一种侧扫声呐成像方法及装置

本说明书一个或多个实施例涉及水下高效搜探，尤其涉及一种侧扫声呐成像方法及装置。

背景技术：

1、侧扫声纳是重要的水下成像声纳，其工作原理是在水平方向形成窄波束，在垂直方向成宽波束，通过拖体移动接收不同位置海底的反射声波，通过成像处理形成海底图像。其中水平波束开角和距离分辨率是影响成像精度的重要因素。水平波束开角主要受阵列形式的影响，为获得高分辨的水平波束开角有两种技术途径，一方面通过孔径合成(例如合成孔径声纳)实现水平高分辨，另一方面通过高分辨谱估计：最小均方无畸变响应(minimumvariancedistortionless response，简称mvdr)、多重信号分类(multiplesignalclassification，简称music)等波达角度估计算法(direction of arrival，简称doa)实现水平向高分辨；距离向分辨能力主要受带宽影响，由于侧扫声纳工作频率一般较高，距离分辨率的改善一般认为对成像性能的影响不大，以往的研究中关注度不高。

2、但是，随着侧扫声纳的使用越来越广泛，尤其是自主检测识别算法在侧扫声纳图像处理中方兴未艾般发展起来，认识到侧扫声纳图像质量是影响人工智能算法性能的重要基础数据，图像质量的提高对提升自主检测识别算法具有积极意义，所以对距离分辨率的提高越来越光柱。而且除了分辨率外，旁瓣也是影响图像质量的重要因素，尤其当海底存在强干扰时，距离向的旁瓣会压制旁边的弱信号，这一问题在极浅海条件下影响尤为显著。

3、提高距离分辨率以及抑制距离向旁瓣的方法包括加权处理、信号编码等，其中加权处理包含发射信号加权和接收信号加权，但都是以牺牲主瓣宽度为代价；信号编码主要是设计发射伪随机码信号，虽然可以在提升距离分辨力的同时压低旁瓣，但是是以增加系统复杂性为代价。近年来，解卷积方法被广泛用于成像、定位等领域，主要被用于提高角度分辨能力，但是应用于图像声纳提高距离分辨率和压低旁瓣的研究相对较少。

4、侧扫声纳等成像声纳在实际应用中，由于换能器不平整的频带响应、发射长脉冲时电路系统功率不足等问题，导致实际发射信号波形与发射模板差异较大，常规脉冲压缩距离分辨力有限，旁瓣也随之增加，尤其当存在强干扰时旁瓣影响更为显著，甚至影响自主检测识别的准确性。

技术实现思路

1、本发明描述一种侧扫声呐成像方法及装置，可以解决上述技术问题。

2、根据第一方面，提供一种侧扫声呐成像方法。该方法包括：所述声呐系统接收信号，将接收信号输入匹配滤波器进行滤波得到输出信号；所述接收信号为发射信号经过海底目标反射之后的返回信号；反映海底目标反射特性的目标函数用来反映海底目标的反射特性；假定所述匹配滤波器的响应函数为所述发射信号取反后延迟时间τ，得到所述滤波器的输出信号为发射信号和接收信号关于τ的互相关函数；基于所述滤波器的输出信号为发射信号和接收信号关于τ的互相关函数，假定海底目标为多个反射点的集合，得到所述输出信号为发射信号的自相关函数经过海底目标反射之后的返回信号；基于所述声呐系统的频带响应，修正所述发射信号；基于修正的发射信号，计算修正的发射信号的自相关函数；基于所述修正的发射信号的自相关函数，对所述输出信号为发射信号的自相关函数经过海底目标反射之后的返回信号解卷积，得到所述反映海底目标反射特性的目标函数。

3、在一个实施例中，所述发射信号取反后延迟时间τ的表达式为s(τ-t)，其中s(t)为发射信号。

4、在一个实施例中，所述滤波器的输出信号为发射信号和接收信号关于τ的互相关函数，具体为：

5、

6、其中x(t)为声呐接收信号，s(t)为发射信号，τ为所述发射信号的延时，y(t)为匹配滤波器的输出信号，rxs(t-τ)为发射信号s(t)和声呐接收信号x(t)互相关函数。

7、在一个实施例中，所述输出信号为发射信号的自相关函数经过海底目标反射之后的返回信号，公式为：

8、

9、其中，m表示海底目标具有m个反射点，a为幅度系数，δ(.)为冲击函数。

10、在一个实施例中，所述匹配滤波器的输出信号为：

11、

12、其中，t是周期，t为时间，ξ为由发射信号设置产生的初始相位。

13、在一个实施例中，所述修正的发射信号为：

14、s′(t)＝s(t)*h1(t)

15、其中，h1(t)为声纳系统引入的频响函数。

16、在一个实施例中，所述修正的发射信号的自相关函数的表达式为：

17、

18、其中，τ为所述发射信号的延时。

19、在一个实施例中，解卷积迭代过程为：

20、

21、

22、其中，l(·)代表真实信号与估计值之间的收敛距离，n表示迭代次数，q(t)为反映海底目标反射特性的目标函数，y(t)为匹配滤波器的输出信号，rs′(t)为修正的发射信号的自相关函数，argmin l为l距离的最小值，qn(t)为当前第n次的q(t)寻优结果。

23、在一个实施例中，所述反映海底目标反射特性的目标函数为：

24、

25、其中，τk是第k个反射点的回波延时，δ(.)为冲击函数，a为幅度系数。

26、根据第二方面，提供一种侧扫声呐成像装置。该装置包括：

27、匹配滤波器输出信号获取模块，配置为将接收信号输入匹配滤波器进行滤波得到输出信号；所述接收信号为发射信号经过海底目标反射之后的返回信号；反映海底目标反射特性的目标函数用来反映海底目标的反射特性；

28、反映海底目标反射特性的目标函数获取模块，配置为假定所述匹配滤波器的响应函数为所述发射信号的取反后延迟时间τ，得到所述滤波器的输出信号为发射信号和接收信号关于τ的互相关函数；基于所述滤波器的输出信号为发射信号和接收信号关于τ的互相关函数，假定海底目标为多个反射点的集合，得到所述输出信号为发射信号的自相关函数经过海底目标反射之后的返回信号；

29、解卷积模块，配置为基于所述声呐系统的频带响应，修正所述发射信号；基于修正的发射信号，计算修正的发射信号的自相关函数；基于所述修正的发射信号的自相关函数，对所述输出信号为发射信号的自相关函数经过海底目标反射之后的返回信号解卷积，得到所述反映海底目标反射特性的目标函数。

30、在本说明书实施例提供的上述方法和装置中，在常规匹配滤波算法的基础上，通过对发射信号进行修正，利用解卷积算法对常规匹配滤波的输出进行结算，实现最优化的声纳成像结果，提出基于解卷积的改进脉冲压缩技术，利用数值仿真分析了在不同信噪比下算法的性能和强干扰下的对弱目标的检测性能，最后通过海上试验验证了算法对成像效果的改进和对自主检测能力的提升。

技术特征：

1.一种侧扫声呐成像方法，由位于声呐系统中的换能器阵列向海底目标发射信号，其特征在于，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述发射信号取反后延迟时间τ的表达式为s(τ-t)，其中s(t)为发射信号。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述滤波器的输出信号为发射信号和接收信号关于τ的互相关函数，具体为：

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述输出信号为发射信号的自相关函数经过海底目标反射之后的返回信号，公式为：

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述匹配滤波器的输出信号为：

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述修正的发射信号为：

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述修正的发射信号的自相关函数的表达式为：

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述解卷积迭代过程为：

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述反映海底目标反射特性的目标函数为：

10.一种侧扫声呐成像装置，其特征在于，所述装置包括：

技术总结
本发明提供一种侧扫声呐成像方法及装置，所述方法包括：将接收信号输入匹配滤波器进行滤波得到输出信号；假定海底目标为多个反射点的集合，得到所述输出信号为发射信号的自相关函数在反映海底目标反射特性的目标函数作用下的输出；基于修正的发射信号，计算所述修正的发射信号的自相关函数；对所述输出信号为发射信号的自相关函数在反映海底目标反射特性的目标函数作用下的输出解卷积，得到所述反映海底目标反射特性的目标函数。如此，解决了常规匹配滤波技术分辨率受带宽限制，而且主旁比较低，在强干扰存在时影响成像质量，有效提升水下探测的精度和水下小目标检测的准确性。

技术研发人员：刘佳,许枫,易兵
受保护的技术使用者：中国科学院声学研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/2/1