[發明專利]一種異構環境下多子陣SAS子孔徑成像方法

有效

• 申請號: 201811353755.4
• 申請日: 2018-11-14
• 公開（公告）號: CN109444901B
• 公開（公告）日: 2021-02-26
• 發明（設計）人: 張福洪;江靜;易志強;陸宇斌;班多興;賀杰
• 申請（專利權）人: 杭州電子科技大學
• 主分類號: G01S15/89
• 分類號: G01S15/89
• 代理公司: 杭州君度專利代理事務所(特殊普通合伙) 33240
• 代理人: 朱月芬

本發明公開了一種異構環境下多子陣SAS子孔徑成像方法，首先將整個合成孔徑過程分段，其次成像方法選用時域延時求和方法，并結合CPU+GPU異構協同處理平臺實時成像。各子孔徑的數據可以并行處理，這種結構很適合并行處理機實現，在日后的后續發展中也可以有效地嵌入到基于FPGA+DSP的SAS系統成像方法中，大大提高了運算效率。

技術領域

本發明屬于合成孔徑聲吶技術領域，是針對多子陣成像方法的研究，具體涉及一種基于CPU-GPU異構環境下多子陣SAS子孔徑成像方法。

技術背景

合成孔徑聲吶(SAS)是一種二維成像聲吶,利用小孔徑物理基陣虛擬合成大孔徑基陣來提高方位向分辨率，它的成像分辨率與成像距離和工作頻率無關，只與孔徑尺寸有關，因此可以大幅度提高對水下遠距離小目標的探測能力。合成孔徑成像方法可以分為逐點成像方法和逐線成像方法兩大類，逐點成像方法中最基本的方法是時域延時求和方法，逐線成像方法有：距離-多普勒方法、Chirp-Scaling方法、波數域方法。近年來工程上應用較多的是時域延時求和方法。時域延時求和方法具有物理意義明確，數學模型簡單，運動補償直接方便，便于多接收陣成像，對斜視寬容性好等特點，但是其計算量較大，不利于數據的成批處理，實時性較差。再加上運動補償對成像復雜度的影響，因此如何解決計算繁瑣的問題是時域延時方法研究的重點之一。子孔徑成像技術是將子孔徑視為一組新的天線陣元，即每個子孔徑均等效為一個單獨的天線陣元或天線相位中心。整個合成孔徑過程相當于子孔徑等效天線在一系列由子孔徑中心決定的位置處收發一次等效脈沖，而收到的等效脈沖回波就是由所照射的子圖像區域后向散射信號相參疊加的結果。這項技術源于合成孔徑雷達成像領域，目的是縮短總的運行時間，節約大量的存儲空間，并且有利于運動補償和自聚焦處理。目前主要的子孔徑成像方法有OSA方法、RTS方法以及PSAP方法等。將子孔徑方法的基本思想引入到合成孔徑聲吶考慮到實時成像時，運算量較大，光靠CPU實現實時成像較為困難。近些年GPU(圖形處理單元)崛起，GPU強大的并行處理能力為大規模數據處理提供了一個理想的處理平臺。結合CPU和GPU的特點，利用基于CPU-GPU的異構協同處理平臺來加速圖像處理，再結合子孔徑架構的時域延時求和方法，將子孔徑的劃分和合并交由CPU負責，距離向方位向處理交由GPU負責，可以取得良好的成像效果和加速比。

發明內容

針對現有技術的不足或改進需求，本發明將子孔徑結構引入到合成孔徑聲吶中，提出基于異構環境下多子陣SAS子孔徑成像方法，在日后湖試中，能夠實時處理接收到的大量數據，快速成像。

為實現上述目的，按照本發明，首先將整個合成孔徑過程分段，其次成像方法選用時域延時求和方法，并結合CPU+GPU異構協同處理平臺實時成像。各子孔徑的數據可以并行處理，這種結構很適合并行處理機實現，在日后的后續發展中也可以有效地嵌入到基于FPGA+DSP的SAS系統成像方法中，大大提高了運算效率。

基于CPU-GPU異構環境下多子陣SAS子孔徑方法，該方法成像過程具體包括以下步驟：

步驟1)SAS原始回波信號的采集

聲吶發射機周期性發射線性調頻信號，接收機實時采集當前接收到的原始回波信號；

步驟2)方位向子孔徑的劃分

子孔徑長度的選擇要達到分辨率的要求，選擇方式參照公式其中L為子孔徑長度，R_B為場景中心距離，ρ_a為方位分辨率。

步驟3)脈沖壓縮

對原始回波信號進行距離向脈沖壓縮，先將原始回波信號和匹配函數經過FFT變換到頻域，再將兩者相乘的結果經過IFFT得到壓縮好的脈沖信號；提高距離向分辨率；

步驟4)運動補償

對于多子陣SAS，做等效相位中心近似和‘停-走-?！僭O；需要補償實際航跡與理想航跡帶來的誤差；