[發(fā)明專利]基于分布式多輸入-多輸出聲納的水下目標(biāo)逆散射成像方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010300486.6
• 申請日: 2020-04-16
• 公開（公告）號: CN111427045B
• 公開（公告）日: 2022-04-19
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 潘翔;姜景寧;沈一寧;章杰;樓晨露
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江大學(xué)
• 主分類號: G01S15/89
• 分類號: G01S15/89;G01S7/539;G06F17/14
• 代理公司: 杭州求是專利事務(wù)所有限公司 33200
• 代理人: 傅朝棟;張法高

1.一種基于分布式多輸入-多輸出聲納的水下目標(biāo)逆散射成像方法，其特征在于，步驟如下：

步驟1：使用多個不同位置的聲源發(fā)射波形，由接收節(jié)點的水平接收線陣接收經(jīng)過目標(biāo)反射后的回波；

步驟2：對回波進(jìn)行匹配濾波得到輸出信號，再進(jìn)行常規(guī)波束形成輸出；

步驟3：在對輸出結(jié)果進(jìn)行解卷積運算，提高角度分辨率；

步驟4：綜合多個接收節(jié)點的數(shù)據(jù)，定位得到目標(biāo)位置，并得到目標(biāo)回波；根據(jù)聲源節(jié)點和接收節(jié)點相對位置，將回波信號進(jìn)行信道解卷分析；使用時域逆散射成像算法最終得到成像結(jié)果；

所述步驟2具體包括以下子步驟：

步驟2-1：使用時域匹配濾波器r(t)，對包含M個陣元的水平線陣接收信號x(t)＝[x₁(t),x₂(t),…,x_M(t)]^T進(jìn)行匹配濾波處理，其中(·)^T表示轉(zhuǎn)置，x_j(t)表示第j個陣元在t時刻的水平線陣接收信號；x(t)經(jīng)過時域匹配濾波處理后得到輸出信號y(t)＝r(t)*x(t)；y(t)＝[y₁(t),y₂(t),…,y_M(t)]^T，*代表卷積運算；

步驟2-2：將信號y(t)劃分成L段數(shù)據(jù)，相鄰兩段數(shù)據(jù)之間有50％重疊，每段數(shù)據(jù)為M×N大小的矩陣，N為各通道數(shù)據(jù)點數(shù)；對第l段數(shù)據(jù)y(l)中第m通道的數(shù)據(jù)y_m(t,l)進(jìn)行快速傅里葉變換，計算其對應(yīng)的頻域信號Y_m(f,l)的公式如下：

其中：f表示第f個歸一化頻點；

由此，第l段信號數(shù)據(jù)y(l)對應(yīng)的頻域信號為Y(f,l)＝[Y₁(f,l),Y₂(f,l),…,Y_M(f,l)]^T；

步驟2-3：定義在歸一化頻點f處的常規(guī)波束形成器c(f,sinφ)＝[0,e^{-j2πfdsinφ/c},…,e^{-j2πf(M-1)dsinφ/c}]^T，其中d是陣元間距，φ是波束形成方向，c是水體聲速，計算常規(guī)波束形成輸出Y_C(f,sinφ,l)，公式如下：

Y_C(f,sinφ,l)＝c^H(f,sinφ)Y(f,l)

其中(·)^H表示共軛轉(zhuǎn)置；

所述步驟3具體包括以下子步驟：

對每個頻點f，按照下式構(gòu)建對應(yīng)的波束模式響應(yīng)B(f,sinφ)，

B(f,sinφ)＝c^H(f,sinφ)c(f,sinφ)

對常規(guī)波束形成輸出結(jié)果，在sinφ域上迭代進(jìn)行解卷積運算，公式如下：

其中：Y_D⁽ⁱ⁾(f,sinφ,l)是經(jīng)過第i次迭代后解卷積波束形成輸出結(jié)果，其初始值Y_D⁽⁰⁾(f,sinφ,l)＝Y(jié)_C(f,sinφ,l)；當(dāng)經(jīng)過i次迭代后，滿足迭代終止條件，則停止迭代計算，并輸出結(jié)果Y_D(f,sinφ,l)；

所述步驟4具體包括以下子步驟：

步驟4-1：結(jié)合波束形成的測向結(jié)果、測量得到的海洋參數(shù)信息以及聲傳播模型，計算疑似目標(biāo)所在區(qū)域內(nèi)一點r′＝(r,φ)與聲源和接收陣間的信道傳播響應(yīng)d(r′,f,l)，并按照下式分布式定位算法，得到目標(biāo)位置的極大似然估計結(jié)果：

其中：||·||₂表示二范數(shù)；

步驟4-2：根據(jù)分布式定位結(jié)果計算波束形成結(jié)果P(f,l)：

其中：是波束形成方向的估計值；

對P(f,l)進(jìn)行逆快速傅里葉變換和時域信號合成得到期望目標(biāo)回波向量p(t)；

步驟4-3：使用稀疏重構(gòu)算法求p(t)中各個多徑的時延τ_k和分量p_k(t)；根據(jù)測量得到的聲速c，計算第k號模對應(yīng)的群速度c_gk，計算信道補(bǔ)償解卷后的信號：

p'(t)＝∑p_k(ct/c_gk)

步驟4-4：使用時域逆散射成像算法最終得到成像結(jié)果，逆散射成像算法的公式如下：

其中r′是成像區(qū)域內(nèi)的點，I(r′)是最終成像結(jié)果；r_s是聲源位置，r是接收陣的位置，Ω_inc和Ω_sct分別是所有可用的聲源位置和接收陣位置；δ(·)是沖擊響應(yīng)函數(shù)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于分布式多輸入-多輸出聲納的水下目標(biāo)逆散射成像方法，其特征在于，所述步驟3中，所述迭代終止條件為：二范數(shù)的平方小于門限值，或當(dāng)前迭代次數(shù)已達(dá)到最大迭代次數(shù)。