专利名称：一种合成孔径声纳的图像定位方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明属于合成孔径声纳信号处理领域，主要涉及合成孔径声纳系统中的图像定位方法及系统。
背景技术：
合成孔径成像声纳是一种声学成像装置，它用一个声学“天线”在多个位置发射声波照射被测物体，并接收反射回来的声波，通过信号处理的方法形成一个虚拟的大“天线”，从而可以得到分辨率远远高于使用一个“天线”时的成像效果。其主要用于海底测绘，目标物打捞等作业。它的主要系统构成和工作方式如图1所示，拖体拖动拖船大致沿直线前进，拖体上安装发射换能器和一个接收换能器阵列(或称接收阵)，同时拖体上还安装声多普勒计程仪(ADL)，用于测量速度和拖体距底高度等。拖船上安装干端信号处理机以及全球定位系统(GPS)，湿端的所有信号经过拖缆传输到干端信号处理机，进行成像处理。拖体上的发射阵在一些不连续的方位点进行发射信号，同时接收阵进行接收，通过每个方位点得到的低分辨率的图像的相干叠加，得到最终的高分辨率的图像。
现有的合成孔径声纳系统没有考虑拖体和拖船之间的软性连接(拖体和拖船之间用拖缆连接)，只是根据拖船的GPS位置大致推测出拖体的位置，进而对图像进行定位，因此不精确，有时具有很大的误差。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种合成孔径声纳的图像定位方法及系统，该系统可以对声纳图像进行精确定位，解决合成孔径声纳定位难的问题。
为了实现上述目的，本发明采取如下的技术方案 本发明的合成孔径声纳的图像定位方法中，在所述拖船两侧同样深度的位置分别各增加一个接收换能器，并在所述拖体的前端安装一个发射阵，利用该安装在拖船左右侧的两个接收换能器，和一个安装在拖体上的发射阵，使其通过拖体内的电子系统发送的同步时钟进行同步工作，通过接收换能器接收的信号以及发射阵发射的信号，进行计算，然后根据拖船上的GPS数据，得到图像中像素的位置。具体步骤如下 101)在拖体的前端安装发射阵，用于发射单频信号或线性调频信号。
102)在所述拖船两侧同样深度的地方安装接收换能器，接收上述拖体上的所述发射阵发射的信号。
103)拖船上的干端信号处理机根据步骤102)收到的信号分别计算出位于两侧的接收换能器距离拖体的距离。
104)根据拖船走过的位置，拟合出一条接近直线的拖船航迹。
105)求出拖体距离拖船此位置的距离和方位角。
106)根据拖体距离拖船此位置的距离和方位角以及拖船的GPS位置，得出拖体的位置。
107)根据拖体的位置、拖体上声多普勒计程仪ADL测得的距底高度以及合成孔径长度计算出图像中每个像素点的位置。
另外，本发明的合成孔径声纳的图像定位系统，包括拖体、拖船、安装于拖体上的声多普勒计程仪、安装于拖船上的全球定位系统、干端信号处理机、安装于拖体侧端的发射换能器和接收换能器阵列，其特征在于，在所述拖船左右两侧同样深度的位置分别各增加安装一个接收换能器，并在所述拖体的前端再安装一个发射阵，利用该安装在拖船左右侧的两个接收换能器，和一个安装在拖体上的所述发射阵，使其通过所述拖体内的电子系统发送的同步时钟进行同步工作，通过所述安装在拖船左右侧的接收换能器接收的信号以及所述发射阵发射的信号，进行计算，然后根据拖船上的全球定位系统数据，得到图像中像素的位置，其中，在所述拖体的前端安装的所述发射阵，用于发射单频信号或线性调频信号，在所述拖船两侧同样深度的位置安装的所述接收换能器，接收上述拖体上的所述发射阵发射的信号，所述干端信号处理机根据收到的信号分别计算出位于两侧的所述接收换能器距离拖体的距离，并根据全球定位系统确定的拖船走过的位置，拟合出一条接近直线的拖船航迹，求出拖体距离拖船此位置的距离和方位角，然后，由上述得出的拖体距离拖船当前位置的距离和方位角，以及全球定位系统测得的当前拖船的位置，利用所述干端信号处理机计算得出拖体的位置，最后，所述干端信号处理机根据拖体的位置、拖体上声多普勒计程仪测得的距底高度以及合成孔径长度计算出图像中每个像素点的位置。
根据本发明的合成孔径声纳的图像定位方法及系统，只需在合成孔径声纳系统中增添两个接收换能器和一个发射阵，就可以对声纳图像进行精确定位，既简单实用又解决了合成孔径声纳定位难的问题。
图1是现有合成孔径声纳的主要系统构成和工作方式示意图。
图2是本发明的合成孔径声纳的图像定位系统的要部构成示意图。
图3是利用本发明的合成孔径声纳的图像定位方法的流程图。
图4是本发明的合成孔径声纳的图像定位方法一个实施例的位置关系示意图。
具体实施例方式 下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细说明。
图1是合成孔径声纳的主要系统构成和工作方式示意图。如图1所示，拖体侧面安装发射换能器和一个接收换能器阵列(或称接收阵)，同时拖体内部安装声多普勒计程仪ADL(测量速度和拖体距底高度)等电子系统，拖船上安装干端信号处理机以及GPS，拖船通过拖缆拖动拖体大致沿直线前进，湿端的所有信号经过拖缆传输到干端信号处理机，进行成像处理。
图2是本发明的合成孔径声纳的图像定位系统的要部构成示意图。本发明所述系统是在原有合成孔径声纳系统的基础上在拖体的前端增加了一个发射阵并在拖船左右两侧同样深度的位置分别各增加安装一个接收换能器，利用该安装在拖船左右侧的两个接收换能器，和一个安装在拖体上的发射阵，使其通过拖体内的电子系统发送的同步时钟进行同步工作，通过接收换能器接收的信号以及发射阵发射的信号，进行计算，然后根据拖船上的GPS数据，得到图像中像素的位置，从而实现定位。图2中所示增加的接收换能器a在图1中的a位置。
图3为利用本发明的合成孔径声纳的图像定位方法的流程图，下面按照图3的流程图详细介绍本发明的图像定位方法。
在步骤101)中，在拖体的前端安装发射阵，用于发射单频信号或线性调频信号。
在步骤102)中，在拖船两侧同样深度的位置安装接收换能器，根据拖体上控制发射阵发射的同步信号，进行接收。
在步骤103)中，设步骤101)发射阵的发射信号为s(t)，步骤102)拖船两侧的接收换能器固定在相同深度的位置，深度为Dr，图1中a位置和对应对面的b位置，两点之间的距离可以量出，为Lr，两侧接收换能器接收到的信号分别为 ra(t)＝s(t-τa)+wa(t) rb(t)＝s(t-τb)+wb(t) 拖船上的干端信号处理机把两侧的接收信号同发射信号进行相关处理，寻找相关函数的峰值位置，从而得到τa，τb。
拖体距离拖船两侧的距离为 Ra＝C*τa Rb＝C*τb (C为声速) 在步骤104)中，干端信号处理机记录一段拖船行走过的位置，为(Lon1，Lan1)(Lon2，Lan2)…(LonN，LanN)。
可以求出拟合航迹直线的方位角 在步骤105)中，如图4所示，是本发明的合成孔径声纳的图像定位方法一个实施例的位置关系示意图。a，b为两个接收换能器，a，b两点中点c为拖船垂直向下的投影。t为拖体垂直向上的投影。拖体入水深度可以由ADL测得，为Dt，拖船距离拖体在同一平面上的投影的距离为 拖体到拖船两点直线和拖船航迹直线夹角θ0为 由图4，拖船到拖体连线的方位角为 θ＝θline-θ0 在步骤106)中，如图4所示，虚线l为拟合的拖船航迹。根据拖船的经纬度，以及拖船与拖体连线的方位角以及距离，由大地主题解算(正解)公式，计算出拖体的当前经纬度(Lontowfish，Lantowfish)。计算步骤如下 σ＝LB2/(aC) Lontowfish＝Lon1+1/Aarctg[(Atgσsinθ)/(Bcos(Lan1)-tgσsin(Lan1)cosθ)] ω＝A(Lontowfish-Lon1)/2 D＝1/2arcsin[sinσ(cosθ-1/Asin(Lan1)sinθtgω)] Lantowfish＝Lan1+2D[B-3/2e′2Dsin(2Lan1+4/3BD)] 式中，e′为第二偏心率e′2＝(a2-b2)/b2＝0.007，a为椭球长半轴(约6377.4km)，(Lon1，Lan1)为当前拖船的经纬度，L，θ分别为拖体相对拖船距离，方位(正北，顺时针)。
在步骤107)中，对于如图1中所示的目标点，目标在当前方位点输出的图像块中的坐标为(x，y)，计算出目标点到拖体的斜距为 R＝y*(d/2) d为接收阵直径，d/2为图像方位向和距离向的分辨率， 半个合成孔径长度为 (λ为声波波长，d为接收阵元直径) 从而结算出图1中目标点垂直于拖体航线方向到拖体航线的距离R1为 目标点平行于拖体航线的方向距离拖体的距离R2为 R2＝Dhalf+x·(d/2) 由拖体经纬度，R1和R2，根据大地主题解算(正解)公式，首先可以求出平行于拖体航线方向距离拖体R1处的点的经纬度(Lontemp，Lantemp)，计算步骤如下 σ＝R2B2/(aC) Lontemp＝Lontowfish+1/Aarctg[(Atgσsinθline)/(Bcos(Lantowfish)-tgσsin(Lantowfish)cosθline)] ω＝A(Lontemp-Lontowfish)/2 D＝1/2arcsin[sinσ(cosθ-1/Asin(Lantowfish)sinθlinetgω)] Lantemp＝Lantowfish+2D[B-3/2e′2Dsin(2Lantowfish+4/3BD)] 进而可以计算出此目标的经纬度(Lonpoint，Lanpoint)，计算步骤如下 σ＝R1B2/(aC) Lonpoint＝Lontemp+1/Aarctg[(Atgσsin(θline±90)/(Bcos(Lantemp)-tgσsin(Lantemp)cos(θline±90)] ω＝A(Lonpoint-Lontemp)/2 D＝1/2arcsin[sinσ(cos(θline+90)-1/Asin(Lantemp)sin(θline±90)tgω)] Lanpoint＝Lantemp+2D[B-3/2e′2Dsin(2Lantemp+4/3BD)] 在上述步骤中，θline±90计算中，对于合成孔径声纳的左侧图像，用θline+90，对于合成孔径声纳的右侧图像，用θline-90。
权利要求
1、一种合成孔径声纳的图像定位方法，用于对合成孔径声纳的图像进行定位，该方法包括如下步骤
101)在拖体的前端安装发射阵，用于发射单频信号或线性调频信号；
102)在所述拖船两侧同样深度的位置安装接收换能器，接收上述拖体上的所述发射阵发射的信号；
103)拖船上的干端信号处理机根据步骤102)收到的信号分别计算出位于两侧的接收换能器距离拖体的距离；
104)根据拖船走过的位置，拟合出一条接近直线的拖船航迹；
105)求出拖体距离拖船此位置的距离和方位角；
106)根据拖体距离拖船此位置的距离和方位角以及拖船的全球定位系统位置，得出拖体的位置；
107)根据拖体的位置、拖体上声多普勒计程仪测得的距底高度以及合成孔径长度计算出图像中每个像素点的位置。
2、如权利要求1所述的合成孔径声纳的图像定位方法，其特征在于，所述步骤103)中，若设定所述步骤101)中的发射阵的发射信号为s(t)，所述步骤102)中固定在拖船两侧相同深度位置的接收换能器的深度为Dr，该两侧的接收换能器之间的距离为Lr，则两侧接收换能器接收到的信号分别为
ra(t)＝s(t-τa)+wa(t)
rb(t)＝s(t-τb)+wb(t)
拖船上的干端信号处理机把两侧的接收信号同发射信号进行相关处理，寻找相关函数的峰值位置，从而得到τa，τb，
拖体距离拖船两侧的距离为
Ra＝C*τa
Rb＝C*τb
其中，C为声速；
所述步骤104)中，所述干端信号处理机记录一段拖船行走过的位置，为(Lon1，Lan1)(Lon2，Lan2)…(LonN，LanN)，其中(Lon1，Lan1)为当前拖船位置，
由此，求出拟合航迹直线的方位角为
所述步骤105)中，若两个接收换能器的位置分别为a、b，拖船垂直向下的投影为两点a、b的中点c，拖体垂直向上的投影为t，拖体入水深度由多普勒计程仪测得为Dt，则拖船距离拖体在同一平面上的投影的距离为
拖体到拖船两点直线和拖船航迹直线夹角θ0为
拖船到拖体连线的方位角为
θ＝θline-θ0
所述步骤106)中，根据拖船的当前经纬度(Lon1，Lan1)，以及拖船与拖体连线的方位角θ以及距离L，由大地主题解算公式，计算出拖体的当前经纬度(Lontowfish，Lantowfish)，计算步骤如下
σ＝LB2/(aC)
Lontowfish＝Lon1+1/Aarctg[(Atgσsinθ)/(Bcos(Lan1)-tgσsin(Lan1)cosθ)]
ω＝A(Lontowfish-Lon1)/2
D＝1/2arcsin[sinσ(cosθ-1/Asin(Lan1)sinθtgω)]
Lantowfish＝Lan1+2D[B-3/2e′2 Dsin(2Lan1+4/3BD)]
式中，e′为第二偏心率，e′2＝(a2-b2)/b2＝0.007，a为椭球长半轴，(Lon1，Lan1)为当前拖船的经纬度，L，θ分别为拖体相对拖船距离和方位，
在所述步骤107)中，若设定目标在当前方位点输出的图像块中的坐标为(x，y)，则计算出目标点到拖体的斜距为
R＝y*(d/2)
其中，d为接收阵直径，d/2为图像方位向和距离向的分辨率，
半个合成孔径长度为
λ为声波波长，d为接收阵元直径，
从而结算出目标点垂直于拖体航线方向到拖体航线的距离R1为
目标点平行于拖体航线的方向距离拖体的距离R2为
R2＝Dhalf+x·(d/2)
由拖体经纬度，R1和R2，根据大地主题解算公式，首先可以求出平行于拖体航线方向距离拖体R1处的点的经纬度(Lontemp，Lantemp)，计算步骤如下
σ＝R2B2/(aC)
Lontemp＝Lontowfish+1/Aarctg[(Atgσsinθline)/(Bcos(Lantowfish)-tgσsin(Lantowfish)cosθline)]
ω＝A(Lontemp-Lontowfish)/2
D＝1/2arcsin[sinσ(cosθ-1/A sin(Lantowfish)sinθlinetgω)]
Lantemp＝Lantowfish+2D[B-3/2e′2Dsin(2Lantowfish+4/3BD)]
进而可以计算出此目标的经纬度(Lonpo int，Lanpo int)，计算步骤如下
σ＝R1B2/(aC)
Lonpo int＝Lontemp+1/Aarctg[(Atgσsin(θline±90)/(Bcos(Lantemp)-tgσsin(Lantemp)cos(θline±90)]
ω＝A(Lonpoint-Lontemp)/2
D＝1/2arcsin[sinσ(cos(θline+90)-1/Asin(Lantemp)sin(θline±90)tgω)]
Lanpoint＝Lantemp+2D[B-3/2e′2Dsin(2Lantemp+4/3BD)]
在上述步骤中，θline±90的计算中，对于合成孔径声纳的左侧图像，用θline+90，对于合成孔径声纳的右侧图像，用θline-90。
3、一种合成孔径声纳的图像定位系统，包括拖体、拖船、安装于拖体上的声多普勒计程仪、安装于拖船上的全球定位系统、干端信号处理机、安装于拖体侧端的发射换能器和接收换能器阵列，其特征在于，在所述拖船左右两侧同样深度的位置分别各增加安装一个接收换能器，并在所述拖体的前端再安装一个发射阵，利用该安装在拖船左右侧的两个接收换能器，和一个安装在拖体上的所述发射阵，使其通过所述拖体内的电子系统发送的同步时钟进行同步工作，通过所述安装在拖船左右侧的接收换能器接收的信号以及所述发射阵发射的信号，进行计算，然后根据拖船上的全球定位系统数据，得到图像中像素的位置，
其中，在所述拖体的前端安装的所述发射阵，用于发射单频信号或线性调频信号，
在所述拖船两侧同样深度的位置安装的所述接收换能器，接收上述拖体上的所述发射阵发射的信号，所述干端信号处理机根据收到的信号分别计算出位于两侧的所述接收换能器距离拖体的距离，并根据全球定位系统确定的拖船走过的位置，拟合出一条接近直线的拖船航迹，求出拖体距离拖船此位置的距离和方位角，
然后，由上述得出的拖体距离拖船当前位置的距离和方位角，以及全球定位系统测得的当前拖船的位置，利用所述干端信号处理机计算得出拖体的位置，
最后，所述干端信号处理机根据拖体的位置、拖体上声多普勒计程仪测得的距底高度以及合成孔径长度计算出图像中每个像素点的位置。
全文摘要
本发明提供一种合成孔径声纳的图像定位方法及系统，该系统在拖体前端安装发射阵，用于发射单频信号或线性调频信号；在拖船两侧同样深度的位置安装接收换能器，接收拖体上的发射阵发射的信号，并根据收到的信号分别计算出位于两侧的接收换能器距离拖体的距离；再根据拖船走过的位置拟合出一条接近直线的拖船航迹，求出拖体距离拖船此位置的距离和方位角；然后根据该距离和方位角以及拖船的GPS位置得出拖体位置；再根据拖体的位置、拖体上ADL测得的距底高度以及合成孔径长度计算出图像中每个像素点的位置。利用本发明，只需在现有系统中增添两个接收换能器和一个发射阵，就可对声纳图像进行精确定位，既简单实用又可解决合成孔径声纳定位难的问题。
文档编号G01S7/52GK101644762SQ200810239728
公开日2010年2月10日 申请日期2008年12月16日 优先权日2008年12月16日
发明者李丽英 申请人:中国科学院声学研究所