基于和差波束单脉冲测角的成像方法与流程

本发明公开了基于和差波束单脉冲测角的成像方法，属于信息传输和图像处理的
技术领域：
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背景技术：
：针对多波束前视声呐的成像特点，一般采用实波束扫描的成像方法，但是这种方法的方位向分辨率受限于成像波束的主瓣宽度，难以获得更为清晰的水下声学图像。在运动平台声呐对水下成像的过程中，常常采用合成孔径声呐(syntheticaperturesonar,sas)或多普勒波束锐化(dopplerbeamsharpening,dbs)技术来实现方位向分辨率的提高，但是仅针对成像区域在声呐系统运动轨迹侧向的情况，常用的声呐系统成像方法并不适用于前视成像。现有的前视成像技术对具有强散射点目标的成像不是太理想，方位向分辨率较低，本发明旨在将单脉冲测角引入到成像过程以解决这个问题。技术实现要素：本发明的发明目的是针对上述
背景技术：
的不足，提供了基于和差波束单脉冲测角的成像方法，利用和差波束的比值对特征目标进行精确定位，能够明显提高特征目标的分辨效果，根据方位角估计值对特征目标成像结果的方位向位置进行重新分配，从而改善整个图像的清晰度，解决了声呐对探测区域方位成像分辨率不佳的技术问题。本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：基于和差波束单脉冲测角的成像方法，对通道内的原始数据进行加权处理以形成和波束及差波束，对成像波束扫描获取的原始图像进行方位向上的阈值处理以提取强散射点，根据和差波束比估计强散射点方位位置的偏移，结合强散射点方位位置的偏移在成像波束方位向上对强散射点进行重定位，对重定位得到的距离方位图进行扇形视图转换得到二维声学图像。作为基于和差波束单脉冲测角的成像方法的进一步优化方案，对通道内的原始数据进行加权处理以形成和波束及差波束，具体方法为：以扫描在目标方向形成主瓣的成像波束为和波束，对接收到的回波信号进行差波束加权处理以使回波信号在波束扫描的方向形成零陷，回波信号在波束扫描方向上形成零陷的成像波束即为差波束。作为基于和差波束单脉冲测角的成像方法的进一步优化方案，采用分水岭阈值算法对成像波束扫描获取的原始图像进行方位向上的阈值处理以提取强散射点。再进一步的，基于和差波束单脉冲测角的成像方法，根据和差波束比估计强散射点每个距离单元上方位位置的偏移，结合强散射点每个距离单元上方位位置的偏移在成像波束方位向上对强散射点进行重定位。再进一步的，基于和差波束单脉冲测角的成像方法，根据和差波束比估计强散射点每个距离单元上方位位置的偏移的具体方法为：首先，构建第m成像波束在第n距离单元上的和差波束比k(n,m)：d(n,m)为第m成像波束在第n距离单元上的差波束加权值，s(n,m)为第m成像波束在第n距离单元上的和波束值，re[·]表示取实部数据，然后，根据和差波束比与方位角的线性关系确定第n距离单元相对于第m成像波束中心的方位角δθ(n,m)：γ为表征和差波束比与方位角线性关系的斜率常数。再进一步的，基于和差波束单脉冲测角的成像方法，结合强散射点每个距离单元上方位位置的偏移在成像波束方位向上对强散射点进行重定位的具体方法为：根据第n距离单元相对于第m成像波束中心的方位角δθ(n,m)以及第m成像波束的指向方位θs(m)确定第m成像波束在第n距离单元上的实际方位位置θ(n,m)：θ(n,m)＝δθ(n,m)+θs(m)，为成像波束的方位向间隔。再进一步的，基于和差波束单脉冲测角的成像方法，重定位得到的距离方位图是通过逐波束非相干累加的方式获得的，逐波束非相干累加的递推公式为：其中，为第m成像波束扫描第n距离单元的第方位向像素单元形成的距离方位图，为第m-1成像波束扫描第n距离单元的第方位向像素单元形成的距离方位图，为第0成像波束扫描第n距离单元的第方位向像素单元形成的距离方位图，s(n,0)为第0成像波束在第n距离单元上的和波束值，|·|为取绝对值计算，[·]为取整计算，θ(n,0)为第0成像波束在第n距离单元上的实际方位位置，θ0为第0方位向像素单元对应的方位位置，ρ为方位向像素单元的大小。更进一步的，基于和差波束单脉冲测角的成像方法，方位向像素单元的大小ρ为：θml为和波束的3db主瓣宽度，n为子孔径阵元数。本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：(1)将单脉冲测角引入到成像过程，可以改善水下特征目标的分辨效果，显著提高声呐对探测区域的成像清晰度；(2)单脉冲成像过程中并不涉及复杂的信号处理运算，有利于工程实现，具有较高的实用价值。附图说明图1为本发明成像方法的信号处理流程图。图2(a)为实波束成像的仿真结果，图2(b)为单脉冲前视成像的仿真结果。图3(a)为实波束成像的测验结果，图3(b)为单脉冲前视成像的测验结果。具体实施方式下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。本发明的发明构思是在多波束扫描成像方法的基础上，利用和差波束单脉冲测角对扫描波束内强散射点的精确定位性能，将其引入声呐系统对探测区域的成像过程中，可以显著提高声呐图像的质量，使某些具有特征的目标位置更加精确，提出了一种基于和差波束单脉冲测角的前视成像方法。扫描在目标方向形成主瓣的成像波束为和波束。单脉冲前视成像在波束扫描成像的基础上，对接收到的180路回波信号进行差波束加权以便使回波信号在波束扫描方向形成零陷，得到的差波束加权值表示为d(n,m)，回波信号在波束扫描方向上形成零陷的成像波束即为差波束。利用和差波束的比值对目标进行精确定位，这样可以明显提高特征目标(即，强散射点)的分辨效果，从而实现对整个图像清晰度的改善，其信号处理流程如图1所示。首先，进行方位向上的阈值处理，利用分水岭阈值算法寻找背景噪声区域并提取强散射点信息，假定最大峰值30db以下的像素对应背景噪声，最大峰值10db以上对应强散射点。然后，在强散射点每个距离单元上构造和差波束比，从而对强散射点每个距离单元的精确方位位置进行估计，k(n,m)表示第m成像波束在第n距离单元上的单脉冲和差波束比，则，其中，s(n,m)表示第m成像波束在第n距离单元上的和波束值，d(n,m)表示第m成像波束在第n距离单元上的差波束加权值，re[·]表示取实部数据。接着，根据和差波束比与方位角的关系可得第n距离单元相对于第m成像波束中心的方位角δθ(n,m)为：其中，γ为表征和差波束比与方位角线性关系的斜率常数，可以通过实验确定具体数值，读入成像波束序号，第m成像波束在第n距离单元上的实际方位位置θ(n,m)可表示为：θ(n,m)＝δθ(n,m)+θs(m)，式中：θs(m)为第m成像波束的指向方位，为成像波束的方位向间隔，最后，定义重新定位后的距离方位图像中的每个像素单元为i(n,k)，k为方位向像素单元序号，为了实现图像方位向分辨率的提高，方位向像素单元的大小ρ选择为其中，θml为和波束的3db主瓣宽度，n为子孔径阵元数，n＝0,1，……，91，设0号方位向像素单元对应的方位位置为θ0，则，上述处理过程仅针对方位向上的成像数据，而对应的距离位置不变。完成上式处理后，成像波束的回波信号重新定位于距离方位图像中的i(n,k)像素单元内，重定位得到的距离方位图通过逐波束非相干累加的方式生成，即如下递推公式：递推公式中，m＝1,2，……,540，i0表示第0成像波束扫描距离单元形成的距离方位图，im表示第m成像波束扫描距离单元形成的距离方位图，im-1表示第m-1成像波束扫描距离单元形成的距离方位图，θ(n,0)第0成像波束在第n距离单元上的实际方位位置，s(n,0)为第0成像波束在第n距离单元上的和波束值。对强散射点每个距离单元都按照上述步骤进行精确的方位估计并更新距离方位图，通过逐波束非相干累加的方式生成成像波束扫描每个距离单元的距离方位图像。对成像波束扫描每个距离单元的距离方位图像做扇形视图转换，把成像数据从极坐标转换到直角坐标，即，将距离方位图像转换为最终的二维声学视图。下面通过仿真实验和实际测验来阐述本发明技术方案的优越性。按照表1设置的仿真参数对实波束成像结果以及单脉冲前视成像结果进行仿真，仿真结果如图2(a)、图2(b)所示。参数名称参数设置和波束主瓣宽度1.2°扫描波束个数540相邻波束间隔0.168°脉冲重复周期100ms脉冲宽度0.05ms中心频率450khz表1仿真参数的设置值由仿真结果对比可以看出：由于实波束成像过程中，目标场景的方位向分辨率完全依赖于扫描波束的主瓣宽度，因此每个点目标的成像数据均在方位向上占据了若干个位置，使得图像难以反映其精确的方位；单脉冲前视成像方法可以明显改善这样的情况，经过单脉冲成像处理之后，图像中原来实波束成像得到的方位向上的“线”压缩成了“点”，并且点的位置精确反映了目标的真实位置。为了验证单脉冲成像算法的实用性，对声呐系统在消声水池录制的两组180通道原始回波数据同时进行实波束成像和单脉冲成像处理，三角架和圆环成像结果的矩形视图如图3(a)、图3(b)所示。当前第1页12