專利名稱：一種合成孔徑聲納基陣速度估計系統與方法
技術領域：
本發明涉及水下聲學成像領域，特別涉及一種合成孔徑聲納基陣速度估計系統與方法。
背景技術：
合成孔徑聲納是一種高分辨率水下成像聲納，它的基本原理是利用小孔徑基陣移動形成虛擬大孔徑并通過信號處理的方法得到水下高分辨率圖像。為了提高測繪效率，合成孔徑聲納一般采用多子陣配置，多子陣相位中心位置的精確程度對于成像質量有較大的影響。另外，為了進行相位中心重疊運動補償，也需要或得相位中心的精確位置。多子陣相位中心精確位置的獲取與合成孔徑聲納基陣的運動速度密切相關，目前一般采用其他測速設備獲取合成孔徑聲納基陣的運動速度(比如聲多普勒測速儀)。一方面這些測速設備的價格比較昂貴，另外一方面測速設備的測速精度有時不能滿足合成孔徑成像系統的要求。
發明內容
本發明的目的在于，為了克服合成孔徑成像質量較差，改善現有系統的不足，從而提出一種合成孔徑聲納基陣速度估計的系統與方法。
為了實現上述目的，本發明提供的一種合成孔徑聲納基陣速度估計的系統，該系統采用合成孔徑技術多子陣回波數據估計聲納基陣的速度，所述的系統具體包含如下單元，如果所述的多個接收子陣的相位一致性存在差異時，通過適當的方法進行標定并在數據處理模塊對相位進行補償 由多接收子陣組成的合成孔徑聲納接收基陣，且所述的多個接收子陣的長度，相位和性能保持一致； 由單發射陣或多發射陣組成的合成孔徑聲納發射基陣； 合成孔徑聲納發射機，用于驅動發射基陣發射水下聲信號； 接收機，用于對接收子陣接收到的聲信號進行放大，濾波同時將模擬聲信號數字化；及 信號處理模塊，所述的信號處理模塊用于估算運動速度估計方法。
所述的多接收子陣與發射陣的中點位置為等效相位中心，通過等效相位中心將發射陣與接收子陣等效為一個收發合置的聲納基陣，單個發射陣與多個接收子陣通過等效相位中心近似為多個收發合置的聲納基陣。其中，所述的發射基陣發射的水下聲信號的形式根據系統要求設定。
所述的信號處理模塊采用數字信號處理芯片、通用處理器或FPGA，完成聲納基陣運動速度的估計。
本發明還提供了一種合成孔徑聲納基陣運動速度的估計方法，所述的方法包含如下步驟 1)在發射機中設定系統參數，系統參數包括發射信號中心頻率，信號帶寬，信號形式，脈沖寬度，脈沖重復周期，最小采樣距離，采樣率，采樣點數，發射陣寬度，接收子陣個數，接收子陣寬度； 2)獲取連續兩屏多子陣合成孔徑聲納原始回波數據，前后兩屏的編號分別為n-1和n，第n屏第i個接收子陣的原始回波數據表示為sn，i(m)； 3)計算屏n-1與屏n多子陣回波數據的互相關系數矩陣； 第n-1屏第i個子陣與第n屏第j個子陣的互相關系數計算方法如下 4)估計屏n-1與屏n重疊的等效相位中心對，具體包含如下步驟 根據戶相關系數矩陣計算重疊等效相位中心對系數γi， 尋找γi最大值對應的索引imax，即imaxmax(γi)，此時可以確定重疊的等效相位中心對為(1 imax)，(2 imax+1)，...，(P imax+P-1)，重疊陣元的個數共有P＝N-i+1個； 5)根據重疊等效相位中心對估計基陣移動速度，具體步驟如下 聲納基陣由N個接收子陣組成，其中每個接收子陣在隨陣坐標系的坐標為(li 0)，隨陣坐標系在絕對坐標系中的位置為(Ox Oy)，假設第n-1屏各接收子陣的原始數據為sn-1，i，第n屏各接收子陣的原始數據為sn，i，則 第n-1屏各接收子陣相位中心的位置為 第n屏各接收子陣相位中心的位置為 其中Ox(n)＝Ox(n-1)+vx·prtOy(n)＝Oy(n-1)+vy·prt 假設第n-1屏的第k個陣元與第n屏的第j個陣元的等效相位中心重疊的話，則應當滿足條件 ryk(n-1)＝ryj(n) ryk(n-1)＝Oy(n-1)+lkdy，n-1 ryi(n)＝Oy(n-1)+vy·prt+ljdy，n 本發明的優點在于該系統和方法可以采用合成孔徑技術多子陣回波數據估計聲納基陣的速度，估計結果可以與其它傳感器提供的速度進行融合以提高合成孔徑聲納基陣運動速度的估計精度，提高合成孔徑聲納成像質量。
圖1是本發明的一種合成孔徑聲納基陣速度估計系統構成示意圖； 圖2是本發明的一種合成孔徑聲納基陣速度估計方法流程圖； 圖3是本發明的重疊相位中心對與相關矩陣的關系圖； 圖4是本發明的合成孔徑聲納發射陣與接收陣位置關系圖。
具體實施例方式 下面結合附圖對本發明的一種合成孔徑聲納基陣速度估計系統與方法進行詳細說明。
如附圖1所示，本發明提供的一種合成孔徑聲納基陣速度估計系統與方法包括由多接收子陣組成的合成孔徑聲納接收基陣；由單發射陣或多發射陣組成的合成孔徑聲納發射基陣；合成孔徑聲納發射機、接收機以及信號處理模塊；本發明還包含一合成孔徑聲納基陣運動速度估計方法，如附圖2所示。
其中組成多個接收子陣的幅度和相位一致性應當一致，避免因為各個接收子陣的性能不一致對成像結果造成影響，特別是要保證多個接收子陣的相位一致性；如果多個接收子陣的相位一致性存在差異，應當通過適當的方法進行標定并在數據處理模塊進行補償。
其中多接收子陣的等效相位中心定義為發射陣與接收子陣的中點位置，通過等效相位中心可以將發射陣與接收子陣近似為一個收發合置的聲納基陣。這樣，單個發射陣與多個接收子陣可以通過等效相位中心近似為多個收發合置的聲納基陣。
其中合成孔徑聲納發射機用于驅動發射基陣發射水下聲信號，水下聲信號的形式可以根據系統要求設定；合成孔徑聲納接收機用于對接收子陣接收到的聲信號進行放大和濾波處理并將聲信號通過AD模塊轉換為數字信號。
具體實施方式
以100kHz合成孔徑聲納系統為例進行說明。
(1)設定系統參數，系統參數包括發射信號中心頻率100kHz，信號帶寬20kHz，信號形式為線性調頻信號，脈沖寬度為dur，脈沖重復周期為prt，最小采樣距離為rmin，采樣率為fs，采樣點數為NR，發射陣寬度為DT厘米，接收子陣個數N個，接收子陣寬度為DR等。發射陣在前進方向的前端，接收陣的編號順序以距離發射陣近處為先，如圖4所示。
(2)獲取連續兩屏多子陣合成孔徑聲納原始回波數據，假設前后兩屏的編號分別為n-1和n，假設第n屏第i個接收子陣的原始回波數據可以表示為sn，i(m)。
(3)計算屏n-1與屏n多子陣回波數據的互相關系數矩陣； 第n-1屏第i個子陣與第n屏第j個子陣的互相關系數計算方法如下 根據上述計算方法，可以計算互相關系數矩陣c。
(4)估計屏n-1與屏n重疊的等效相位中心對，如附圖3所示； 根據戶相關系數矩陣計算重疊等效相位中心對系數γi， 尋找γi最大值對應的索引imax，即imaxmax(γi)，此時可以確定重疊的等效相位中心對為(1 imax)，(2 imax+1)，...，(P imax+P-1)，重疊陣元的個數共有P＝N-i+1個。
(5)根據重疊等效相位中心對估計基陣移動速度 假設發射陣中心與第一個接收陣中心的距離為t2r，根據接收陣的寬度計算等效相位中心在隨陣坐標系中的坐標。
li＝(t2r+(i-1)×DR)/2 根據上述計算，每個接收子陣的等效相位中心在隨陣坐標系的坐標為(li 0)，隨陣坐標系在絕對坐標系中的位置為(Ox Oy)，假設第n-1屏各接收子陣的原始數據為sn-1，i，第n屏各接收子陣的原始數據為sn，i，則 第n-1屏各接收子陣相位中心的位置為 第n屏各接收子陣相位中心的位置為 其中Ox(n)＝Ox(n-1)+vx·prt Oy(n)＝Oy(n-1)+vy·prt 假設第n-1屏的第k個陣元與第n屏的第j個陣元的等效相位中心重疊的話，則應當滿足條件 ryk(n-1)＝ryj(n) ryk(n-1)＝Oy(n-1)+lkdy，n-1 ryj(n)＝Oy(n-1)+vy·prt+ljdy，n 最后所應說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制。盡管參照實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，都不脫離本發明技術方案的精神和范圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求范圍當中。
權利要求
1.一種合成孔徑聲納基陣速度估計的系統，該系統采用合成孔徑聲納多子陣回波數據估計聲納基陣的速度，所述的系統具體包含如下單元
由多接收子陣組成的合成孔徑聲納接收基陣；
由單發射陣或多發射陣組成的合成孔徑聲納發射基陣；
合成孔徑聲納發射機，用于驅動發射基陣發射水下聲信號；
接收機，用于對接收子陣接收到的聲信號進行放大，濾波同時將模擬聲信號數字化；及
信號處理模塊，所述的信號處理模塊用于估算運動速度估計方法。
2.根據權利要求1所述的合成孔徑聲納基陣速度估計的系統，其特征在于，所述的多個接收子陣應當滿足幅度和相位一致性的要求。
3.根據權利要求1或2所述的合成孔徑聲納基陣速度估計的系統，其特征在于所述的多個接收子陣的相位一致性存在差異時，首先進行標定并在數據處理模塊對相位進行補償。
4.根據權利要求1所述的合成孔徑聲納基陣速度估計的系統，其特征在于，所述的多接收子陣與發射陣的中點位置為等效相位中心，通過等效相位中心將發射陣與接收子陣等效為一個收發合置的聲納基陣，單個發射陣與多個接收子陣通過等效相位中心近似為多個收發合置的聲納基陣。
5.根據權利要求1所述的合成孔徑聲納基陣速度估計的系統，其特征在于，所述的發射基陣發射的水下聲信號的形式根據系統要求設定。
6.根據權利要求1所述的合成孔徑聲納基陣速度估計的系統，其特征在于，所述的信號處理模塊采用數字信號處理芯片、通用處理器或FPGA，完成聲納基陣運動速度的估計。
7.一種合成孔徑聲納基陣運動速度的估計方法，所述的方法包含如下步驟
1)在發射機中設定系統參數，系統參數包括發射信號中心頻率，信號帶寬，信號形式，脈沖寬度，脈沖重復周期，最小采樣距離，采樣率，采樣點數，發射陣寬度，接收子陣個數，接收子陣寬度；
2)獲取連續兩屏多子陣合成孔徑聲納原始回波數據，前后兩屏的編號分別為n-1和n，第n屏第i個接收子陣的原始回波數據表示為sn，i(m)；
3)計算屏n-1與屏n多子陣回波數據的互相關系數矩陣；
第n-1屏第i個子陣與第n屏第j個子陣的互相關系數計算方法如下
4)估計屏n-1與屏n重疊的等效相位中心對，具體包含如下步驟
根據互相關系數矩陣計算重疊等效相位中心對系數γi，
尋找γi最大值對應的索引imax，即imaxmax(γi)，此時可以確定重疊的等效相位中心對為(1 imax)，(2 imax+1)，...，(P imax+P-1)，重疊陣元的個數共有P＝N-i+1個；
5)根據重疊等效相位中心對估計基陣移動速度，具體步驟如下
聲納基陣由N個接收子陣組成，其中每個接收子陣在隨陣坐標系的坐標為(li 0)，隨陣坐標系在絕對坐標系中的位置為(Ox Oy)，假設第n-1屏各接收子陣的原始數據為sn-1，i，第n屏各接收子陣的原始數據為Sn，i，則
第n-1屏各接收子陣相位中心的位置為
第n屏各接收子陣相位中心的位置為
其中Ox(n)＝Ox(n-1)+vx·prt Oy(n)＝Oy(n-1)+vy·prt；
假設第n-1屏的第k個陣元與第n屏的第j個陣元的等效相位中心重疊的話，則應當滿足條件
ryk(n-1)＝ryj(n)；
ryk(n-1)＝Oy(n-1)+lkdy，n-1；
ryj(n)＝Oy(n-1)+vy·prt+ljdy，n；
最終得到估計基陣移動速度為
全文摘要
本發明提出一種合成孔徑聲納基陣速度估計的系統，該系統采用合成孔徑聲納多子陣回波數據估計聲納基陣的速度，所述的系統包含如下單元由多接收子陣組成的合成孔徑聲納接收基陣；由單發射陣或多發射陣組成的合成孔徑聲納發射基陣；合成孔徑聲納發射機，用于驅動發射基陣發射水下聲信號；接收機，用于對接收子陣接收到的聲信號進行放大，濾波同時將模擬聲信號數字化；及信號處理模塊，所述的信號處理模塊用于估算運動速度估計方法。本發明還提供一種合成孔徑聲納基陣運動速度的估計方法，該系統和方法采用合成孔徑聲納多子陣回波數據估計聲納基陣的速度，估計結果可以與其它傳感器提供的速度進行融合以提高合成孔徑聲納基陣運動速度的估計精度。
文檔編號G01S7/52GK101782649SQ20101014060
公開日2010年7月21日 申請日期2010年3月29日 優先權日2009年12月8日
發明者劉維, 劉紀元, 黃海寧, 張春華 申請人:中國科學院聲學研究所