[發明專利]一種合成孔徑聲納托體速度的估計方法

無效

• 申請號: 201010130637.4
• 申請日: 2010-03-22
• 公開（公告）號: CN101793958A
• 公開（公告）日: 2010-08-04
• 發明（設計）人: 陳東升;王嘯
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G01S7/527
• 分類號: G01S7/527;G01S15/89
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 劉萍

技術領域

本發明涉及一種在合成孔徑聲納(SAS)運動中基于冗余相位中心(Redundant?Phase?Center)的方法估計拖體航行方位向實時速度的方法。應用本方法估計的速度可直接用于合成孔徑聲納成像。

背景技術

合成孔徑聲納(SAS)是利用小尺寸基陣在方位向的移動，通過對不同位置接收信號的相關處理，來獲得方位向(沿著聲納基陣的運動方向)上的合成孔徑，從而得到高精度的方位向上的分辨率。作為一種工作于側掃模式下的成像聲納，SAS的距離向(垂直運動方向)的分辨率采用線性調頻信號(LFM)的脈沖壓縮的方法得到提高的。

合成孔徑成像過程中，一般情況下，托體平臺的運動速度的測量是通過運動測量系統得到的。運動測量系統一般為姿態傳感器或多普勒計程儀等設備，安裝在托體平臺上，實時記錄平臺的位置和姿態。但專用的水下測量設備的價格一般比較昂貴，相對價格低廉的GPS(Global?Positioning?System，全球衛星定位導航系統)無法應用于水下，可以測量船速，但無法準確得到托體平臺的航行速度。準確、簡便地測量托體平臺的航向速度對于SAS成像系統是至關重要的。

傳統測試聲納主要包括測量流體速度的流速剖面儀和測量載體速度的計程儀。目前大多數利用多普勒原理工作的多普勒測速聲納應用比較廣泛。多普勒測速聲納使用3-4個換能器基元，向斜方向發射信號，波束開角較小，大約為3°-7°。

隨著科學技術的發展，出現了相關測速聲納。相關測速聲納在相同的工作頻率下，相關測速聲納的換能器陣比多普勒測速聲納換能器陣小，適合于體積小的載體或者低頻工作。

發明內容

本發明將在相關原理的基礎上，提出了一種基于冗余相位中心的合成孔徑聲納托體速度的估計方法。

拖曳式聲納(穩定性好)的聲納基陣固定在托體平臺上，工作時由拖船拖曳前進。拖拽式聲納的工作模式特征在于：拖船a，絞車b，托體平臺c，聲納基陣d。其中聲納基陣d是由一個發射基元和多個接收基元組成的。

聲納基陣d首先在位置A處發射并接收數據，稱為第n幀數據；然后聲納基陣d勻速運動到位置B發射并接收下一幀數據，稱為第n+1幀數據。其相應的冗余相位中心示意圖如圖2所示。本發明的目的是估計在此期間聲納基陣的運動速度。

若聲納載體的速度測量不準確會直接造成接收信號的起伏，由此形成的相位誤差將給圖像數據引入誤差，引起SAS成像質量的下降，造成圖像的畸變、散焦，以至于不能成像。本發明的關鍵是選取合適的聲納基陣平臺的運動速度，使得相鄰兩幀數據間有一個或一個以上的冗余相位中心。

由SAS方位模糊限制條件可知，聲納基陣在方位向上的速度v限制為：

v≤(G·D/2)·PRF???????????????????????(1)

其中，G為接收基元的個數，D為接收基元的直徑，PRF為發射信號的脈沖頻率。

由公式(1)可知，SAS的成像條件是接收前后兩幀數據時，聲納基陣的運動距離要小于聲納基陣的長度一半。因此，相鄰兩幀間有一個或一個以上的冗余相位中心的條件在SAS基陣正常運行的條件下是可以得到滿足的。

對于前后兩幀的重疊接收基元來講，因為它們對應的方位位置是相同的，則重疊部分陣元的回波信號進行互相關運算，具有最大的互相關系數。

在圖2中，在A處所接收到的數據為第n幀，在B處所接收到的數據為第n+1幀。第n+1幀接收數據中的接收基元20中的數據與第n幀中接收基元4’中的數據相關系數要大于第n+1幀的接收基元20中數據與第n幀中其它接收基元中數據的相關系數。圖2中共有4個冗余相位中心。

本發明是通過對接收基元的數據進行互相關計算，估計合成孔徑聲納成像過程中拖體實時運動速度。為了得到托體的速度，主要采用了如下步驟：

1)、假設當前聲納基陣中的接收基元的總個數為G，其相應的編號以1到G來編號的；各個接收基元接收到的當前第N幀的數據回波信號進行脈沖壓縮、存儲，得數據S_N(N，J)；其中脈沖信號S_N(N，J)為一維向量，N為當前是第幾幀數據，J為接收基元的編號；

2)、取當前幀的最后一個接收基元的脈壓信號S_N(N，G)，按聲納基陣d中的接收基元順序與前一幀脈壓信號進行互相關運算；

3)、根據步驟2)的計算結果，得到最大相關系數時的信號S_N-1(N-1，J)(1≤J≤G)，從而求得前后兩幀的重疊基陣個數m＝J；