同向双基地多波束合成孔径声纳的快速时域成像方法与流程

本发明涉及合成孔径声纳成像技术领域，特别涉及一种同向双基地多波束合成孔径声纳的快速时域成像方法。

背景技术：

2002年美国人Steven R,Borchardt,Vienna等向美国专利局申请了发明设想专利，在国际上首次提出多波束合成孔径声纳的初步设想。在国内，哈尔滨工程大学对多波束合成孔径声纳技术研究并陆续发表了多篇文献。不过这些多波束合成孔径声纳的模型都是单基地形式的，在成像区域、隐蔽性等方面都收到一定的限制。

目前单基地多波束合成孔径声纳原理研究主要采用时域分析法，时域分析法关注于参考点距离历史的研究，难以体现空间中不同散射点距离历史的差异，在分析过程中存在大量的近似处理，难以对双基地多波束合成孔径声纳成像机理进行精确地描述和分析。

在多波束合成孔径声纳成像算法中，时域的成像算法最为准确。逐点成像算法的主要思想是在时域对目标的回波信号进行相干处理，以达到聚焦的目的。在算法的具体处理过程中，首先对多波束合成孔径声纳各个波束内回波进行压缩，计算不同目标点到接收阵列载体平台的回波延时，根据计算出的回波延时信息将回波数据投影到图像域，对不同目标点处进行相干累加，并结合波束角度信息计算深度，最后得到最终成像结果。由于算法进行逐点成像，因此可以适用于任意几何构型的运动形式。逐点成像算法是依次对每一个像素点进行处理，能够精确的重建场景，但是会带来巨大的运算量，因此该算法不能用于实时较强的成像处理。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术单基地多波束合成孔径声纳成像区域固定、探测海底信息单一、隐蔽性差、成本较高的不足，而提供一种同向双基地多波束合成孔径声纳的快速时域成像方法，该方法包括以下步骤：

步骤(1)：构建双基地多波束合成孔径声纳的模型；

步骤(2)：进行双基地多波束合成孔径声纳的运动模式分类，分析双基地多波束合成孔径声纳的回波距离历史，获得各散射点散射系数在图像空间的分布；

步骤(3)：利用快速因式分解逐点成像算法来处理双基地多波束合成孔径声纳的成像。

所述步骤(1)具体是将多波束合成孔径声纳的发射机与接收机分置于两个不同运动平台上，控制其获得不同的速度。

所述步骤(2)具体步骤为：

(1)双基地多波束合成孔径声纳的发射阵列和接收阵列分别置于不同运动平台上，其几何关系可以分为四种即等速同向、等速异向、异速同向以及异速异向四种模式；

(2)构建双基地多波束合成孔径声纳的回波信号模型，声纳平台垂直向斜下方发射线性调频信号为：

其包络对应的频域表达式为：

其中：ω₀是信号的中心角频率，μ是调频斜率，T_p是信号的脉宽，rect(t/T_p)定义如下：

(3)选定接收基阵的中间基元为参考基元，假定成像区域中存在某一确定点目标(r_m,y_m,z_m)，则参考基元接收的回波信号基带形式为：

其中：

(4)对距离向各接收阵元所接收的回波信号按球面波扩展进行时延波束形成,之后进行匹配滤波，可以得到第i个通道的成像结果：

假设一共有n个通道，则双基地多波束合成孔径声纳的成像结果可以表示为：

所述步骤(3)具体步骤为：

(1)在接收阵列每个波束内，从航迹向上将距离压缩后的回波分解为若干回波子块；

(2)每一块数据依次读入内存，然后引入子孔径判断，选取最佳子孔径数目；(3)利用Markov随机场模型对包括同一目标的子孔径图像进行识别；通过相互叠加恢复各目标点应有的波数带宽；

(4)对每一块数据进行上述算法处理，得到对应的若干幅子块数据；

(5)最后将所有的数据累加得到最终的数据结果。

本发明的有益效果：

本发明相对于单基地多波束合成孔径声纳来说，成像区域灵活，探测海底信息丰富，隐蔽性强。从成像算法上来说，可以减少低级子孔径航迹向采样点数，降低子图像分辨率低，逐渐向上进行子孔径合成，提高分辨率。

附图说明

图1为本发明双基地多波束合成孔径声纳两种运动形式示意图。

图2为本发明双基多波束合成孔径声纳几何回波模型示意图，其中：

(a)等速同向几何回波模型； (b)等速异向几何回波模型

(c)异速同向几何回波模型； (d)异速异向几何回波模型。

图3为本发明方法流程图。

具体实施方式

下面通过具体实施例和附图1-3对本发明作进一步的说明。本发明的实施例是为了更好地使本领域的技术人员更好地理解本发明，并不对本发明作任何的限制。

实施例：

为克服单基地多波束合成孔径声纳成像区域固定、探测海底信息单一、隐蔽性差、成本高的不足，本发明提供了一种同向双基地多波束合成孔径声纳的快速时域成像方法，参见图1、图2和图3，详见下文描述：

1、构建双基地多波束合成孔径声纳的模型：

多波束合成孔径声纳的发射机与接收机分置于两个不同运动平台上，控制其获得不同的速度。收发换能器分置,能提高隐蔽性、使成像区域更灵活，能探测到更丰富的海底信息，降低系统成本。若发射机的速度矢量与接收机的速度矢量相等，该平台为平移结构；若两个速度矢量不相等，为移变结构，如图1所示。由于双基地合成孔径声纳系统发射机与接收机置，与单基地多波束合成孔径声纳相比，平台关系更加灵活，具有更加丰富的空间、运动资源。

2、进行双基地多波束合成孔径声纳的运动模式分类，在此基础上分析双基地多波束合成孔径声纳的回波距离历史，获得各散射点的散射强度在图像空间的分布：

该步骤具体包括步骤1011-1014，详见下文描述：

1011：双基地多波束合成孔径声纳的发射阵列和接收阵列分别置于不同运动平台上，其几何关系可以分为四种即等速同向、等速异向、异速同向以及异速异向四种模式，如图2所示；

1012：设双基地多波束合成孔径声纳的回波信号模型如图3所示。声纳平台垂直向斜下方发射线性调频信号为：

其包络对应的频域表达式为：

其中ω₀是信号的中心角频率，μ是调频斜率，T_p是信号的脉宽，rect(t/T_p)定义如下：

1013：选定接收基阵的中间基元为参考基元，假定成像区域中存在某一确定点目标(r_m,y_m,z_m)，则参考基元接收的回波信号基带形式为：

其中

1014：对距离向各接收阵元所接收的回波信号按球面波扩展进行时延波束形成,之后进行匹配滤波，可以得到第i个通道的成像结果：

假设一共有n个通道，则双基地多波束合成孔径声纳的成像结果可以表示为：

双基地多波束合成孔径声纳的成像处理可看作利用空间中不同散射点回波形式的差异，这样就可以按照以上方法来获得各散射点散射系数在图像空间的分布。

3、利用快速因式分解逐点成像算法来处理双基地多波束合成孔径声呐的成像：包括结合Markov随机场模型进行有效子孔径判断，选取最佳子孔径数目；对每一块数据进行上述算法处理，得到对应的若干幅子块数据；最后将所有的数据累加得到最终的数据结果。

该步骤具体包括步骤1021-1025，详见下文描述：

1021：在接收阵列每个波束内，从航迹向上将距离压缩后的回波分解为若干回波子块；

1022：每一块数据依次读入内存，结合Markov随机场模型进行有效子孔径判断，选取最佳子孔径数目；

1023：利用Markov随机场模型对包括同一目标的子孔径图像进行识别，通过相互叠加恢复各目标点应有的波数带宽；

1024：对每一块数据进行上述算法处理，得到对应的若干幅子块数据；

1025：最后将所有的数据累加得到最终的数据结果。

综上所述，本发明实施例提供了一种同向双基地多波束合成孔径声纳的快速时域成像方法。传统单基地多波束合成孔径声纳的成像区域通常处于平台运动方向的下方，而双基地多波束合成孔径通过收发平台之间的协作和垂直航迹向波束划分，与成像区域形成不同的空间位置关系，具备更加灵活的成像区域，包括相对于接收机位置的下方、侧方以及后方的目标区域成像。在双基地多波束合成孔径声纳系统中，由于收发平台分置，因此可以选取适宜的波束角度去获取更加丰富的海底信息，从而有利于对敏感区域的探测。双基地多波束合成孔径声纳可以将发射平台安置于距离待测区域较远的位置，而将接收平台安置在待测区域附近。在这种模式下，由于接收机处于接收状态，不发射声波信号，其隐蔽性较强。

应当理解的是，这里所讨论的实施方案及实例只是为了说明，对本领域技术人员来说，可以加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。