[發(fā)明專利]一種多波束合成孔徑聲吶三維成像算法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011301821.0
• 申請日: 2020-11-19
• 公開（公告）號: CN112505710B
• 公開（公告）日: 2023-09-19
• 發(fā)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(quán)）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

本發(fā)明提供一種多波束合成孔徑聲吶三維成像算法，根據(jù)多波束合成孔徑聲吶換能器基陣結(jié)構(gòu)，在航跡向上通過載體的運動，虛擬合成大孔徑基陣，在水平向上利用多接收陣元結(jié)構(gòu)分辨回波到達方位。通過載體的運動，在不同航跡向位置照射探測區(qū)域，對接收到的回波信號進行相干補償累加，能夠獲得航跡?斜距?角度坐標系下的三維聲吶圖像輸出。利用坐標變換，將聲吶圖像轉(zhuǎn)變?yōu)楦子谟^察的水平向?航跡向?深度向坐標系下的三維聲吶圖像。本方法突破了多波束測深聲吶及常規(guī)合成孔徑聲吶的機理限制，在航跡向獲得恒定的成像分辨率，在水平向和深度向平面獲得較高的成像分辨率，實現(xiàn)三維空間內(nèi)的精細化聲吶成像。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種多波束合成孔徑聲吶三維成像算法，屬于聲吶信號處理領(lǐng)域。

背景技術(shù)

對于海洋資源的開發(fā)利用，首要前提就是對水下區(qū)域的地形地貌以及感興趣的特殊目標進行精細化探測，具有探測區(qū)域大、精細化要求高、抗干擾能力強的技術(shù)需求。相對于常規(guī)的光學成像系統(tǒng)，成像聲吶系統(tǒng)可以在水下能見度低、水質(zhì)渾濁的工況條件下進行遠距離探測，應用范圍更加廣泛。成像聲吶技術(shù)經(jīng)過了數(shù)十年的發(fā)展研究，經(jīng)歷了從二維圖像到三維圖像、從單點探測到多點探測、從單一載體到多載體靈活運用、從單頻信號到多頻信號的發(fā)展歷程，逐漸從理論研究走向了工程化應用，并且形成了系列化、差異化的商業(yè)產(chǎn)品體系。目前，市場上常見的成像聲吶主要包括側(cè)掃聲吶、合成孔徑聲吶以及多波束測深聲吶三種。

側(cè)掃聲吶具有基陣結(jié)構(gòu)簡單、成本較低的技術(shù)優(yōu)勢，被廣泛應用于大面積掃海測量領(lǐng)域。其基本工作原理是在拖魚等聲吶載體的兩側(cè)安裝具有一定指向性的換能器基陣，輻射并接收水底返回的回波信號，每次探測形成一條按照時間排列的回波能量線，隨著載體的走航拼接形成航跡向-距離向平面下的二維聲吶圖像。其不足之處主要在于正下方存在探測縫隙、只能夠進行二維聲吶成像并且航跡向成像分辨率隨著作用距離的增大而下降。合成孔徑聲吶基陣結(jié)構(gòu)類似于側(cè)掃聲吶，對航跡向上的多個采樣位置的回波信號進行相干處理，最終在航跡向上獲得與作用距離、探測頻率無關(guān)的成像分辨率。其優(yōu)勢在于可以使用小孔徑基陣，通過載體的運動虛擬合成大孔徑基陣，提升圖像的航跡向分辨率。不足之處在于系統(tǒng)復雜，成本極高，并且依舊存在正下方探測縫隙問題，通常需要搭載多波束聲吶進行補隙。多波束測深聲吶采用沿水平向排列的數(shù)十甚至上百接收陣元，每次探測獲得斜距-角度坐標系下的二維聲吶圖像，經(jīng)載體的走航拼接形成探測區(qū)域的三維全覆蓋聲吶圖像。其優(yōu)勢在于具有較高的深度估計精度，不存在正下方探測縫隙，能夠?qū)崿F(xiàn)全覆蓋測量。不足之處在于其航跡向和水平向成像分辨率會受到波束腳印的限制，隨著探測距離的增大而降低。

多波束合成孔徑聲吶是一種結(jié)合了多波束測深聲吶和側(cè)掃合成孔徑聲吶技術(shù)特點的一種新型成像聲吶，能夠在三維空間獲得較為精細的成像結(jié)果。多波束合成孔徑聲吶的基本工作原理類似于常規(guī)多波束測深聲吶，在水平向上通過多陣元線陣的布置，實現(xiàn)高精度的波達方位估計；在航跡向上通過大間距布陣的方式，增加航跡向空間采樣間隔。本申請?zhí)岢龅亩嗖ㄊ铣煽讖铰晠瘸上袼惴ǖ暮诵乃枷耄窃诤桔E向上通過載體的走航，利用二維面陣的換能器陣列流形虛擬合成大孔徑基陣，從而獲得航跡向的恒定圖像分辨率。在水平向和深度向平面上，利用水平向的多陣元線陣進行波束形成處理，獲得斜距向-角度向坐標系下的聲吶圖像，經(jīng)坐標變換后，最終得到航跡向-水平向-深度向坐標系下的三維聲吶圖像。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是根據(jù)二維多波束合成孔徑聲吶基陣結(jié)構(gòu)，結(jié)合航跡向孔徑合成理論和水平向波束形成方法，提出一種多波束合成孔徑聲吶三維成像算法，提升聲吶的三維目標探測精細化程度。

本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：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(zhuǎn)變?yōu)榻馕鲂盘枺鶕?jù)發(fā)射信號參數(shù)對接收信號進行帶通濾波；

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