在大安裝角度下的合成孔徑成像系統(tǒng)。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種仿醫(yī)用CT技術(shù)的海底地層聲學(xué)三維成像系統(tǒng)，在走航方位維(y軸)采用合成孔徑技術(shù)，在深度方位維(ζ軸)采用寬帶脈沖壓縮技術(shù)，在水平方位維(X軸)獲得方位角度高分辨的技術(shù)。系統(tǒng)平臺在沿走航方位維受到運行速度的制約，需要滿足1/2空間采樣法則，系統(tǒng)沿著走航方位維向前直線移動，通過組合換能器發(fā)射技術(shù)產(chǎn)生寬帶調(diào)頻信號，布置多元呈矩形狀排列的水聽器陣。深度維度上對接收的每批回波信號進行寬帶信號脈沖壓縮技術(shù)，根據(jù)距離分辨力與信號帶寬和聲速的關(guān)系， ζ = C/2B，可以獲得海底多目標(biāo)在深度維度上的分辨力參數(shù)值；水平方位維度上通過垂直于平臺運動方向安裝的多個接收水聽器組成一組物理孔徑較短的線列陣，在接收到每批次數(shù)據(jù)中，采用高分辨力算法獲得對“目標(biāo)群”深度層，不同方位角度的高分辨力參數(shù)值；在走航方位維度上，平行于平臺運動方向的多接收陣接收到一定孔徑長度回波數(shù)據(jù)后，采用本發(fā)明提出的基于底跟蹤的SAA和DPCA聯(lián)合運動補償后多子陣合成孔徑技術(shù)處理，獲得的走航分辨力與目標(biāo)距離沒有關(guān)系，與接收陣元物理尺寸有關(guān)，ξ =D/2，其中D為單個接收水聽器物理陣元長度，獲得走航方位維度上的目標(biāo)高分辨力參數(shù)。每批次后獲得地層的“目標(biāo)群”深度和水平方位的橫斷面二維能量分布圖，按照走航方位維逐次發(fā)射推進，幀數(shù)依次疊加，加入走航分辨力參數(shù)值，獲得地層的三維顯示結(jié)果。圖1是本發(fā)明實施的地層三維聲成像技術(shù)方案示意圖，在三維成像機理方法上， 采用寬帶脈沖壓縮方法獲得深度維度分辨力，采用高分辨算法獲得水平方位維分辨力，采用本發(fā)明方法確保走航維度進行合成孔徑處理后的分辨力。圖2是本發(fā)明實施的三維聲成像系統(tǒng)的要部構(gòu)成示意圖，為進行走航方向合成孔徑處理，需要水下聲基陣布置若干平行于平臺運動方向的接收水聽器。圖3是本發(fā)明的流程圖，下面按照圖3的流程圖詳細介紹本發(fā)明的方法。在步驟101)中，在實施平臺上，拖體前端安裝發(fā)射換能器，后端安裝接收基陣，同時拖體內(nèi)部安裝采集電子工作艙，前置處理工作艙及傳感器艙，拖船上安裝DVL和GPS，干端信號處理機，拖船通過拖纜拖動沿直線行進，同步時鐘由精度最高的拖體內(nèi)采樣單元產(chǎn)生，傳遞到干端觸發(fā)信號源信號，經(jīng)功放輸出后從拖纜到達信號處理機，信號處理器同時根據(jù)拖纜同步傳遞下來的實時運動速度信息調(diào)整發(fā)射周期，控制發(fā)射機產(chǎn)生線性調(diào)頻信號。在步驟10 中，采集模塊同步命令發(fā)出后，即開始采集接收水聽器陣與傳感器的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號后通過拖纜傳輸?shù)礁啥诉M行處理顯示。在步驟10 中，實施平臺系統(tǒng)采用四元子陣走航合成孔徑處理，基陣發(fā)射波束垂直照射海底，獲得拖體內(nèi)裝傳感器的信息，包括橫搖、縱搖、航向、深度信息，假定海平面保持不變，利用傳感器深度信息計算得到不同接收陣元位置處的聲程差，如圖4所示，第ρ個脈沖處，等效相位中WCi (ρ)的深度表達式hrpi = hsp+ ( Δ L+ (4-i) Au) · tan θ p i = 1,2,3,4其中ρ表示脈沖序號，hrpi表示在第ρ個脈沖時接收陣元i的深度，h 表示傳感器的深度，Δ L表示傳感器到等效相位中心C4的距離，Au表示實孔徑長度的一半。采用接收的基陣數(shù)據(jù)初始化DPCA估計運動誤差的冗余子陣信息數(shù)組。在步驟104)中，分為海底界面跟蹤、縱傾角、上下起伏估計三部分。對數(shù)據(jù)進行海底界面的跟蹤，由于發(fā)射陣和接收陣的波束開角都較大。在混響區(qū)內(nèi)，海底回波信號的前端和后端對應(yīng)的開角差別非常大，水平距離較長。獲得的海底回波中各區(qū)域的散射體回波信息冗雜，由于拖體隨暗涌上下起伏影響，發(fā)射前后批次中多個接收陣元采集到海水、海底相同區(qū)域回波信號會受拖體上下起伏干擾，會導(dǎo)致圖像中水和底分界面及地層上出現(xiàn)上下起伏現(xiàn)象，如果從整個回波中提取運動信息，得到的結(jié)果會比較模糊。所以我們選取垂直照射海底的回波，相比較其它角度上回波而言，能量最強，其附近較小的波束開角內(nèi)，斜距變化也很小，回波散射體信息不冗雜，從這部分回波提取并通過算法獲得的運動誤差結(jié)果較為準(zhǔn)確。在山脈海底底跟蹤中，根據(jù)回波信號在海水和海底界面處存在一個較大的幅度梯度進行推斷。平坦海底底跟蹤中，除了采用幅度梯度進行判別，并可根據(jù)走航軌跡上分界點的連續(xù)性預(yù)測可跟蹤下一個分界底位置；這樣可根據(jù)梯度顯著變化的特征和走航軌跡上分界面的連續(xù)性對水底分界面進行有效跟蹤。Sp, Zp, σ ρX第P次批次時，分別為該陣元接收樣本點幅值能量，積分平滑后幅值能量，幅度梯度和水底分界點位置。Hm為積分平滑選擇的漢明窗系數(shù)。η為平滑積分長度。選取單陣元接收數(shù)據(jù)，根據(jù)海底分界點幅值大，幅值梯度明顯的特點。
權(quán)利要求
1.一種基于底跟蹤的SAA和DPCA聯(lián)合運動補償方法，其特征是硬件傳感器測量的姿態(tài)數(shù)據(jù)進行補償后，采用底跟蹤技術(shù)截取底界面附近的回波，利用底部散射體的空間和時間相關(guān)的冗余特性，通過切邊平均SAA算法和冗余相位中心DPCA算法估計拖體殘余的縱傾和上下起伏；最后積分并去除線性相位誤差的影響而獲得平臺運動軌跡。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于底跟蹤的SAA和DPCA聯(lián)合運動補償方法，其特征是包括以下步驟101)發(fā)射換能器按航行速度受控發(fā)射，需滿足有冗余子陣重疊的空間關(guān)系；102)傳輸原始陣元數(shù)據(jù)和傳感器數(shù)據(jù)；103)獲得傳感器測量的運動誤差估計，軟件初始化冗余子陣數(shù)據(jù)；104)獲取冗余回波數(shù)據(jù)，處理獲得底跟蹤范圍結(jié)果和搜索步長，截取底界面附近回波進行縱傾角和上下起伏估計，計算線性相位誤差；105)接收每批次數(shù)據(jù)和硬件傳感器數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行傳感器信息補償；106)完成底跟蹤，截取數(shù)據(jù)完成縱傾角和上下起伏運動補償，去除線性相位誤差；107)將補償后數(shù)據(jù)輸出給成像模塊，重復(fù)10 107)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于底跟蹤的SAA和DPCA聯(lián)合運動補償方法，其特征是所述回波選取垂直照射湖、海底的回波。
全文摘要
本發(fā)明是一種基于底跟蹤的SAA和DPCA聯(lián)合運動補償方法，硬件傳感器測量的姿態(tài)數(shù)據(jù)進行補償后，采用底跟蹤技術(shù)截取底界面附近的回波，利用底部散射體的空間和時間相關(guān)的冗余特性，通過切邊平均SAA算法和冗余相位中心DPCA算法估計拖體殘余的縱傾和上下起伏；最后積分并去除線性相位誤差的影響而獲得平臺運動軌跡。本發(fā)明有益的效果是采用了水與底界面處顯著變化的梯度特征和走航軌跡上分界面的連續(xù)性兩大措施保證對底界面進行有效跟蹤，確保了對底跟蹤的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。采用硬件粗補償后進行軟件細補償?shù)乃枷?，工作狀態(tài)易于實時實現(xiàn)，處理后的圖像質(zhì)量明顯改善，提高走航分辨力，算法魯棒性好。
文檔編號G01S15/89GK102183756SQ201110032988
公開日2011年9月14日 申請日期2011年1月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月25日
發(fā)明者叢衛(wèi)華, 余小琴, 傅翔毅, 張衛(wèi)華, 張峰山, 朱必波 申請人:中國船舶重工集團公司第七一五研究所