本發(fā)明屬于信號(hào)處理領(lǐng)域，特別涉及一種新的多子陣合成孔徑聲納快速成像算法。

背景技術(shù)：

合成孔徑聲納技術(shù)依靠小尺寸基元的勻速直線運(yùn)動(dòng)虛擬合成一副長(zhǎng)度隨探測(cè)距離成正比的大孔徑基陣，通過(guò)空間不同位置采樣信號(hào)的相干疊加得到與距離、頻率無(wú)關(guān)的方位向高分辨率，解決了傳統(tǒng)側(cè)掃聲納成像分辨率受基陣實(shí)孔徑長(zhǎng)度、信號(hào)頻率以及作用距離等因素制約的問(wèn)題，將常規(guī)側(cè)掃聲納的方位分辨率提高了1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，而多子陣技術(shù)的采用更是解決了方位向高分辨和距離向測(cè)距之間的矛盾，使合成孔徑聲納技術(shù)開始真正走向工程實(shí)用化的道路。

成像算法是合成孔徑聲納技術(shù)的核心，現(xiàn)有的多子陣合成孔徑聲納頻域成像算法一般可以分為三類。第一類是基于等效收發(fā)合置合成孔徑聲納的思想，典型代表是相位中心近似方法，通過(guò)類比收發(fā)合置合成孔徑聲納的雙程斜距歷程對(duì)多子陣合成孔徑聲納雙根號(hào)形式的斜距歷程進(jìn)行修正，便轉(zhuǎn)換為傳統(tǒng)收發(fā)合置合成孔徑聲納成像問(wèn)題，這類方法在數(shù)據(jù)收發(fā)合置轉(zhuǎn)換過(guò)程中需要進(jìn)行插值和二維空變相位誤差的補(bǔ)償，難補(bǔ)償完全的相位中心近似誤差還會(huì)導(dǎo)致近距離處目標(biāo)散焦。第二類方法是基于數(shù)值計(jì)算的成像方法，此類方法需要通過(guò)數(shù)值計(jì)算得到成像處理過(guò)程中的系統(tǒng)轉(zhuǎn)移函數(shù)，計(jì)算量較大。第三類方法是基于代數(shù)或幾何方法求解多子陣合成孔徑聲納二維頻域系統(tǒng)函數(shù)的顯示表達(dá)式，典型代表有Loffeld雙基公式法、級(jí)數(shù)反演法、瞬時(shí)多普勒法等。這類方法的最大特點(diǎn)是需要多次采用泰勒近似或其它多項(xiàng)式近似方法求解系統(tǒng)函數(shù)的解析表達(dá)式?？偟膩?lái)說(shuō)，這三類方法都比較復(fù)雜，需要多次利用級(jí)數(shù)近似和求導(dǎo)數(shù)運(yùn)算才能獲得距離-多普勒域和二維頻域內(nèi)的系統(tǒng)函數(shù)，計(jì)算過(guò)程復(fù)雜繁瑣，極大地限制了成像算法設(shè)計(jì)的靈活性及成像算法在整個(gè)測(cè)繪帶內(nèi)的成像性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服傳統(tǒng)成像算法復(fù)雜的設(shè)計(jì)過(guò)程和提高成像算法在整個(gè)測(cè)繪帶內(nèi)的成像性能，提供一種適用于寬測(cè)繪帶的多子陣合成孔徑聲納高分辨成像算法。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：一種新的多子陣合成孔徑聲納快速成像算法，其特征在于，包括以下步驟：

S1、針對(duì)單個(gè)接收陣元和發(fā)射陣元所組成的子系統(tǒng)計(jì)算二維頻域系統(tǒng)函數(shù)；

S2、基于方位向聚焦與距離向處理相對(duì)獨(dú)立的特點(diǎn)，計(jì)算方位向脈沖壓縮的相位調(diào)制函數(shù)；

S3、基于二維頻域系統(tǒng)函數(shù)和方位向脈沖壓縮調(diào)制函數(shù)的相位，計(jì)算距離-方位耦合相位項(xiàng)；

S4、對(duì)子系統(tǒng)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行耦合相位一致校正處理；

S5、距離向數(shù)據(jù)分塊；

S6、利用耦合相位差分校正實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)信號(hào)的殘余距離徙動(dòng)校正；

S7、對(duì)子系統(tǒng)信號(hào)進(jìn)行方位向脈沖壓縮；

S8、對(duì)所有子圖像進(jìn)行相干疊加。

作為本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選的技術(shù)方案，所述的步驟S2方位向脈沖壓縮相位調(diào)制函數(shù)，其相位計(jì)算公式如下：

其中i表示第i個(gè)接收陣元和發(fā)射陣元所組成的第i個(gè)子系統(tǒng)；r表示目標(biāo)斜距；f_c表示寬頻帶信號(hào)的中心頻率；f_τ和f_t分別表示對(duì)應(yīng)于距離維快時(shí)間τ與方位維慢時(shí)間t的瞬時(shí)頻率；表示信號(hào)歷經(jīng)的雙程斜距歷程；d_i表示第i個(gè)子系統(tǒng)的收、發(fā)陣元間距；v和c分別表示聲納載體速度和聲音在水中的傳播速度；τ^*表示信號(hào)的精確傳播時(shí)間；表示相位駐留點(diǎn)在f_τ＝0時(shí)的值，即

作為本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選的技術(shù)方案，所述的步驟S3距離-方位耦合相位項(xiàng)的計(jì)算公式如下：

其中表示二維頻域系統(tǒng)函數(shù)的相位，P(f_τ)表示發(fā)射信號(hào)頻譜的相位。

作為本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選的技術(shù)方案，所述的步驟S4的耦合相位一致校正處理，其補(bǔ)償函數(shù)的計(jì)算公式如下：

其中r_ref表示以整個(gè)測(cè)繪帶的中心目標(biāo)距離為參考的參考距離，表示距離徙動(dòng)函數(shù)在二維頻域內(nèi)的相位表達(dá)式。

作為本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選的技術(shù)方案，所述的步驟S5距離向數(shù)據(jù)的分塊，其數(shù)據(jù)塊的長(zhǎng)度通過(guò)下式計(jì)算：

其中表示以第n個(gè)數(shù)據(jù)塊的中心目標(biāo)距離為參考的參考距離。

作為本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選的技術(shù)方案，所述的步驟S6殘余耦合相位補(bǔ)償，其補(bǔ)償函數(shù)的計(jì)算公式如下：

本申請(qǐng)實(shí)施例中提供的一個(gè)或多個(gè)技術(shù)方案，至少具有如下技術(shù)效果或優(yōu)點(diǎn)：

克服傳統(tǒng)成像算法復(fù)雜的設(shè)計(jì)過(guò)程和提高成像算法在整個(gè)測(cè)繪帶內(nèi)的成像性能。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明適用于寬測(cè)繪帶的多子陣合成孔徑聲納快速成像算法流程。

圖2為多子陣合成孔徑聲納系統(tǒng)二維成像幾何。

圖3為單個(gè)發(fā)射/接收陣元系統(tǒng)成像結(jié)果。

圖4為單個(gè)發(fā)射/接收陣元系統(tǒng)成像結(jié)果方位向剖面。

圖5為系統(tǒng)最終高分比成像結(jié)果。

圖6為系統(tǒng)最終高分比成像結(jié)果方位向剖面。

具體實(shí)施方式

為了更好的理解上述技術(shù)方案，下面將結(jié)合說(shuō)明書附圖以及具體的實(shí)施方式對(duì)上述技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。

如圖1所示，本實(shí)施例所述的一種新的多子陣合成孔徑聲納快速成像算法的實(shí)施流程主要由以下步驟組成：針對(duì)單個(gè)接收陣元和發(fā)射陣元所組成的子系統(tǒng)計(jì)算二維頻域系統(tǒng)函數(shù)；基于方位向聚焦與距離向處理相對(duì)獨(dú)立的特點(diǎn)，計(jì)算方位向脈沖壓縮的相位調(diào)制函數(shù)；基于二維頻域系統(tǒng)函數(shù)和方位向脈沖壓縮調(diào)制函數(shù)的相位，計(jì)算距離-方位耦合相位項(xiàng)；對(duì)子系統(tǒng)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行耦合相位一致校正處理；距離向數(shù)據(jù)分塊；利用耦合相位差分校正實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)信號(hào)的殘余距離徙動(dòng)校正；對(duì)子系統(tǒng)信號(hào)進(jìn)行方位向脈沖壓縮；對(duì)每個(gè)接收陣元和發(fā)射陣元所組成子系統(tǒng)的回波數(shù)據(jù)進(jìn)行成像處理后，將所有粗分辨圖像進(jìn)行相干疊加便得到最終的合成孔徑聲納高分辨圖像。

如圖2所示為多子陣合成孔徑聲納系統(tǒng)二維成像幾何，平臺(tái)在以速度v前進(jìn)的過(guò)程中，發(fā)射陣元同時(shí)向正側(cè)視方向以固定的脈沖重復(fù)頻率發(fā)射與位置無(wú)關(guān)的寬頻帶信號(hào)；經(jīng)過(guò)t時(shí)間后，發(fā)射陣元在方位向的位置為vt，此時(shí)發(fā)射陣元與點(diǎn)理想點(diǎn)目標(biāo)的距離R_T(t；r)為：

多子陣的采用提高了傳統(tǒng)合成孔徑聲納系統(tǒng)的測(cè)繪速率，如果忽略聲波傳播時(shí)間τ^*內(nèi)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，那將會(huì)導(dǎo)致方位向聚焦性能的下降以及距離向目標(biāo)走動(dòng)現(xiàn)象的發(fā)生；當(dāng)波束較窄時(shí)，τ^*可用2r/c近似。不失一般性，在此僅考慮與發(fā)射陣相隔d_i的第i個(gè)接收陣元，那么理想點(diǎn)目標(biāo)到第i個(gè)接收陣元的實(shí)際傳播距離為：

信號(hào)所歷經(jīng)的雙程斜距歷程為：

發(fā)射信號(hào)的頻譜為P(f_τ)，對(duì)于第i個(gè)接收陣元和發(fā)射陣元所組成的第i個(gè)子系統(tǒng)，其相位駐留點(diǎn)為可計(jì)算二維頻域系統(tǒng)函數(shù)為：

用表示相位駐留點(diǎn)在f_τ＝0時(shí)的值，即那么根據(jù)方位向脈沖壓縮與距離向處理獨(dú)立的特點(diǎn)，計(jì)算方位向脈沖壓縮相位調(diào)制函數(shù)的相位為：

根據(jù)二維頻域系統(tǒng)函數(shù)φⁱ(f_τ,f_t；r)，發(fā)射信號(hào)的頻譜P(f_τ)和方位向脈沖壓縮相位調(diào)制函數(shù)的相位，在二維頻域內(nèi)計(jì)算距離-方位耦合相位項(xiàng)，其表達(dá)式如下：

根據(jù)參考距離r_ref處的二維頻域系統(tǒng)函數(shù)，以及二維頻域內(nèi)的距離徙動(dòng)函數(shù)在二維頻域內(nèi)進(jìn)行耦合相位一致校正處理，其補(bǔ)償函數(shù)為：

為使相位誤差不顯著影響成像性能，距離向各數(shù)據(jù)塊的劃分必須滿足相位誤差遠(yuǎn)小于π/8的要求，基于以第n個(gè)數(shù)據(jù)塊中心距離為參考的二維頻域距離徙動(dòng)函數(shù)和以整個(gè)測(cè)繪帶中心r_ref為參考的二維頻域距離徙動(dòng)函數(shù)的差值，距離向數(shù)據(jù)塊的長(zhǎng)度計(jì)算公式為：

在二維頻域內(nèi)進(jìn)行耦合相位一致校正處理后，測(cè)繪帶中心r_ref處的目標(biāo)得到了完全聚焦，而非測(cè)繪帶中心的目標(biāo)仍然存在殘余誤差，根據(jù)以第n個(gè)數(shù)據(jù)塊中心距離為參考的二維頻域距離徙動(dòng)函數(shù)和以整個(gè)測(cè)繪帶中心r_ref為參考的二維頻域距離徙動(dòng)函數(shù)差值，每個(gè)數(shù)據(jù)塊內(nèi)的殘余耦合相位誤差補(bǔ)償函數(shù)為：

在距離-多普勒域內(nèi)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的方位聚焦，其相位補(bǔ)償函數(shù)為：

按照上述步驟處理單個(gè)接收陣元和發(fā)射陣元所組成子系統(tǒng)的回波數(shù)據(jù)就可以得到一幅粗分辨圖像，粗分辨結(jié)果如圖3所示，粗分辨結(jié)果的方位向剖面如圖4所示。

按照上述步驟處理每個(gè)接收陣元和發(fā)射陣元所組成子系統(tǒng)的回波數(shù)據(jù)，就可以得到對(duì)應(yīng)于M個(gè)子系統(tǒng)的粗分辨圖像，將所有M子系統(tǒng)的粗分辨圖像進(jìn)行相干疊加便得到最終的合成孔徑聲納高分辨圖像，成像結(jié)果如圖5所示，高分辨成像結(jié)果的方位向剖面如圖6所示。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上的限制，雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，當(dāng)可利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容作出些許更動(dòng)或修飾為等同變化的等效實(shí)施例，但凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。