專利名稱：一種水下高分辨率側(cè)視聲學(xué)成像系統(tǒng)與方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及水下聲學(xué)成像領(lǐng)域，特別涉及一種水下高分辨率側(cè)視聲學(xué)成像系統(tǒng)與方法。

背景技術(shù)：
由于聲波在水中的傳播損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光和電磁波，因此采用聲波是水下環(huán)境探測的主要手段。分辨率是水下聲學(xué)成像設(shè)備的重要考核指標(biāo)。對于傳統(tǒng)側(cè)掃聲納來說，距離向分辨率可以通過采用寬帶信號獲得，而方位向分辨率與聲學(xué)換能器陣的長度、聲信號頻率以及目標(biāo)距離等因素有關(guān)。聲學(xué)換能器的長度越長，方位向分辨率越高；成像目標(biāo)距離越遠(yuǎn)，方位向分辨率越低；采用的聲信號頻率越高，方位向分辨率越高。而采用了合成孔徑技術(shù)的水下側(cè)視聲學(xué)成像設(shè)備的理論分辨率與信號頻率和成像目標(biāo)距離無關(guān)，具有非常明顯的技術(shù)優(yōu)勢。為了提高測繪效率，合成孔徑技術(shù)應(yīng)用于水下高分辨率聲學(xué)成像時采用多子陣配置，即一個發(fā)射陣和多個接收子陣的配置模式。這種配置模式的缺點是為了滿足方位向的采樣率，聲納基陣的移動速度受多子陣長度的限制。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，為了克服聲納基陣的移動速度受多子陣長度的限制，以及成像系統(tǒng)的測繪效率不高等現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種水下高分辨率側(cè)視聲學(xué)成像系統(tǒng)與方法。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的一種水下高分辨率側(cè)視聲學(xué)成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含 發(fā)射陣，用于發(fā)射指定的聲波信號； 接收陣，為由多個接收換能器組成的多個接收子陣，用于接收水下聲波信號； 接收機，該接收機包含信號調(diào)理和采集功能模塊，用于對水下聲波信號進行濾波、放大等于處理，并將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號； 數(shù)據(jù)傳輸模塊，用于將數(shù)據(jù)接收和采集模塊獲得的聲信號傳輸給數(shù)據(jù)處理模塊進行處理； 數(shù)據(jù)處理模塊，對數(shù)據(jù)傳輸模塊傳輸?shù)乃侣曅盘栠M行存儲和成像處理，得到最終的水下目標(biāo)高分辨率聲學(xué)成像；其中該模塊還包含數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊、存儲模塊、圖像重建模塊、運動誤差估計與補償處理模塊和圖像顯示模塊；數(shù)據(jù)處理模塊包含數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊，數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊對數(shù)據(jù)傳輸模塊傳輸?shù)乃侣曅盘栠M行預(yù)處理，預(yù)處理的可以包含降噪、子陣數(shù)據(jù)整理等操作。
其特征在于，所述的發(fā)射陣為兩個發(fā)射陣組成的發(fā)射陣組，用于發(fā)射頻帶不同的聲學(xué)信號，每個發(fā)射陣分別由一個發(fā)射機驅(qū)動。
所述的兩組聲納發(fā)射換能器布置在多子陣模塊組成的接收陣的兩端，用于發(fā)射兩組頻帶不同的聲學(xué)信號，其中兩組聲納發(fā)射換能器布置在多子陣模塊的兩端，這兩組聲納發(fā)射換能器可以發(fā)射兩組頻帶不同的聲學(xué)信號，這兩組聲納發(fā)射換能器通過發(fā)射機模塊同步發(fā)射水下聲波信號。發(fā)射機模塊需要同時驅(qū)動兩組聲納發(fā)射換能器，與發(fā)射陣連接后，發(fā)射機的設(shè)計需要考慮系統(tǒng)總體設(shè)計的要求，比如發(fā)射陣的種類，發(fā)射聲源級大小等因素。另外，為了保證發(fā)射換能器同時發(fā)射聲信號，發(fā)射機模塊驅(qū)動聲納發(fā)射換能器時應(yīng)當(dāng)具備同步功能。
所述的組成多子陣模塊的多個接收子陣滿足相位和幅度一致性的要求，避免因為各個接收子陣的性能不一致對成像結(jié)果造成影響；如果多個接收子陣的相位一致性存在差異，應(yīng)當(dāng)通過適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM行標(biāo)定并在數(shù)據(jù)處理模塊進行補償。
所述的運動誤差估計與補償處理，用于估計聲納基陣的運動誤差并進行補償； 所述的水下高分辨率側(cè)視聲學(xué)成像系統(tǒng)還包含一圖像重建模塊，用于對水下聲學(xué)信號進行處理并最終生成水下目標(biāo)的聲學(xué)圖像。
其中信號調(diào)理和采集模塊主要完成多子陣接收水下聲學(xué)信號的濾波、放大以及采集等功能，將水下聲學(xué)信號從模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，以便于數(shù)據(jù)傳輸和應(yīng)用數(shù)字信號處理算法。
其中數(shù)據(jù)傳輸模塊在不同的應(yīng)用環(huán)境中具有不同的特征，比如應(yīng)用在拖曳式系統(tǒng)中，由接收和采集模塊獲取的聲信號數(shù)據(jù)一般需要通過拖纜傳輸?shù)侥复M行處理，如果采用千兆以太網(wǎng)進行傳輸，此時數(shù)據(jù)傳輸模塊需要包括千兆以太網(wǎng)交換機、光纜等；如果應(yīng)用在自主航行體上，接收和采集模塊以及數(shù)據(jù)處理模塊一般同時安裝在自主航行體中，此時數(shù)據(jù)傳輸一般通過總線(如CPCI)進行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸模塊此時可以相對簡化。
其中數(shù)據(jù)處理模塊主要包括數(shù)據(jù)存儲，運動誤差估計與補償處理，圖像重建處理等處理模塊，其中運動誤差估及與補償處理用于估計聲納基陣的運動誤差并進行補償，圖像重建處理用于對水下聲學(xué)信號進行處理并最終生成水下目標(biāo)的聲學(xué)圖像。
本發(fā)明還提出一種針對該系統(tǒng)的一種水下高分辨率側(cè)視聲學(xué)成像方法，該方法用由兩個發(fā)射陣組成的發(fā)射陣組實現(xiàn)，所述的方法包含如下步驟 1)在一個發(fā)射周期內(nèi)，發(fā)射陣組的第一發(fā)射陣1和第二發(fā)射陣2同時發(fā)射兩種頻帶不同的水下聲信號或信號形式不同的水聲信號； 所述的水下聲信號應(yīng)當(dāng)滿足以下兩個條件中的一個 11)f1+B/2＜f2-B/2，f1＜f2； 21)可以采用信號處理方法區(qū)分兩個聲納發(fā)射陣發(fā)射的信號(如采用正交編碼的兩組信號)； 2)接收陣接收發(fā)射陣組發(fā)射的水下聲信號的回波信號，并對回波信號進行處理去除兩組不同回波信號載頻，得到兩組不同的基帶信號； 3)計算第一發(fā)射陣1和第二發(fā)射陣2的等效相位中心在隨陣坐標(biāo)系中位置； 4)利用第一發(fā)射陣1和第二發(fā)射陣2的目標(biāo)回波信號估計聲納基陣的運動誤差，根據(jù)得到的運動誤差并結(jié)合第一發(fā)射陣1和第二發(fā)射陣2的等效相位中心在隨陣坐標(biāo)系中位置得到補償后的目標(biāo)回波信號； 5)對補償后的目標(biāo)回波信號進行脈沖壓縮； 6)利用脈沖壓縮的目標(biāo)回波信號進行成像。
上述方法的步驟2)所述的將回波信號1sni和2sni變?yōu)榛鶐盘柕奶幚矸椒ú襟E如下 2-1)對濾波得到的兩個回波信號進行傅立葉變換，得到其頻域表示1Fni和2Fni； 2-2)對于1Fni，根據(jù)其中心頻率f1的位置和帶寬B對其進行頻譜搬移，將f1搬移為零頻，經(jīng)過頻譜搬移后得到信號 1Gni(f)＝Fni(f+f1)W(f) 其中W(f)為窗函數(shù)； 2-3)對于2Fni，根據(jù)其中心頻率f2的位置和帶寬B對其進行頻譜搬移，將f2搬移為零頻，經(jīng)過頻譜搬移后得到信號 2Gni(f)＝Fni(f+f2)W(f) 2-4)對1Gni(f)和2Gni(f)進行傅立葉逆變換，得到基帶信號1gni和2gni。
作為本發(fā)明的一個改進，上述方法的步驟4)所述的估計聲納基陣運動誤差和補償?shù)姆椒ò缦虏襟E 4-1)第n屏?xí)r第二發(fā)射陣2對應(yīng)的第i個等效相位中心位置為2xci(n)； 4-2)根據(jù)合成孔徑聲納基陣的運動速度計算第n+1屏?xí)r第二發(fā)射陣2對應(yīng)的第i個等效相位中心位置為 2xci(n+1)＝2xci(n)+v×prt 4-3)找到第n+1屏第二發(fā)射陣2和第n屏第一發(fā)射陣1所有重疊的等效相位中心； 4-4)根據(jù)找到的所有的重疊等效相位中心估計運動誤差，步驟如下； 前后兩屏重疊的兩個等效相位中心對分別為第n屏的k，l和第n+1屏的i，j； 首先通過1gnk與2gn+1，i，1gnl與2gn+1，j進行互相關(guān)可以得到互相關(guān)函數(shù)cki(p)和clj(p)；然后通過尋找互相關(guān)函數(shù)的峰值可以得到cki和clj的最大值的位置pki和plj，信號1gnk與2gn+1，i的長度均等于采樣點數(shù)NR，采樣率為fs，聲速為C，則等效相位中心k，i、等效相位中心l，j之間的運動誤差分別為 則根據(jù)Δxki和Δxlj可以估算出前后兩屏合成孔徑聲納基陣之間的位置關(guān)系， 其中，

聲納基陣的方向矢量；O′表示聲納基陣的隨陣坐標(biāo)系原點坐標(biāo)；

表示位置矢量；n和n+1表示乒索引；i，j，k，l表示等效相位中心索引； 4-5)根據(jù)上述估計運動誤差對基帶目標(biāo)回波信號進行補償。
其中，步驟4-3)所述的找到所有重疊的等效相位中心，具體步驟為尋找第n+1屏?xí)r算二發(fā)射陣2對應(yīng)的各個等效相位中心位置2xci(n+1)與第n屏第一發(fā)射陣1對應(yīng)的第一個等效相位中心位置1xc1(n)最接近的一個，如果

與1xc1(n)位置最接近，則第n+1屏第二發(fā)射陣2對應(yīng)的等效相位中心imin與第n屏第一發(fā)射陣1對應(yīng)的第一個等效相位中心重疊，采用同樣的方法找到第n+1屏和第n屏所有重疊的等效相位中心。
上述方法的步驟7)所述的成像采用如下公式實現(xiàn) 脈沖壓縮后得到的第i個等效相位中心對應(yīng)的信號為bni，第i個等效相位中心對應(yīng)的位置為(xci，yci)，xci＝0，成像像素的位置為(xti，yti)，則此像素點的成像結(jié)果為 其中，N表示所有可以照射到目標(biāo)點(xti，yti)的合成孔徑聲納屏的總數(shù)，M表示每屏可用于成像的等效相位中心個數(shù)。
本發(fā)明的優(yōu)點在于，降低聲納基陣多子陣長度對于其移動速度的限制，提高成像系統(tǒng)的測繪效率。



圖1是本發(fā)明的一種水下高分辨率側(cè)視聲學(xué)成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖； 圖2是本發(fā)明的發(fā)射陣、接收陣以及等效相位中心的位置； 圖3是本發(fā)明的等效相位中心重疊及其與聲納基陣前進方向速度的關(guān)系； 圖4是本發(fā)明的重疊相位中心和運動誤差估計； 圖5是本發(fā)明的合成孔徑聲納時域成像示意圖； 圖6是本發(fā)明的處理方法的步驟流程圖。

具體實施例方式 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的一種水下高分辨率側(cè)視聲學(xué)成像系統(tǒng)與方法進行詳細(xì)說明。
具體實施方式
以分別為中心頻率為f1和f2，帶寬為B的側(cè)視合成孔徑聲納系統(tǒng)為例。系統(tǒng)工作過程說明如下。為了使描述清晰，本實施例描述過程中注重本專利實施的過程，本實施例中數(shù)字信號處理算法的效率可以通過多種方式進行提高。為了便于說明，本實施例中第一發(fā)射陣1和第二發(fā)射陣2采用的頻帶不同的兩組聲信號。在世紀(jì)應(yīng)用中，第一發(fā)射陣1和第二發(fā)射陣2可以采用兩組編碼形式不同的信號(如采用正交編碼的兩組信號)。
(1)發(fā)射聲信號 水下高分辨率側(cè)視聲學(xué)成像系統(tǒng)工作時采用周期發(fā)射的方式，發(fā)射周期為prt。在一個發(fā)射周期內(nèi)，第一發(fā)射陣1和第二發(fā)射陣2同時發(fā)射聲信號(為了便于說明，本實施例采用線性調(diào)頻信號)，第一發(fā)射陣1和第二發(fā)射陣2發(fā)射聲信號的脈沖寬度相同。第一發(fā)射陣1發(fā)射的聲信號參數(shù)為中心頻率f1，帶寬B，脈沖寬度dur，第二發(fā)射陣2發(fā)射的聲信號參數(shù)為中心頻率f2，帶寬B，脈沖寬度dur。第一發(fā)射陣1和第二發(fā)射陣2發(fā)射的聲信號滿足條件f1+B/2＜f2-B/2，f1＜f2；兩個聲納發(fā)射陣發(fā)射頻帶不同的信號p1和p2；p1和p2也可以處在同一帶寬內(nèi)，但可以采用不同的編碼方式。
(2)接收聲信號 目標(biāo)或者水底的回波信號經(jīng)過接收換能器轉(zhuǎn)換為電信號，接收換能器的子陣個數(shù)為N，各個接收子陣接收到的目標(biāo)回波信號采用eni表示，其中n表示當(dāng)前工作在第n個周期，i表示當(dāng)前第i個接收子陣的回波信號。
接收子陣接收到的目標(biāo)回波信號同時包含了第一發(fā)射陣1發(fā)射的聲信號的回波和第二發(fā)射陣2發(fā)射的聲信號的回波，由于第一發(fā)射陣1發(fā)射的聲信號和發(fā)射陣發(fā)射的聲信號的中心頻率和帶寬不同，在本實施例中通過合理設(shè)計數(shù)據(jù)接收模塊的濾波器將第一發(fā)射陣1和第二發(fā)射陣2發(fā)射信號的回波分離。假設(shè)經(jīng)過濾波分離后第一發(fā)射陣1發(fā)射信號的目標(biāo)回波為1sni，第二發(fā)射陣2發(fā)射信號的目標(biāo)回波為2sni。
(3)對回波信號1sni和2sni進行去載頻處理，將1sni和2sni變?yōu)榛鶐盘枴?br> 將回波信號1sni和2sni變?yōu)榛鶐盘柕奶幚矸绞接泻芏喾N。
一種方式是經(jīng)過數(shù)據(jù)接收模塊之后，數(shù)字采集之前通過正交解調(diào)的方式將其變?yōu)榛鶐盘?。另外一種方式是數(shù)字采集之后，對回波信號1sni和2sni進行去載頻處理。除此之外，還有其他的處理方式。本實施例通過數(shù)字信號處理的手段對回波信號1sni和2sni進行去載頻處理。實施步驟如下 (a)對回波信號1sni和2sni進行傅立葉變換，得到其頻域表示1Fni和2Fni； (b)對于1Fni，根據(jù)其中心頻率f1的位置和帶寬B對其進行頻譜搬移，將f1搬移為零頻，經(jīng)過頻譜搬移后得到信號 1Gni(f)＝Fni(f+f1)W(f) 其中W(f)為窗函數(shù)，窗函數(shù)的選取可以由多種方式，這里選取最簡單的矩形窗， 即 (c)對于2Fni，根據(jù)其中心頻率f2的位置和帶寬B對其進行頻譜搬移，將f2搬移為零頻，經(jīng)過頻譜搬移后得到信號 2Gni(f)＝Fni(f+f2)W(f) (d)對1Gni(f)和2Gni(f)進行傅立葉逆變換，得到基帶信號1gni和2gni。
(4)計算第一發(fā)射陣1和第二發(fā)射陣2的等效相位中心在隨陣坐標(biāo)系中位置 根據(jù)系統(tǒng)安裝以及配置可以得知第一發(fā)射陣1位置

第二發(fā)射陣

以及各接收子陣的位置

由此可以計算得出第一發(fā)射陣1對應(yīng)的第i個等效相位中心的位置為 以及由第二發(fā)射陣2對應(yīng)的第i個等效相位中心位置為 (5)利用第一發(fā)射陣1和第二發(fā)射陣2的目標(biāo)回波信號估計聲納基陣的運動誤差，并得到補償后的信號。
通過圖3可知，如果聲納基陣前進方向的速度v控制在一定的范圍內(nèi)，第n屏的第一發(fā)射陣1對應(yīng)的等效相位中心和與第n+1屏第二發(fā)射陣2對應(yīng)的重疊等效相位中心存在重疊。這里假設(shè)前進方向的速度為v，如果我們統(tǒng)稱第一發(fā)射陣1和第二發(fā)射陣2對應(yīng)的等效相位中心均為等效相位中心的話，如果滿足條件 v×prt+2xcN≤1xc1 則第n屏的等效相位中心與第n+1屏的等效相位中心存在重疊的等效相位中心對。在圖4中繪制了重疊的等效相位中心對的示意圖。根據(jù)重疊等效相位中心對估計聲納基陣運動誤差的方法如下 (a)設(shè)第n屏?xí)r第二發(fā)射陣2對應(yīng)的第i個等效相位中心位置為2xci(n) (b)根據(jù)合成孔徑聲納基陣的運動速度(通過其他傳感器如ADL或者其他估計方法得到)計算第n+1屏?xí)r第二發(fā)射陣2對應(yīng)的第i個等效相位中心位置為 2xci(n+1)＝2xci(n)+v×prt (c)尋找第n+1屏?xí)r第二發(fā)射陣2對應(yīng)的各個等效相位中心位置2xci(n+1)與第n屏第一發(fā)射陣1對應(yīng)的第一個等效相位中心位置1xc1(n)最接近的一個，假設(shè)

與1xc1(n)位置最接近，則第n+1屏第二發(fā)射陣2對應(yīng)的等效相位中心imin與第n屏第一發(fā)射陣1對應(yīng)的第一個等效相位中心重疊。采用同樣的方法可以找到第n+1屏和第n屏所有重疊的等效相位中心； (d)根據(jù)重疊等效相位中心估計運動誤差 理論上，利用兩個重疊等效相位中心便可以估計。為了描述方便，這里不再區(qū)分第一發(fā)射陣1和第二發(fā)射陣2對應(yīng)的等效相位中心，下文統(tǒng)稱為等效相位中心。
假設(shè)前后兩屏重疊的兩個等效相位中心對分別為第n屏的k，l和第n+1屏的i，j。
首先通過1gnk與2gn+1，i，1gnl與2gn+1，j進行互相關(guān)可以得到互相關(guān)函數(shù)cki(p)和clj(p)；然后通過尋找互相關(guān)函數(shù)的峰值可以得到cki和clj的最大值的位置pki和plj，這里假設(shè)信號1gnk與2gn+1，i的長度均等于采樣點數(shù)NR，采樣率為fs，聲速為C，則等效相位中心k，i、等效相位中心l，j之間的運動誤差分別為 則根據(jù)Δxki和Δxlj可以估算出前后兩屏合成孔徑聲納基陣之間的位置關(guān)系。
其中

聲納基陣的方向矢量 O′表示聲納基陣的隨陣坐標(biāo)系原點坐標(biāo)

表示位置矢量 n和n+1表示乒索引 i，j，k，l表示等效相位中心索引 當(dāng)前后兩屏存在多個重疊等效相位中心的時候，可以通過平均或者其他方法使聲納基陣運動誤差的估計精度更加精確。
(e)根據(jù)上述估計結(jié)果對信號1gni和2gni進行補償 假設(shè)聲納基陣第i個等效相位中心的位置為

假設(shè)理想運動軌跡為y軸，則可以計算出其偏離理想運動軌跡的采樣點數(shù)為 假設(shè)待補償?shù)男盘枮?gni(i)，目標(biāo)在聲納基陣前進方向右側(cè)，則補償后的信號應(yīng)當(dāng)為2gni(i-Δi)，根據(jù)相同的方法對第n+1屏聲納基陣各等效相位中心對應(yīng)的數(shù)據(jù)進行補償。
(6)對信號進行脈沖壓縮 假設(shè)1gni和2gni對應(yīng)運動誤差補償后的信號分別為1hni和2hni，下文中為了描述方便統(tǒng)一不再區(qū)分第一發(fā)射陣1和第二發(fā)射陣2對應(yīng)的回波信號，統(tǒng)一采用hni表示。假設(shè)hni對應(yīng)的發(fā)射信號為p(k)，則脈沖壓縮可以通過下述方法完成 bni＝IFFT[FFT(hni)×conj[FFT(p)]] 其中FFT和IFFT分別表示傅立葉變換和逆傅立葉變換操作，conj表示共軛操作。
(7)利用信號進行成像，這里采用時域成像算法。
假設(shè)脈沖壓縮后得到的第i個等效相位中心對應(yīng)的信號為bni，第i個等效相位中心對應(yīng)的位置為(xci，yci)，由于已經(jīng)經(jīng)過運動誤差補償，xci＝0，為了描述的統(tǒng)一性，下文仍然使用xci的標(biāo)志。假設(shè)成像像素的位置為(xti，yti)，則此像素點的成像結(jié)果為 其中N表示所有可以照射到目標(biāo)點(xti，yti)的合成孔徑聲納屏的總數(shù)，M表示每屏可用于成像的等效相位中心個數(shù)。
最后所應(yīng)說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制。盡管參照實施例對本發(fā)明進行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對本發(fā)明的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.一種水下高分辨率側(cè)視聲學(xué)成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含
發(fā)射陣，用于發(fā)射指定的聲波信號；
接收陣，為由多個接收換能器組成的多個接收子陣，用于接收水下聲波信號；
接收機，該接收機包含信號調(diào)理和采集功能模塊，用于對水下聲波信號進行濾波、放大等于處理，并將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；
數(shù)據(jù)傳輸模塊，用于將數(shù)據(jù)接收和采集模塊獲得的聲信號傳輸給數(shù)據(jù)處理模塊進行處理；
數(shù)據(jù)處理模塊，對數(shù)據(jù)傳輸模塊傳輸?shù)乃侣曅盘栠M行存儲和成像處理，得到最終的水下目標(biāo)高分辨率聲學(xué)成像；其中該數(shù)據(jù)處理模塊還包含數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊、存儲模塊、圖像重建模塊、運動誤差估計與補償處理模塊和圖像顯示模塊；
其特征在于，所述的發(fā)射陣為兩個發(fā)射陣組成的發(fā)射陣組，用于發(fā)射頻帶不同的聲學(xué)信號，每個發(fā)射陣分別由一個發(fā)射機驅(qū)動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下高分辨率側(cè)視聲學(xué)成像系統(tǒng)，其特征在于，所述的兩個發(fā)射陣分別布置在接收陣的兩端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下高分辨率側(cè)視聲學(xué)成像系統(tǒng)，其特征在于，所述的多個接收子陣滿足相位一致性要求。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下高分辨率側(cè)視聲學(xué)成像系統(tǒng)，其特征在于，所述的成像系統(tǒng)還包含一圖像重建模塊。
5.一種水下高分辨率側(cè)視聲學(xué)成像方法，該方法用由兩個發(fā)射陣組成的發(fā)射陣組實現(xiàn)，所述的方法包含如下步驟
1)在一個發(fā)射周期內(nèi)，發(fā)射陣組的第一發(fā)射陣1和第二發(fā)射陣2同時發(fā)射兩種頻帶不同的水下聲信號或信號形式不同的水聲信號；
所述的水下聲信號應(yīng)當(dāng)滿足以下兩個條件中的一個
11)f1+B/2＜f2-B/2，f1＜f2；
21)能采用信號處理方法區(qū)分兩個聲納發(fā)射陣發(fā)射的信號；
2)接收陣接收發(fā)射陣組發(fā)射的水下聲信號的回波信號，并對回波信號進行處理去除兩組不同回波信號載頻，得到兩組不同的基帶信號；
3)計算第一發(fā)射陣1和第二發(fā)射陣2的等效相位中心在隨陣坐標(biāo)系中位置；
4)利用第一發(fā)射陣1和第二發(fā)射陣2的目標(biāo)回波信號估計聲納基陣的運動誤差，根據(jù)得到的運動誤差并結(jié)合第一發(fā)射陣1和第二發(fā)射陣2的等效相位中心在隨陣坐標(biāo)系中位置得到補償后的目標(biāo)回波信號；
5)對補償后的目標(biāo)回波信號進行脈沖壓縮；
6)利用脈沖壓縮的目標(biāo)回波信號進行成像。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的水下高分辨率側(cè)視聲學(xué)成像方法，其特征在于，步驟2)所述的將回波信號1Sni和2Sni變?yōu)榛鶐盘柕奶幚矸椒ú襟E如下
2-1)對濾波得到的兩個回波信號進行傅立葉變換，得到其頻域表示1Fni和2Fni；
2-2)對于1Fni，根據(jù)其中心頻率f1的位置和帶寬B對其進行頻譜搬移，將f1搬移為零頻，經(jīng)過頻譜搬移后得到信號
1Gni(f)＝Fni(f+f1)W(f)
其中W(f)為窗函數(shù)；
2-3)對于2Fni，根據(jù)其中心頻率f2的位置和帶寬B對其進行頻譜搬移，將f2搬移為零頻，經(jīng)過頻譜搬移后得到信號
2Gni(f)＝Fni(f+f2)W(f)
2-4)對1Gni(f)和2Gni(f)進行傅立葉逆變換，得到基帶信號1gni和2gni。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的水下高分辨率側(cè)視聲學(xué)成像方法，其特征在于，步驟4)所述的估計聲納基陣運動誤差和補償?shù)姆椒ò缦虏襟E
4-1)第n屏?xí)r第二發(fā)射陣2對應(yīng)的第i個等效相位中心位置為2xci(n)；
4-2)根據(jù)合成孔徑聲納基陣的運動速度計算第n+1屏?xí)r第二發(fā)射陣2對應(yīng)的第i個等效相位中心位置為
2xci(n+1)＝2xci(n)+v×prt
4-3)找到第n+1屏第二發(fā)射陣2和第n屏第一發(fā)射陣1所有重疊的等效相位中心；
4-4)根據(jù)找到的所有的重疊等效相位中心估計運動誤差，步驟如下；
前后兩屏重疊的兩個等效相位中心對分別為第n屏的k，l和第n+1屏的i，j；
首先通過1gnk與2gn+1，i，1gnl與2gn+1，j進行互相關(guān)可以得到互相關(guān)函數(shù)cki(p)和clj(p)；然后通過尋找互相關(guān)函數(shù)的峰值可以得到cki和clj的最大值的位置pki和plj，信號1gnk與2gn+1，i的長度均等于采樣點數(shù)NR，采樣率為fs，聲速為C，則等效相位中心k，i、等效相位中心l，j之間的運動誤差分別為
則根據(jù)Δxki和Δxlj可以估算出前后兩屏合成孔徑聲納基陣之間的位置關(guān)系，
其中，
聲納基陣的方向矢量；O′表示聲納基陣的隨陣坐標(biāo)系原點坐標(biāo)；
表示位置矢量；n和n+1表示乒索引；i，j，k，l表示等效相位中心索引；
4-5)根據(jù)上述估計運動誤差對基帶目標(biāo)回波信號進行補償。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的水下高分辨率側(cè)視聲學(xué)成像方法，其特征在于，步驟4-3)所述的找到所有重疊的等效相位中心，具體步驟為尋找第n+1屏?xí)r第二發(fā)射陣2對應(yīng)的各個等效相位中心位置2xci(n+1)與第n屏第一發(fā)射陣1對應(yīng)的第一個等效相位中心位置1xcl(n)最接近的一個，如果
與1xcl(n)位置最接近，則第n+1屏第二發(fā)射陣2對應(yīng)的等效相位中心imin與第n屏第一發(fā)射陣1對應(yīng)的第一個等效相位中心重疊，采用同樣的方法找到第n+1屏和第n屏所有重疊的等效相位中心。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的水下高分辨率側(cè)視聲學(xué)成像方法，其特征在于，步驟7)所述的成像采用如下公式實現(xiàn)
脈沖壓縮后得到的第i個等效相位中心對應(yīng)的信號為bni，第i個等效相位中心對應(yīng)的位置為(xci，yci)，xci＝0，成像像素的位置為(xti，yti)，則此像素點的成像結(jié)果為
其中，N表示所有可以照射到目標(biāo)點(xti，yti)的合成孔徑聲納屏的總數(shù)，M表示每屏可用于成像的等效相位中心個數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種水下高分辨率側(cè)視聲學(xué)成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含發(fā)射陣、接收陣、接收機，其中，該接收機包含信號調(diào)理和采集功能模塊，用于對水下聲波信號進行濾波、放大等于處理，并將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；數(shù)據(jù)傳輸模塊、數(shù)據(jù)處理模塊，其中該模塊還包含存儲模塊、圖像重建模塊、運動誤差估計與補償處理模塊和圖像顯示模塊；其特征在于，所述的發(fā)射陣為兩個發(fā)射陣組成的發(fā)射陣組，用于發(fā)射頻帶不同的聲學(xué)信號，每個發(fā)射陣分別由一個發(fā)射機驅(qū)動；本發(fā)明還提出了一種利用該發(fā)射陣組進行水下高分辨率側(cè)視聲學(xué)成像方法。本發(fā)明的優(yōu)點在于，降低聲納基陣多子陣長度對于移動速度的限制，提高成像系統(tǒng)的測繪效率。
文檔編號G01S15/89GK101825709SQ20101014455
公開日2010年9月8日 申請日期2010年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月9日
發(fā)明者劉維, 劉紀(jì)元, 黃海寧, 張春華 申請人:中國科學(xué)院聲學(xué)研究所