[發明專利]一種多波束合成孔徑聲吶三維成像算法

有效

• 申請號: 202011301821.0
• 申請日: 2020-11-19
• 公開（公告）號: CN112505710B
• 公開（公告）日: 2023-09-19
• 發明（設計）人: 魏波;李海森;周天;徐超;朱建軍;陳寶偉;邢天耀
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: G01S15/89
• 分類號: G01S15/89;G01S7/539
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種多波束合成孔徑聲吶三維成像算法，其特征在于：步驟如下：

步驟一：對接收到的陣列信號進行正交變換，將實信號轉變為解析信號，根據發射信號參數對接收信號進行帶通濾波；

換能器陣元接收到的時域信號為實信號，需要將其轉變為解析信號才能夠進行相移處理，因此在聲吶系統中采用正交變換得到信號的解析形式，如下式所示：

其中，s_i(n)為第n個采樣時刻i陣元接收到的回波信號，f₀為信號頻率，f_s為采樣率；

步驟二：利用發射參考信號對解析信號進行匹配濾波處理，實現對線性調頻信號的脈沖壓縮過程，修正卷積處理帶來的信號時延；

聲吶系統采用線性調頻信號作為探測信號，發射信號為s(t)的復信號形式為：

其中：T為發射信號脈寬，k為調制斜率；

匹配濾波器輸出為：

其中：s_R(t)為接收信號，h(t)為參考信號；

步驟三：對脈沖壓縮后的信號進行航跡向孔徑合成處理，將處于相同水平向位置處的接收子陣虛擬合成沿航跡向的大孔徑接收基陣，獲得多幅航跡向-斜距向坐標系下的二維聲吶復圖像，此時基陣形式等效于在航跡向上具有虛擬大孔徑的水平向均勻直線陣；

假設二維面陣的航跡向陣元數目為N_y，水平線陣元數目為N_x，成像結果需要在水平向上形成M個波束；將處于相同水平向位置的N_y個陣元進行合成孔徑算法處理，得到1個虛擬孔徑的陣元；對所有水平位置的N_x個陣元進行遍歷后，即可得到一條在航跡向上具有虛擬大孔徑的N_x元線陣，同時也得到了N_x幅合成孔徑聲吶圖像；在航跡向-距離向(y-r)坐標系下的成像結果如下所示：

其中：B為信號帶寬，c為水中聲速，Γ為虛擬合成孔徑尺度，λ為信號波長，v為載體運動速度，n為陣元序號；

步驟四：對獲得的虛擬大孔徑水平線陣進行水平向波束形成處理，對不同航跡向位置處的二維復圖像進行相干累加，得到航跡向-斜距向-角度向坐標系下的三維聲吶圖像；

對已獲得的二維聲吶復圖像再進行波束形成處理，區分同一航跡向位置處回波的到達方位；在步驟三得到的復圖像基礎上，對獲得的在航跡向上具有虛擬孔徑的均勻線陣進行波束形成算法處理，實現三維空間的聲吶成像：

其中，θ為波束掃描角度，θ_T為目標所在方位，d_x為水平向陣元間距；

步驟五：對航跡向-斜距向-角度向坐標系下的三維聲吶圖像進行坐標變換，獲得更易直接觀察的水平向-航跡向-深度向聲吶圖像。

2.根據權利要求1所述的一種多波束合成孔徑聲吶三維成像算法，其特征在于：步驟五具體為：對獲得的三維聲吶圖像I_MBSAS(y,r,θ)進行坐標變換，將航跡向-斜距向-角度向圖像轉化為更易觀察的水平向-航跡向-深度向圖像I_MBSAS(x,y,z)；

x＝rsinθ

y＝rcosθ。