一种近场的快速下视合成孔径三维成像方法与流程

本发明涉及成像声纳系统领域，特别涉及一种近场的快速下视合成孔径三维成像方法。

背景技术：

下视合成孔径三维成像技术是一种基于合成孔径技术新的三维成像体制，该技术不仅具有与传统侧视合成孔径成像声纳的方位向的高分辨率，并具有目标深度向测量的能力。该成像体制在声波传播方向(深度向)和方位向(沿航向)可以通过脉冲压缩和合成孔径技术获得高分辨成像，但跨航向分辨能力受到接收阵长度的限制，通过增加跨航向接收阵的长度可以有效提高跨航向分辨率，但其系统实现的难度、复杂度和成本均会急剧增加。解决这一困难的有效方法包括跨航向采用多发多收结构(mimo)、高分辨成像方法(mvdr、music等)实现跨航向的高分辨成像，但由于下视三维成像体制的工作特点以近场为主，近场条件下，下视合成孔径成像算法计算量大，难于快速实时实现。

技术实现要素：

本发明的目的在于：针对下视合成孔径三维成像声纳以近场工作为主，成像计算量大，对系统计算平台要求高，并难于实时系统实现等一系列问题，本发明提出了近场的快速下视合成孔径三维成像方法，该方法的计算效率与时域精确成像方法相比得到了明显的提高，更易于实时系统的实现。

为了实现上述目的，本发明提出了一种近场的快速下视合成孔径三维成像方法，该方法包括：

步骤1)根据声纳系统工作参数计算声纳回波数字信号，对声纳回波数字信号进行深度向脉冲压缩处理，获得柱坐标系下的深度向压缩后信号；

步骤2)对深度向压缩后信号进行跨航向距离徙动矫正，并根据斜距进行数据分块，对每个数据分块进行跨航向距离矫正，获得跨航向压缩后信号；

步骤3)对跨航向压缩后信号进行沿航向距离徙动矫正，由此完成沿航向合成孔径成像处理，形成最后的三维图像。

作为上述方法的一种改进，所述步骤1)具体包括：

步骤1-1)发射接收阵距离海底高度为h，下视合成孔径声纳沿y方向以速度v匀速直线航行，共m个接收阵元；目标的位置坐标为(x0,y0,z0)，第m个接收阵元的位置(xm,yr,0)：

其中，l表示接收阵孔径，y表示接收阵所在的y轴上的坐标值；采用等效相位中心(xm,y,0)表示表示等效接收阵第m个阵元的位置：

其中，t2r表示发射阵与接收阵所在的xoz之间的距离；

步骤1-2)计算等效相位中心(xm,y,0)与水下三维场景中目标点t＝(x0,y0,z0)的距离r为：

由此得到下视合成孔径声纳各接收阵元的时延τ＝2r/c，c为声速；

步骤1-3)采用线性调频信号的声纳发射信号为：

其中f0表示载波频率，kr表示线性调频信号的调频率，tr为脉冲宽度，经目标反射后的回波信号经过解调后表示为：

其中σ表示回波信号幅度，t表示时间，则接收阵与目标点的距离还可以表示为：

其中v＝(xm,yr,0)；获得距离r0处目标波束方向的单位矢量表达式为u＝(x0,y0,z0)/r0，r的fresnel近似表达式为：

步骤1-4)在柱坐标系下，r的fresnel近似表达式为：

其中，

步骤1-5)柱坐标系下的回波信号为：

其中，信号波长λ＝c/f0；

步骤1-6)对柱坐标系下的回波信号进行深度向脉冲压缩处理，获得深度向压缩后信号sr(t,y)：

sr(t,y)＝arcycxsinc[b(t-2r0/c)](16)

其中，ar表示脉冲压缩后信号幅度，b为信号带宽；

表示与沿航向相关的距离徙动表达式；表示与跨航向相关的距离徙动表达式。

作为上述方法的一种改进，所述步骤2)具体包括：

步骤2-1)针对斜距r0对深度向压缩后信号进行数据分块，按照不同斜距分成nr块数据，假设斜距r0的采样点数为ns，则每块数据的斜距向的点数为

步骤2-2)对每个分块数据进行跨航向距离徙动矫正：

s(t,y)＝sr(t,y)hercmc＝arcysinc[b(t-2r0/c)]psinc(sinθ0)

其中，表示跨航向距离徙动矫正参考函数，

表示跨航向距离徙动矫正后压缩信号结果，其中θ表示跨航向扫描角度，d表示阵元间隔。

作为上述方法的一种改进，所述步骤3)具体包括：

步骤3-1)s(t,y)沿航向距离徙动矫正为：

sa(t,y)＝s(t,y)＝aaarsinc[b(t-2r0/c)]psinc(sinθ0)sinc[ba(y-y0)](20)

其中，表示沿航向距离徙动矫正参考函数，

ba＝2α/λ表示沿航向信号带宽，α为航向开角，aa表示沿航向距离徙动矫正后的信号幅度；

步骤3-2)最后获得三维成像结果表示为：

image_3d＝asinc[b(t-2r0/c)]psinc(sinθ0)sinc[ba(y-y0)](21)

其中，a表示三维成像处理后的信号幅度值。

本发明的优势在于：

1、本发明的方法在下视合成孔径三维成像声纳回波模型的基础上提出了一种近场的快速成像方法，该方法是在柱坐标系下实现的快速成像，能够有效的进行水下目标三维成像，并且有效的提高了成像效率；

2、本发明提出的快速成像方法，可分解成斜距向、沿航迹向和俯仰向三个方向分别成像处理，与精确时延成像算法相比，很大程度的降低了计算量，能够有效的应用于下视合成孔径成像声纳系统。

附图说明

图1为本发明的下视合成孔径三维成像声纳回波信号几何模型示意图；

图2为直角坐标系到柱坐标变换的结合关系示意图；

图3为本发明三维成像方法的三维成像仿真结果(3个目标点)示意图；

图4(a)为本发明的沿航向-跨航向二维剖面图；

图4(b)为本发明的跨航向-深度向二维剖面图；

图4(c)为本发明的沿航向-深度向二维剖面图；

图5(a)为本发明的方法与精确时延方法的目标1的跨航向成像结果对比情况；

图5(b)为本发明的方法与精确时延方法的目标2的跨航向成像结果对比情况；

图5(c)为本发明的方法与精确时延方法的目标3的跨航向成像结果对比情况；

图6(a)为本发明的方法与精确时延方法的目标1的沿航向成像结果对比情况；

图6(b)为本发明的方法与精确时延方法的目标2的沿航向成像结果对比情况；

图6(c)为本发明的方法与精确时延方法的目标3的沿航向成像结果对比情况；

图7(a)为本发明的方法与精确时延方法的目标1的深度成像结果对比情况；

图7(b)为本发明的方法与精确时延方法的目标2的深度成像结果对比情况；

图7(c)为本发明的方法与精确时延方法的目标3的深度成像结果对比情况；

图8(a)为油管目标的跨航向-沿航向二维图；

图8(b)为油管目标的沿航向-深度向二维图；

图8(c)为油管目标的跨航向-深度向二维图；

图9为本发明的方法在海上试验石油管道三维成像结果示意图。

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步的描述。

本发明关键的部分是对下视合成孔径三维成像声纳信号回波模型进行近场近似处理，获得菲涅尔近场近似表达式，然后进行坐标变换，在柱坐标系下获得本发明的快速成像算法，将下视合成孔径成像声纳成像分成深度向成像、跨航向成像和沿航向合成孔径处理三个相对独立的部分实现，大大降低系统计算量，提高计算效率，实现快速三维成像。下面对其进行详细的说明。

本发明提供了一种近场的快速下视合成孔径三维成像方法，该方法包括：

步骤1)根据声纳系统工作参数，计算声纳回波数字信号，对数字信号进行深度向脉冲压缩处理；

步骤2)根据本发明体出的柱坐标系下近场回波信号模型，对深度向脉冲压缩后信号进行跨航向距离徙动矫正，根据斜距进行数据分块，对每个数据模块进行跨航向距离矫正，获得跨航向信号压缩行程图像；

步骤3)对步骤2)得到的深度向和跨航向压缩后信号进行沿航向距离徙动矫正，完成沿航向合成孔径成像处理，行程最后的三维图像。

下视合成孔径声纳回波信号几何模型如图1所示，发射接收阵距离海底高度为h，下视合成孔径声纳沿y方向以速度v匀速直线航行。其中圆形表示接收阵，方形表示发射阵，共m个接收阵元。根据图1中下视合成孔径声纳目标回波模型，目标的位置坐标为(x0,y0,z0)，获得距离r0处目标波束方向的单位矢量表达式为u＝(ux,uy,uz)＝(x0,y0,z0)/r0，其中发射阵元的位置为(0,yt,0)，接收阵元的位置为v＝(xm,yr,0)，对应与图1中的几何位置关系可以将接收阵元表示为

式中l表示接收阵孔径，发射阵元表示为yt＝yr+t2r，其中t2r表示发射阵与接收阵所在的xoz之间的距离，为了简化模型，本发明采用等效相位中心描述换能器阵列的位置表示为：

利用等效相位中心的假设，计算等效的接收单元与水下三维场景中目标点t＝(x0,y0,z0)的距离为：

所以可以得到下视合成孔径声纳各接收单元的时延表达式表示为τ＝2r/c，声纳发射信号采用线性调频信号为：

其中f0表示载波频率，kr表示线性调频信号的调频率，tr为脉冲宽度，经目标反射后的回波信号经过解调后表示为：

接收阵与目标点的距离表达式可以表示为

其中v＝(xm,yr,0)，表示m号阵元在第n次回波在接收阵平面内的坐标位置。假设，

所以，公式的泰勒级数展开式表示为

简化时延参数，可忽略上述公式中后两项，得到如下近似

根据上述公式得到fresnel近似表达式为

根据图2中直角坐标系到柱坐标系的变换定义，目标位置t＝(x0,y0,z0)从直角坐标系到柱坐标系下(θ0,y0,r0)的变化关系表达式如下

所以柱坐标系下获得距离r0处目标波束方向的单位矢量表达式为：

将上述表达式带入菲涅尔近似距离表达式，得到

假设沿航向波束开角较小，可获得近似的距离公式：

结合下视合成孔径三维成像声纳信号回波模型，获得柱坐标系下的回波信号模型表示为：

其中λ＝c/f0，第一个相位项中包含了斜距向(声波传播方向)信息，第二个相位项包含了沿航迹向(合成孔径方向)信息，第三个相位项包含了俯仰向(跨航向)信息。因此本发明提出的下视合成孔径三维成像近场快速算法，可分解成斜距向、沿航迹向和俯仰向三个方向分别成像处理，与精确时延成像算法相比，降低了计算量。

根据本发明上述推导获得的近场近似回波信号模型，进行近场近似快速三维成像，首先进行深度向脉冲压缩处理，获得深度向成像，具体操作如下：

其中fft(·)表示快速傅里叶变换；ifft(·)表示傅里叶逆变换；

表示深度向匹配滤波参考函数；

表示与沿航向相关的距离徙动表达式；表示与跨航向相关的距离徙动表达式。

所述的步骤2)中跨航向处理方法是本发明的关键部分之一，对跨航向进行距离徙动矫正，获得跨航向成像结果。步骤2)的计算方法如下：

跨航向距离矫正项表示为：

从距离矫正表达式可以看出，跨航向距离徙动项与斜距r0和跨航向俯仰角θ0有关，针对斜距r0进行数据分块，对每块数据进行该斜距处的跨航向距离徙动矫正，距离徙动矫正表达式为

其中表示跨航向距离徙动矫正参考函数，通过该参考函数实现跨航向距离徙动矫正；表示与沿航向相关的距离徙动表达式；表示跨航向距离徙动矫正后压缩信号结果。

所述的步骤3)中沿航向合成孔径处理方法是本发明的关键部分之一，对沿航向进行距离徙动矫正，获得沿航向成像结果。步骤3)的计算方法如下：

跨航向距离矫正项表示为：

从距离矫正表达式可以看出，跨航向距离徙动项与斜距r0和沿航向距离y0有关，沿航向距离徙动矫正表达式为

sa(t,y)＝s(t,y)

＝arsinc[b(t-2r0/c)]psinc(sinθ0)cy×ha(20)

＝aaarsinc[b(t-2r0/c)]psinc(sinθ0)sinc[ba(y-y0)]

其中表示沿航向距离徙动矫正参考函数，通过该参考函数实现沿航向距离徙动矫正；ba＝2α/λ表示沿航向信号带宽，由沿航向开角α和信号波长决定；aa表示沿航向距离徙动矫正后的信号幅度。

最后获得三维成像结果可以表示为：

image_3d＝asinc[b(t-2r0/c)]psinc(sinθ0)sinc[ba(y-y0)](21)

本发明采用的基本仿真参数如表1所示，成像结果如图3所示，三个点目标大于-21db的三维成像结果，从图3可以看出本发明提出的近场快速成像方法可以有效的进行点目标的三维成像。图4(a)、图4(b)和图4(c)分别给出了跨航向-沿航向、沿航向-深度向和沿航向-深度向的二维剖面成像结果，成像结果表面本发明提出的快速成像算法可以准确的实现目标三维成像。

表1

为了进一步分析算法的有效性，本发明将快速成像算法与精确的时域算法进行了成像结果对比分析。图5(a)、图5(b)和图5(c)分别给出了三个目标的跨航向成像结果对比情况，可以看出，与精确的时域成像方法相比，本发明近似成像方法的跨航向成像结果随着跨航向俯仰角的增大成像分辨率下降。图6(a)、图6(b)和图6(c)分别给出了三个目标沿航向成像结果对比情况，可以看出，与精确的时域成像方法相比，本发明近似成像方法的沿航向成像结果与精确成像结果相当，验证了本发明近似方法的有效性。图7(a)、图7(b)和图7(c)分别给出了三个目标的深度向成像结果对比情况，从中可以看出，与精确的时域成像方法相比，本发明近似成像方法的深度向成像结果与精确时延方法相当，进一步验证了本发明方法的有效性，同时，可发现随着跨航向俯仰角的增加深度向的成像分辨率下降，呈现出深度向分辨率空域变化特性。

通过海上试验对本发明提出的下视合成孔径快速三维成像算法进行验证，海上试验选取半掩埋的输油管道目标进行三维成像。典型的油管目标成像结果如图8(a)图8(b)和图8(c)所示，图8(a)为油管目标的跨航向-沿航向二维图，图8(b)为油管目标的沿航向-深度向二维图，图8(c)为油管目标的跨航向-深度向二维图，从图8可以看出，本发明快速成像算法能够准确的进行油管目标三维成像，进一步验证了本发明算法的有效性。

本发明通过与精确时域成像发发发进行对比，说明本发明提出的近场时域快速成像方法的计算效率。假设有m帧信号，阵元数为n，进行三维成像处理获得沿航向像素点数为along_n、跨航向像素点数为across_n、深度向像素点数为depth_n的三维图像，用浮点操作次数来衡量成像算法的计算量，精确时域成像方法计算量为crdm＝(8×m×n-2)×along_n×across_n×depth_n；本发明快速方法的计算量为：

croa＝((8×m-2)×n×across_n+(8×n-2)×along_n×across_n)×depth_n。

假设接收阵元数n＝12，信号帧数m＝160，深度向像素点数depth_n＝512，跨航向像素点数across_n＝128的情况下，两种方法的浮点操作数对比情况如图9所示。从图9可以看出本发明快速成像方法在计算量具有明显的优势。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。