一种适用高速海底测绘的合成接收孔径聚焦波束形成方法

本发明涉及海底测绘，尤其涉及一种适用高速海底测绘的合成接收孔径聚焦波束形成方法。

背景技术：

1、目前现有的侧扫声纳技术包括单波束侧扫声纳技术（含双频侧扫声纳技术）、合成孔径侧扫声纳技术（含多子阵合成孔径侧扫声纳技术）、多脉冲侧扫声纳技术和多波束侧扫声纳技术，传统的单波束侧扫声纳测绘航速低，只能保持在2~4节左右，然后沿航迹分辨率是随着测绘距离的增加而逐步降低的，换句话说，单波束侧扫声纳的测绘距离越远的地方成像分辨率越低；

2、双频侧扫声纳技术本身没有解决测绘航速的问题，只是在近距离地方使用高频段信号可以实现较高成像分辨率，而低频段可以是拓展更远的测绘距离；

3、常规的合成孔径侧扫声纳技术的水声换能器是采用单个接收通道模式的，因此其本身并不能实现高速成像的功能，其优势是通过多个航位点接收数据合成为一个虚拟的长孔径阵列以此获得更窄的水平波束宽度，从而提高其沿航迹分辨率。目前较为先进的多子阵合成孔径侧扫声纳可以一定程度上提高测绘航速，但是它继承合成孔径的劣势（测绘精度受航行姿态影响较为明显，在海况不理想的情况下成像效果不佳），而且相关技术产品在市面上较少，其实际效果未知；

4、多脉冲侧扫声纳技术是通过单个测绘周期内连续发送多个不同频带的探测信号，利用不同频率声波的波束宽度不同实现宽幅成像逐层递进的分辨能力，其本身是可以实现高航速测绘能力的。然而这种划分频带的探测方法一定程度上降低了每组声学信号的频带宽度，因此牺牲了探测信号的距离分辨率，使得最终成像结果欠佳。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种适用高速海底测绘的合成接收孔径聚焦波束形成方法，能够在高航速情况下获得高精度的海底成像结果，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、本发明是通过以下技术方案实现的：一种适用高速海底测绘的合成接收孔径聚焦波束形成方法，包括下列步骤：

3、s1、建立由2e-1个接收基元组成的5组接收基阵，以任一接收基元为原点在二维成像平面内建立极坐标系，同时建立行列的散射点集合，其中2e-1表示所述接收基元的数量；

4、s2、通过接收基阵进行模/数采样，获得散射点数字采样信号，对散射点数字采样信号进行fft处理，获得散射点时域信号；

5、s3、基于散射点时域信号，获得m行散射点在任一接收基元的响应信号；

6、s4、对各个接收基元响应信号进行求和后获得接收基元输出信号，基于接收基元输出信号获得接收基阵信号的频域模型；

7、s5、基于接收基阵输出信号进行接收基阵输出信号的波束形成；

8、s6、基于接收基阵输出信号的波束形成，并根据各个接收基阵径向安装位置及水平波束主瓣宽度将单帧成像平面进行区域划分，根据每个区域的波束覆盖情况选择不同接收基阵的组合数量进行合成接收孔径聚焦波束形成。

9、可选的，通过接收基阵进行模/数采样，获得散射点数字采样信号为：，式中为模拟信号输入，为中心频率，为周期。

10、可选的，基于散射点时域信号，获得m行散射点在任一接收基元的响应信号，其响应信号的矩阵形式为：

11、

12、式中，为响应信号，为为个散射点入射信号传播至任一接收基元的单程相移量，为每个散射点作用于各个接收基元的响应分量与参考基元之间的相位差，表示每个散射点的时域信号，表示噪声信号，符号是哈达玛积。

13、可选的，基于接收基元的响应信号获得接收基元的输出信号，并将组散射点入射信号进行叠加，获得接收基阵输出信号，具体包括：对各个接收基元响应信号内各个行向量分别求和后获得任一接收基元输出信号：，式中为散射点的时域信号，表示噪声信号；

14、将组散射点入射信号进行叠加后，接收基元总的输出信号可以表示为：

15、

16、5组接收基阵信号的频域模型为：

17、

18、式中，e为常数。

19、可选的，基于接收基阵输出信号，通过下式实现进行接收基阵输出信号的波束形成：，式中表示个散射点入射信号传播至任一接收基阵的单程相移量，表示每个散射点作用于各个接收基阵的响应分量与参考基阵之间的相位差。

20、可选的，在步骤s5所形成的区域中，若任一区域能被w个接收阵列的声学波束同时覆盖，则通过下式获得该区域的合成接收孔径聚焦波束形成：。

21、可选的，通过下式将合成接收孔径聚焦波束形成的频域信号转化成时域信号：，对时域信号的离散点值求和获得指定成像位置的地图颜色信息。

22、与现有技术相比，本发明达到的有益效果如下：

23、本发明提供的一种适用高速海底测绘的合成接收孔径聚焦波束形成方法，基于接收基阵输出信号的波束形成，并根据各个接收基阵径向安装位置及水平波束主瓣宽度将单帧成像平面进行区域划分，根据每个区域的波束覆盖情况选择不同接收基阵的组合数量进行合成接收孔径聚焦波束形成，并由所构建的合成接收孔径聚焦波束形成实现高航速条件下的高精度海底图像获得，其硬件系统复杂度及成本较低，可以实现海洋勘测效率的提高，这可以在海洋环境调查、海洋工程实施、海底目标搜寻和海洋地质研究等领域带来便利。

技术特征：

1.一种适用高速海底测绘的合成接收孔径聚焦波束形成方法，其特征在于，包括下列步骤：

2.根据权利要求1所述的一种适用高速海底测绘的合成接收孔径聚焦波束形成方法，其特征在于，通过接收基阵进行模/数采样，获得散射点数字采样信号为：，式中为模拟信号输入，为中心频率，为周期。

3.根据权利要求2所述的一种适用高速海底测绘的合成接收孔径聚焦波束形成方法，其特征在于，基于散射点时域信号，获得m行散射点在任一接收基元的响应信号，其响应信号的矩阵形式为：

4.根据权利要求3所述的一种适用高速海底测绘的合成接收孔径聚焦波束形成方法，其特征在于，基于接收基元的响应信号获得接收基元的输出信号，并将组散射点入射信号进行叠加，获得接收基阵输出信号，具体包括：对各个接收基元响应信号内各个行向量分别求和后获得任一接收基元输出信号：，式中为散射点的时域信号，表示噪声信号；

5.根据权利要求4所述的一种适用高速海底测绘的合成接收孔径聚焦波束形成方法，其特征在于，基于接收基阵输出信号，通过下式实现进行接收基阵输出信号的波束形成：，式中表示个散射点入射信号传播至任一接收基阵的单程相移量，表示每个散射点作用于各个接收基阵的响应分量与参考基阵之间的相位差。

6.根据权利要求5所述的一种适用高速海底测绘的合成接收孔径聚焦波束形成方法，其特征在于，在步骤s5所形成的区域中，若任一区域能被w个接收阵列的声学波束同时覆盖，则通过下式获得该区域的合成接收孔径聚焦波束形成：。

7.根据权利要求1-6任一项所述的一种适用高速海底测绘的合成接收孔径聚焦波束形成方法，其特征在于，通过下式将合成接收孔径聚焦波束形成的频域信号转化成时域信号：，对时域信号的离散点值求和获得指定成像位置的地图颜色信息。

技术总结
本发明提供一种适用高速海底测绘的合成接收孔径聚焦波束形成方法，包括下列步骤：S1、建立由2E‑1个接收基元组成的5组接收基阵，同时建立散射点集合；S2、通过接收基阵进行模/数采样，获得散射点数字采样信号，对散射点数字采样信号进行FFT处理，获得散射点时域信号；S3、基于散射点时域信号，获得M行散射点在任一接收基元的响应信号；S4、对各个接收基元响应信号进行求和后获得接收基元输出信号以及接收基阵信号的频域模型；S5、基于接收基阵输出信号进行接收基阵输出信号的波束形成；S6、基于接收基阵输出信号的波束形成以及根据每个区域的波束覆盖情况选择不同接收基阵的组合数量进行合成接收孔径聚焦波束形成。

技术研发人员：孟祥健,郭新新,沈斌坚
受保护的技术使用者：中国科学院深海科学与工程研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12