一種基于頻分mimo的合成孔徑聲納成像系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明設(shè)計了一種基于頻分MIMO的合成孔徑聲納成像方法及系統(tǒng)，所述方法包含：步驟101）在N個接收陣前后兩端各放置一個發(fā)射陣列，所述前后發(fā)射陣列共包含M個發(fā)射陣，所述發(fā)射陣同時向水下待成像目標發(fā)射信號，其中M取大于或等于2的整數(shù)；步驟102）將N個接收陣的每個陣元接收到的M個發(fā)射信號在頻域分離，得到M元信號，再將所有接收陣陣元的M元信號用頻譜搬移的方法移到一個共同的頻帶，得到N*M元的回波信號；步驟103）對得到的N*M元回波信號在方位向進行重排，分別對應(yīng)到等效單波束合成孔徑聲納的采樣位置，最后對等效單波束信號，進行聚焦成像。所述發(fā)射陣隨著基陣的移動，不同發(fā)射陣陣元所發(fā)射的信號的頻帶可根據(jù)運動補償?shù)男枰惶孀兓?。本發(fā)明可以在保持方位分辨率的情況下，進一步展寬測繪帶從而提高測繪效率。
【專利說明】一種基于頻分MIMO的合成孔徑聲納成像系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于水聲成像和聲納信號處理領(lǐng)域。本發(fā)明設(shè)計了一種基于頻分MMO的合成孔徑聲納成像方法，該方法采用多收多發(fā)的成像體制，即本發(fā)明提供了一種基于頻分MIMO的合成孔徑聲納成像系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]合成孔徑聲納(Synthetic Aperture Sonar:SAS)是一種先進的高分辨率水聲成像聲納，其基本原理是利用小孔徑基陣在方位向的移動形成虛擬大孔徑，通過對不同位置的聲納回波進行相干處理，從而獲得方位向的高分辨率。
[0003]高分辨率成像聲納的成像效率是決定聲納能否實際應(yīng)用的決定因素之一。比如，傳統(tǒng)的合成孔徑聲納在實際作業(yè)時，在一定的測繪帶寬(比如單側(cè)測繪帶寬為150米)要求下，由于受到聲納體積的限制(作業(yè)時接收陣陣長通常不能超過1.6米)，使得航行速度限制在6節(jié)以內(nèi)。這往往很難滿足探測任務(wù)的航行速度要求。比如艦船編隊的航行速度通常達到18節(jié)，機載聲納的航行速度更快，這時，進行合成孔徑成像時為滿足方位向不丟幀，接收陣長要達到5米以上，顯然這樣的設(shè)備適裝性很差，水下拖行的穩(wěn)定性也很差，很難滿足合成孔徑成像的平臺運動穩(wěn)定性的要求。這就要求對傳統(tǒng)的高分辨率成像聲納體制進行改進，在小孔徑聲納約束下，在滿足測繪帶寬和成像分辨率的前提下，提高成像聲納的拖曳速度，滿足探測使命要求。
[0004]在高分辨率成像聲納領(lǐng)域，為了提高成像質(zhì)量，上世紀九十年代國外出現(xiàn)了稱為多發(fā)射的合成孔徑聲納系統(tǒng)。Thomson Marconi Sonar公司的一款合成孔徑聲納IMBAT3000以及隨后iXSea公司的Shadows合成孔徑聲納均采用了這種多發(fā)射/接收合成孔徑技術(shù)。這兩套合成孔徑聲納系統(tǒng)有三套分置的發(fā)射陣，三套發(fā)射陣工作在不同頻帶。兩側(cè)發(fā)射陣發(fā)射信號的頻帶在不同信號幀時是交替變化的，這樣可以增加相鄰幀的重復(fù)陣元數(shù)，將可以進行DPC運動補償?shù)幕囎畲筮\動速度由每幀1/4陣長變?yōu)槊繋?/2陣長。但這兩種合成孔徑聲納，只利用了多發(fā)射合成孔徑體制進行DPC運動補償，并未用該體制進行合成孔徑成像，即并未解決成像系統(tǒng)的測繪效率問題。
[0005]在合成孔徑雷達(SAR)領(lǐng)域，近年來多輸入多輸出即MMO技術(shù)逐漸受到重視，是解決功率孔徑積的約束和提高成像系統(tǒng)測繪效率的新途徑。G.Krieger等提出了基于多發(fā)射陣的多維波形編碼SAR技術(shù)，同時利用了時間和空間維度獲取了高功率孔徑積。
[0006]目前國內(nèi)現(xiàn)有的合成孔徑聲納系統(tǒng)都是采用單發(fā)射陣多接收陣來進行成像，本發(fā)明首次采用頻分MIMO的思想設(shè)計了一種多收多發(fā)的合成孔徑聲納系統(tǒng)，該技術(shù)方案能夠在小孔徑聲納約束下，在滿足測繪帶寬和成像分辨率的前提下，提高成像聲納的拖曳速度，滿足探測使命要求。
[0007]本發(fā)明相比于傳統(tǒng)的單發(fā)多收系統(tǒng)，可以在保持方位分辨率的情況下，進一步展寬測繪帶從而提高測繪效率，或在保持測繪帶寬的情況下得到更高的方位分辨率。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于，為了提高合成孔徑聲納成像時的測繪效率問題，本發(fā)明提供了一種基于頻分MMO的高測繪效率的合成孔徑聲納成像方法及系統(tǒng)。
[0009]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于頻分MMO的合成孔徑聲納成像方法，所述方法包含:
[0010]步驟101)在N個接收陣前后兩端各放置一個發(fā)射陣列，所述前后發(fā)射陣列共包含M個發(fā)射陣，所述發(fā)射陣同時向水下待成像目標發(fā)射信號，其中M取大于或等于2的整數(shù)；
[0011]步驟102)將各個接收陣元接收到的M個不同頻帶的發(fā)射信號在頻域分離，得到M元信號，再采用頻譜搬移的方法移到一個共同的頻帶，得到N*M元的回波信號；
[0012]步驟103)對得到的N*M元回波信號在方位向進行重排，分別對應(yīng)到等效單波束SAS的采樣位置，最后對等效單波束信號，進行聚焦成像。
[0013]上述技術(shù)方案中，所述發(fā)射陣隨著基陣的移動，不同發(fā)射陣陣元所發(fā)射的信號的頻帶可根據(jù)運動補償需要交替變化。
[0014]上述技術(shù)方案中，步驟103 )對等效單波束信號采用ω -k或CS算法進行聚焦成像。
[0015]基于上述方法本發(fā)明還提供了一種基于頻分MMO的合成孔徑聲納成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含多個接收陣，其特征在于，所述系統(tǒng)包含:分別設(shè)置于多個接收陣的前后兩端的多個發(fā)射陣和成像處理單元；
[0016]所述發(fā)射陣包含若干個陣元數(shù)，且各個陣元同時向水底待成像目標發(fā)射頻帶不同的信號；
[0017]所述接收陣用于接收待成像目標反射后的回波信號；
[0018]所述成像處理單元，先將各個接收陣元收到的M個不同頻帶的發(fā)射信號在頻域分離，得到M元信號，再采用頻譜搬移的方法移到一個共同的頻帶，得到N*M元的回波信號；然后在方位向進行重排，分別對應(yīng)到等效單波束SAS的采樣位置，最后對等效單波束信號進行聚焦成像。
[0019]上述技術(shù)方案中，所述發(fā)射陣隨著基陣的移動，不同發(fā)射陣陣元所發(fā)射的信號的頻帶可根據(jù)運動補償需要交替變化。
[0020]上述技術(shù)方案中，對等效單波束信號采用ω-k或CS算法進行聚焦成像。
[0021]本發(fā)明所述的MMO-SAS指多個陣元同時發(fā)射和接收信號，且通過基陣自身運動進行孔徑合成的聲納成像體制。頻分MIMO-SAS高分辨成像系統(tǒng)，通常配置成接收陣為等間隔分布的線陣，發(fā)射陣分為兩組分別放置在接收陣的前后兩端，每個發(fā)射陣發(fā)射的信號分別處于不同的頻帶，每組發(fā)射陣包含的發(fā)射陣元數(shù)量為I個到數(shù)個。
[0022]假設(shè)頻分MMO-SAS系統(tǒng)有M個發(fā)射陣，N個接收陣。在進行成像處理時，先將N元接收陣接收到的M個不同頻帶的發(fā)射信號在頻域分離，并用頻譜搬移的方法移到一個共同的頻帶，得到N*M元的回波信號。通過合理的選擇信號的頻帶，可以使目標的散射特性在各發(fā)射信號的頻譜間變化不大，該頻帶的具體選擇可根據(jù)實驗和相關(guān)文獻資料確定。然后在方位向進行信號重排，分別對應(yīng)到等效單波束合成孔徑聲納的采樣位置。最后對等效單波束信號，采用ω-k算法等進行聚焦成像。
[0023]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)優(yōu)勢在于:
[0024]現(xiàn)有的合成孔徑聲納系統(tǒng)都是采用單發(fā)射陣多接收陣來進行成像。本發(fā)明采用頻分MIMO的思想，設(shè)計了一種多收多發(fā)的合成孔徑聲納成像系統(tǒng)及方法，它在接收陣的兩端配置多個發(fā)射陣元，相比于傳統(tǒng)的單發(fā)多收系統(tǒng)，可以在保持方位分辨率的情況下，進一步展寬測繪帶從而提高測繪效率，或在保持測繪帶寬的情況下得到更高的方位分辨率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1為本發(fā)明采用的頻分MMO-SAS發(fā)射信號序列循環(huán)圖以及等效相位中心圖；
[0026]圖2為本發(fā)明實施例提供的一種雙發(fā)多收的頻分MIMO-SAS系統(tǒng)及其等效相位中心不意圖；
[0027]圖3為本發(fā)明提供的頻分MIMO-SAS高分辨成像流程圖。
【具體實施方式】
[0028]下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明基于頻分MIMO的高測繪效率的合成孔徑聲納進行進一步的說明。
[0029]圖1是本發(fā)明提供的頻分MIMO-SAS的發(fā)射陣由兩組構(gòu)成，每組又有兩個密排的發(fā)射陣。工作時，每個發(fā)射陣陣元發(fā)射的信號的頻帶互不相同，各個發(fā)射陣前一幀發(fā)射的信號與后一幀發(fā)射信號的頻帶的組成順序按照基陣的移動如圖1所示規(guī)律交替變化。圖1描述的是一個四幀發(fā)射過程的發(fā)射信號序列交替變化圖，圖中每行四個的矩形表示4個發(fā)射陣陣元，每個發(fā)射陣陣元下的字母Α、B、C、D代表各個陣元發(fā)射的不同的頻帶的信號；接下來每行三個的矩形表示接收陣陣元，接收陣陣元接收信號的相應(yīng)的等效相位中心用小圓圈表
/Jn ο
[0030]圖2是一種雙發(fā)多收的頻分MIMO-SAS系統(tǒng)及其等效相位中心。它采用兩個發(fā)射機(即發(fā)射陣陣元)進行信號發(fā)射，而兩個發(fā)射機之間通過布放16個陣元進行信號接收。這種多發(fā)多收的布放易于實現(xiàn)，且能夠?qū)⒔邮贞嚨臏y繪效率提高一倍左右。下面以它為例來詳細的分析數(shù)據(jù)處理的方法。
[0031]圖2中的位于接收陣前面和后面的發(fā)射機同時發(fā)射兩個不同頻帶的LFM (線性調(diào)頻)信號，16個接收陣元同時對它們接收的回波數(shù)據(jù)采樣，由于使用了兩個發(fā)射機，使接收陣的一個脈沖重復(fù)周期內(nèi)獲得的等效相位中心的數(shù)目增多一倍，其數(shù)目由原來的16個增長為32個。這里實際是以每幀中方位向空間采樣的增加換取單位時間內(nèi)采樣幀數(shù)即PRF(脈沖重復(fù)頻率)的降低?？梢栽诒３址轿环直媛实那闆r下，進一步展寬測繪帶，或在保持測繪帶寬的情況下得到更高的方位分辨率。
[0032]在進行成像處理時，先對16元接收陣的信號在頻域分離，分別產(chǎn)生出2個不同頻帶的回波信號，然后它們通過頻譜搬移搬到同一個頻帶，并將其排放在等效單波束系統(tǒng)的方位向位置上。最后對等效單波束信號，采用ω-k或CS算法進行聲納成像?？偟男盘柼幚砹鞒倘鐖D3所示。
[0033]最后所應(yīng)說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制。盡管參照實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當理解，對本發(fā)明的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當中。
【權(quán)利要求】
1.一種基于頻分MIMO的合成孔徑聲納成像方法，所述方法包含: 步驟101)在N個接收陣前后兩端各放置一個發(fā)射陣列，所述前后發(fā)射陣列共包含M個發(fā)射陣，所述發(fā)射陣同時向水下待成像目標發(fā)射信號，其中M取大于或等于2的整數(shù)； 步驟102)將各個陣元接收到的M個不同頻帶的發(fā)射信號在頻域分離，得到M元信號，再將所有接收陣陣元的M元信號用頻譜搬移的方法移到一個共同的頻帶，得到Ν*Μ元的回波信號； 步驟103)對得到的Ν*Μ元回波信號在方位向進行重排，分別對應(yīng)到等效單波束SAS的采樣位置，最后對等效單波束信號，進行聚焦成像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于頻分MIMO的合成孔徑聲納，其特征在于，所述發(fā)射陣隨著基陣的移動，不同發(fā)射陣陣元所發(fā)射的信號的頻帶根據(jù)運動補償?shù)男枰惶孀兓?br> 3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于頻分MIMO的合成孔徑聲納，其特征在于，步驟103)對等效單波束信號采用ω -k或CS算法進行聚焦成像。
4.一種基于頻分MMO的合成孔徑聲納成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含多個接收陣，其特征在于，所述系統(tǒng)包含:分別配置于多個接收陣的前后兩端的多個發(fā)射陣和成像處理單元； 所述發(fā)射陣同時向水底待成像目標發(fā)射頻帶不同的信號； 所述接收陣用于接收待成像目標反射后的回波信號； 所述成像處理單元，將每個接收陣接收到的M個不同頻帶的發(fā)射信號在頻域分離，得到M元信號，再采用頻譜搬移的方法移到一個共同的頻帶，得到N*M元的回波信號；然后在方位向進行重排，分別對應(yīng)到等效單波束SAS的采樣位置，最后對等效單波束信號進行聚焦成像。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于頻分MIMO的合成孔徑聲納成像系統(tǒng)，其特征在于，所述發(fā)射陣隨著基陣的移動，不同發(fā)射陣陣元所發(fā)射的信號的頻帶根據(jù)運動補償需要交替變化。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于頻分MIMO的合成孔徑聲納成像系統(tǒng)，其特征在于，對等效單波束信號采用ω-k或CS算法進行聚焦成像。
【文檔編號】G01S15/89GK103576156SQ201210249380
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2012年7月18日 優(yōu)先權(quán)日:2012年7月18日
【發(fā)明者】段江濤, 黃勇, 劉紀元 申請人:中國科學(xué)院聲學(xué)研究所