專利名稱：一種合成孔徑聲納成像的自聚焦處理方法
技術領域：
本發明涉及合成孔徑聲納成像的信號處理，主要是一種合成孔徑聲納成像的自聚焦處理方法，用于獲得更加精細的海底地貌測繪和沉物探測的聲成像。
背景技術：
合成孔徑聲納(Synthetic Aperture Sonar，簡稱SAS)是一種高分辨力聲學成像設備。它是利用小孔徑基陣勻速直線運動，在運動過程中相繼發射和接收信號，并將一段運動歷程中接收信號進行相干迭加，從而得到等效于實際物理聲陣幾倍到幾十倍的合成虛擬孔徑陣，獲得很高的分辨力和空間增益。然而在實際航行過程中這個條件并不滿足，使得合成孔徑圖像產生強度失真和幾何失真。實現運動誤差補償的自聚焦處理方法是合成孔徑聲納的一項關鍵技術。
合成孔徑聲納的估計和校正方法通常分為兩類一類為采用傳感器的硬件補償，另一類為自聚焦算法補償。由于傳感器精度難于滿足合成孔徑聲納的要求，合成孔徑聲納一般都需要采用自聚焦算法來實現運動誤差補償。自聚焦算法通常又可分為數據域自聚焦算法(如冗余相位中心自聚焦算法)和圖像域自聚焦算法(如相位梯度自聚焦)算法兩種。
國外合成孔徑聲納所采用的自聚焦算法主要是冗余相位中心(Redundance Phase Center，簡稱RPC)自聚焦算法，它是利用接收回波信號的冗余性來處理的，需要采用冗余子陣設計或犧牲空間采樣來實現。經典的相位梯度自聚焦(Phase Gradient Autofocus，簡稱PGA)算法，需要進行迭代處理才具有良好的估計性能，同時經典自聚焦處理方法需要選擇強目標散射點。
發明內容
本發明的目的是為了克服上述方法的不足，而提供一種合成孔徑聲納成像的自聚焦處理方法。
本發明解決其技術問題所采用的技術方案。這種合成孔徑聲納成像的自聚焦處理方法，主要包括以下步驟
(1)、每次回波信號經過復基帶解調以及匹配濾波處理得到寬帶解析信號rp(t)；(2)、相鄰回波解析信號之間相關處理；相鄰兩個發射脈沖回波的寬帶解析信號rp(t)、rp-1(t)的互相關運算為rrp=∫0Trp*(t)rp-1(t)dt----(5)]]>式中*表示復共軛；(3)、通過求復數相角，得到相鄰回波解析信號之間的相位誤差估計Δφ^p=Arg{rrp}----(6)]]>(4)、通過空間位置累積處理獲得運動誤差引起的累積相位誤差ϵ^p=ϵ^p-1+Δφ^p;ϵ^0≡0----(7)]]>(5)、利用獲得的相位誤差序列 進行補償來實現回波數據校正RpIdeal(f)=Rp(f)exp(jϵ^p)----(8)]]>式中，Rp(f)為rp(t)的傅立葉變換；(6)、補償后數據應用相應的圖像重構算法，則可獲得聚焦的合成孔徑聲納圖像。
本發明的有益的效果是它是一種利用合成孔徑聲納混響中冗余信息的數據域相關處理的運動誤差估計方法。采用以均自聚焦算法為核心的、通過測量寬帶解析信號復相關的相位角進行合成孔徑聲納運動誤差估計和補償，從而獲得合成孔徑聲納成像的自聚焦處理。它不需要迭代運算，并具有較好的實時運算性能和較好的圖像宏觀校正能力。并且進一步通過α加權削弱強目標散射點和噪聲對運動誤差估計的影響，使得切變平均自聚焦算法既適應于空間緩變場景的寬波束SAS處理；也適用于存在強目標散射點的場景，從而拓寬了應用條件。
圖1本發明實施例2的α加權切變平均自聚焦處理方法的流程圖；具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步介紹實施例1一、基于混響估計的運動誤差模型對于一個混響限制(混響占主導地位，而噪聲相對較弱)慢變化場景海底模型，假定海底的各個散射體的尺寸遠小于波長，可以把它們看作“點源”目標，在這種近似下可以不考慮頻率和波束方向對散射的影響，這樣混響模型可看為很多點源目標回波的線性之和。如果在測繪區域內共有Q個散射體，則第p個發射脈沖的回波可描述為ep(t)=Σq=1Qsp(t)⊗h(t,τpq)+np(t)----(1)]]>式中表示卷積操作，sp(t)是寬帶發射信號，h(t，τpq)為點擴展函數(包括介質中傳播函數，散射體散射響應以及基陣響應函數)，np(t)為噪聲項。在沒有運動誤差時，回波信號經過復基帶解調以及匹配濾波處理得到解析信號rp(t)，表示為rpIdeal(t)=|rpIdeal(t)|exp(jψpIdeal(t))----(2)]]>由于混響場中散射體服從均勻分布，接收回波為各個散射體散射信號之和，故而ψpIdeal(t)為[-π，π]內均勻分布的隨機變量。
假設在聲學換能器基陣發生擺動誤差xp，而散射體的主體近似不變，則對于場景中每一個散射體的回波延時誤差都等于εp≈2xp/c，第p個回波可表示為rp(t)=rpIdeal(t-ϵp)exp(-j2πf0ϵp)]]>=|rpIdeal(t-ϵp)|exp(jψpIdeal(t-ϵp))exp(-j2πf0ϵp)----(3)]]>故而獲得測量相位為ψp(t)=Arg{rp(t)}=[ψpIdeal(t-ϵp)-2πf0ϵp]mod2π----(4)]]>式中Arg{·}為取復數相位操作。
如果我們能夠對每一個ψp(t)進行去卷繞處理，則獲得一個常量相移2πf0εp和一個隨機變量ψpIdeal(t-εp)，進一步通過在時間t上做平均處理就可獲得常量相移，從而求出誤差時延估計 二、合成孔徑聲納成像的切變平均自聚焦處理方法(1)每次回波信號經過復基帶解調以及匹配濾波處理得到寬帶解析信號rp(t)。
(2)相鄰回波解析信號之間相關處理。
利用(4)式中單個脈沖回波在時間t上做平均處理獲得的常量誤差相位2πf0εp一般大于2π從而會導致相位模糊問題。一個可行的解決這種相位卷繞的方法就是估計相鄰兩個發射回波信號之間的相位差，其核心是一種相關處理。相鄰兩個發射脈沖回波的寬帶解析信號rp(t)、rp-1(t)的互相關運算為rrp=∫0Trp*(t)rp-1(t)dt----(5)]]>式中*表示復共軛。
(3)通過求復數相角，得到相鄰回波解析信號之間的相位誤差估計Δφ^p=Arg{rrp}----(6)]]>(4)通過空間位置累積處理獲得運動誤差引起的累積相位誤差ϵ^p=ϵ^p-1+Δφ^p;ϵ^0≡0----(7)]]>(5)利用獲得的相位誤差序列 進行補償就可實現回波數據校正RpIdeal(f)=Rp(f)exp(jϵ^p)----(8)]]>式中，Rp(f)為rp(t)的傅立葉變換。
(6)補償后數據應用相應的圖像重構算法，則可獲得聚焦的合成孔徑聲納圖像。
實施例2α加權切變平均自聚焦處理方法為了提高誤差相位變化量估計的精度，K.A.Johnson等人提出最小均方意義加權平均核心，選擇一種加權函數w(t)＝|rp(t)|使其側重于信噪比較大的相位差，從而有效抑制噪聲相位的影響。使用加權方法對(5)式相關函數重新估計如下rr={∫0Tw2(t)rp*(t)rp-1(t)dt∫0Tw2(t)dt}----(9)]]>但是K.A.Johnson加權方法在抑制噪聲影響的同時也加重了強目標散射體對相位函數的貢獻。當有強目標存在時，(4)式中的ψpIdeal(t)不再能夠視為一個[-π，π]內均勻分布隨機變量，此時它主要表現為強目標的距離徙動相位，故而通過(6)式估計的時延變化量受到距離徙動變化量的影響。仿真結果和實際數據處理也證明當強散射體存在時使得運動誤差估計有偏，必須采用合理方法抑制強目標散射體對相位估計影響。
我們提出一種新的α加權加權函數，對應于(9)式中，w2(t)=|rp*(t)rp-1(t)|α4+|rp*(t)rp-1(t)|2----(10)]]>式中α參數為一可調整量，通過合理選擇α值可折衷控制強目標散射體和噪聲對誤差相位估計的影響。從抑制強散射目標考慮，α取值越小越好，而從抑制噪聲考慮，α取值越大越好；可結合實際的先驗知識來優化α取值。
這種合成孔徑聲納成像的α加權切變平均自聚焦處理方法如附圖1所示。首先對回波數據進行復解調和匹配濾波，然后進行α加權切變平均處理得到運動誤差時延變化量空間位置累積，并用運動誤差補償回波數據，最后應用圖像重構算法進行合成孔徑成像。
該自聚焦處理方法的試驗結果使用α加權切變平均自聚焦處理方法對實際合成孔徑聲納湖試數據處理結果表示，自聚焦處理后T字型煤氣瓶目標聚焦為三個亮點，而且自聚焦處理后圖像的信混比明顯增強。試驗結果表明改進的α加權切變平均自聚焦算法能夠較好估計運動誤差，從而有效地抑制圖像模糊。
權利要求
1.一種合成孔徑聲納成像的自聚焦處理方法，其特征在于主要包括以下步驟(1)、每次回波信號經過復基帶解調以及匹配濾波處理得到寬帶解析信號rp(t)；(2)、相鄰回波解析信號之間相關處理；相鄰兩個發射脈沖回波的寬帶解析信號rp(t)、rp-1(t)的互相關運算為rrp=∫0Trp*(t)rp-1(t)dt----(5)]]>式中*表示復共軛；(3)、通過求復數相角，得到相鄰回波解析信號之間的相位誤差估計Δφ^p=Arg{rrp}----(6)]]>(4)、通過空間位置累積處理獲得運動誤差引起的累積相位誤差ϵ^p=ϵ^p-1+Δφ^p;ϵ^0≡0----(7)]]>(5)、利用獲得的相位誤差序列 進行補償來實現回波數據校正RpIdeal(f)=Rp(f)exp(jϵ^p)----(8)]]>式中，Rp(f)為rp(t)的傅立葉變換；(6)、補償后數據應用相應的圖像重構算法，則可獲得聚焦的合成孔徑聲納圖像。
2.根據權利要求1所述的合成孔徑聲納成像的自聚焦處理方法，其特征在于采用α加權加權函數，對應于(9)式中，rr={∫0Tω2(t)rp*(t)rp-1(t)dt∫0Tω2(t)dt}----(9)]]>ω2(t)=|rp*(t)rp-1(t)|α4+|rp*(t)rp-1(t)|2----(10)]]>公式中α參數為一可調整量，通過選擇α值來控制強目標散射體和噪聲對誤差相位估計的影響。
3.根據權利要求1或2所述的合成孔徑聲納成像的自聚焦處理方法，其特征在于假設在聲學換能器基陣發生擺動誤差xp，而散射體的主體近似不變，則對于場景中每一個散射體的回波延時誤差都等于εp≈2xp/c，第p個回波可表示為rp(t)=rpIdeal(t-ϵp)exp(-j2πf0ϵp)]]>=|rpIdeal(t-ϵp)|exp(jψpIdeal(t-ϵp))exp(-j2πf0ϵp)----(3).]]>
全文摘要
本發明涉及一種合成孔徑聲納成像的自聚焦處理方法，主要包括以下步驟(1)每次回波信號經過復基帶解調以及匹配濾波處理得到寬帶解析信號r
文檔編號G01S15/00GK1731212SQ20051006049
公開日2006年2月8日 申請日期2005年8月25日 優先權日2005年8月25日
發明者叢衛華, 張峰山, 譚詠青, 何衛彬, 董彥濤, 朱必波, 章靈祥, 何永軍, 曹海林, 施國全, 付菊英, 王欣, 楊曉帆 申請人:中國船舶重工集團公司第七一五研究所