一種基于頻分mimo的合成孔徑聲納成像系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種基于頻分MIMO的合成孔徑聲納成像方法及系統(tǒng)，所述方法包含：步驟101）在N個(gè)接收陣前后兩端各放置一個(gè)發(fā)射陣列，所述前后發(fā)射陣列共包含M個(gè)發(fā)射陣，所述發(fā)射陣同時(shí)向水下待成像目標(biāo)發(fā)射信號(hào)，其中M取大于或等于2的整數(shù)；步驟102）將N個(gè)接收陣的每個(gè)陣元接收到的M個(gè)發(fā)射信號(hào)在頻域分離，得到M元信號(hào)，再將所有接收陣陣元的M元信號(hào)用頻譜搬移的方法移到一個(gè)共同的頻帶，得到N*M元的回波信號(hào)；步驟103）對(duì)得到的N*M元回波信號(hào)在方位向進(jìn)行重排，分別對(duì)應(yīng)到等效單波束合成孔徑聲納的采樣位置，最后對(duì)等效單波束信號(hào)，進(jìn)行聚焦成像。所述發(fā)射陣隨著基陣的移動(dòng)，不同發(fā)射陣陣元所發(fā)射的信號(hào)的頻帶可根據(jù)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)男枰惶孀兓?。本發(fā)明可以在保持方位分辨率的情況下，進(jìn)一步展寬測(cè)繪帶從而提高測(cè)繪效率。
【專利說明】一種基于頻分MIMO的合成孔徑聲納成像系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于水聲成像和聲納信號(hào)處理領(lǐng)域。本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種基于頻分MMO的合成孔徑聲納成像方法，該方法采用多收多發(fā)的成像體制，即本發(fā)明提供了一種基于頻分MIMO的合成孔徑聲納成像系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]合成孔徑聲納(Synthetic Aperture Sonar:SAS)是一種先進(jìn)的高分辨率水聲成像聲納，其基本原理是利用小孔徑基陣在方位向的移動(dòng)形成虛擬大孔徑，通過對(duì)不同位置的聲納回波進(jìn)行相干處理，從而獲得方位向的高分辨率。
[0003]高分辨率成像聲納的成像效率是決定聲納能否實(shí)際應(yīng)用的決定因素之一。比如，傳統(tǒng)的合成孔徑聲納在實(shí)際作業(yè)時(shí)，在一定的測(cè)繪帶寬(比如單側(cè)測(cè)繪帶寬為150米)要求下，由于受到聲納體積的限制(作業(yè)時(shí)接收陣陣長通常不能超過1.6米)，使得航行速度限制在6節(jié)以內(nèi)。這往往很難滿足探測(cè)任務(wù)的航行速度要求。比如艦船編隊(duì)的航行速度通常達(dá)到18節(jié)，機(jī)載聲納的航行速度更快，這時(shí)，進(jìn)行合成孔徑成像時(shí)為滿足方位向不丟幀，接收陣長要達(dá)到5米以上，顯然這樣的設(shè)備適裝性很差，水下拖行的穩(wěn)定性也很差，很難滿足合成孔徑成像的平臺(tái)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的要求。這就要求對(duì)傳統(tǒng)的高分辨率成像聲納體制進(jìn)行改進(jìn)，在小孔徑聲納約束下，在滿足測(cè)繪帶寬和成像分辨率的前提下，提高成像聲納的拖曳速度，滿足探測(cè)使命要求。
[0004]在高分辨率成像聲納領(lǐng)域，為了提高成像質(zhì)量，上世紀(jì)九十年代國外出現(xiàn)了稱為多發(fā)射的合成孔徑聲納系統(tǒng)。Thomson Marconi Sonar公司的一款合成孔徑聲納IMBAT3000以及隨后iXSea公司的Shadows合成孔徑聲納均采用了這種多發(fā)射/接收合成孔徑技術(shù)。這兩套合成孔徑聲納系統(tǒng)有三套分置的發(fā)射陣，三套發(fā)射陣工作在不同頻帶。兩側(cè)發(fā)射陣發(fā)射信號(hào)的頻帶在不同信號(hào)幀時(shí)是交替變化的，這樣可以增加相鄰幀的重復(fù)陣元數(shù)，將可以進(jìn)行DPC運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)幕囎畲筮\(yùn)動(dòng)速度由每幀1/4陣長變?yōu)槊繋?/2陣長。但這兩種合成孔徑聲納，只利用了多發(fā)射合成孔徑體制進(jìn)行DPC運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，并未用該體制進(jìn)行合成孔徑成像，即并未解決成像系統(tǒng)的測(cè)繪效率問題。
[0005]在合成孔徑雷達(dá)(SAR)領(lǐng)域，近年來多輸入多輸出即MMO技術(shù)逐漸受到重視，是解決功率孔徑積的約束和提高成像系統(tǒng)測(cè)繪效率的新途徑。G.Krieger等提出了基于多發(fā)射陣的多維波形編碼SAR技術(shù)，同時(shí)利用了時(shí)間和空間維度獲取了高功率孔徑積。
[0006]目前國內(nèi)現(xiàn)有的合成孔徑聲納系統(tǒng)都是采用單發(fā)射陣多接收陣來進(jìn)行成像，本發(fā)明首次采用頻分MIMO的思想設(shè)計(jì)了一種多收多發(fā)的合成孔徑聲納系統(tǒng)，該技術(shù)方案能夠在小孔徑聲納約束下，在滿足測(cè)繪帶寬和成像分辨率的前提下，提高成像聲納的拖曳速度，滿足探測(cè)使命要求。
[0007]本發(fā)明相比于傳統(tǒng)的單發(fā)多收系統(tǒng)，可以在保持方位分辨率的情況下，進(jìn)一步展寬測(cè)繪帶從而提高測(cè)繪效率，或在保持測(cè)繪帶寬的情況下得到更高的方位分辨率。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于，為了提高合成孔徑聲納成像時(shí)的測(cè)繪效率問題，本發(fā)明提供了一種基于頻分MMO的高測(cè)繪效率的合成孔徑聲納成像方法及系統(tǒng)。
[0009]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于頻分MMO的合成孔徑聲納成像方法，所述方法包含:
[0010]步驟101)在N個(gè)接收陣前后兩端各放置一個(gè)發(fā)射陣列，所述前后發(fā)射陣列共包含M個(gè)發(fā)射陣，所述發(fā)射陣同時(shí)向水下待成像目標(biāo)發(fā)射信號(hào)，其中M取大于或等于2的整數(shù)；
[0011]步驟102)將各個(gè)接收陣元接收到的M個(gè)不同頻帶的發(fā)射信號(hào)在頻域分離，得到M元信號(hào)，再采用頻譜搬移的方法移到一個(gè)共同的頻帶，得到N*M元的回波信號(hào)；
[0012]步驟103)對(duì)得到的N*M元回波信號(hào)在方位向進(jìn)行重排，分別對(duì)應(yīng)到等效單波束SAS的采樣位置，最后對(duì)等效單波束信號(hào)，進(jìn)行聚焦成像。
[0013]上述技術(shù)方案中，所述發(fā)射陣隨著基陣的移動(dòng)，不同發(fā)射陣陣元所發(fā)射的信號(hào)的頻帶可根據(jù)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償需要交替變化。
[0014]上述技術(shù)方案中，步驟103 )對(duì)等效單波束信號(hào)采用ω -k或CS算法進(jìn)行聚焦成像。
[0015]基于上述方法本發(fā)明還提供了一種基于頻分MMO的合成孔徑聲納成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含多個(gè)接收陣，其特征在于，所述系統(tǒng)包含:分別設(shè)置于多個(gè)接收陣的前后兩端的多個(gè)發(fā)射陣和成像處理單元；
[0016]所述發(fā)射陣包含若干個(gè)陣元數(shù)，且各個(gè)陣元同時(shí)向水底待成像目標(biāo)發(fā)射頻帶不同的信號(hào)；
[0017]所述接收陣用于接收待成像目標(biāo)反射后的回波信號(hào)；
[0018]所述成像處理單元，先將各個(gè)接收陣元收到的M個(gè)不同頻帶的發(fā)射信號(hào)在頻域分離，得到M元信號(hào)，再采用頻譜搬移的方法移到一個(gè)共同的頻帶，得到N*M元的回波信號(hào)；然后在方位向進(jìn)行重排，分別對(duì)應(yīng)到等效單波束SAS的采樣位置，最后對(duì)等效單波束信號(hào)進(jìn)行聚焦成像。
[0019]上述技術(shù)方案中，所述發(fā)射陣隨著基陣的移動(dòng)，不同發(fā)射陣陣元所發(fā)射的信號(hào)的頻帶可根據(jù)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償需要交替變化。
[0020]上述技術(shù)方案中，對(duì)等效單波束信號(hào)采用ω-k或CS算法進(jìn)行聚焦成像。
[0021]本發(fā)明所述的MMO-SAS指多個(gè)陣元同時(shí)發(fā)射和接收信號(hào)，且通過基陣自身運(yùn)動(dòng)進(jìn)行孔徑合成的聲納成像體制。頻分MIMO-SAS高分辨成像系統(tǒng)，通常配置成接收陣為等間隔分布的線陣，發(fā)射陣分為兩組分別放置在接收陣的前后兩端，每個(gè)發(fā)射陣發(fā)射的信號(hào)分別處于不同的頻帶，每組發(fā)射陣包含的發(fā)射陣元數(shù)量為I個(gè)到數(shù)個(gè)。
[0022]假設(shè)頻分MMO-SAS系統(tǒng)有M個(gè)發(fā)射陣，N個(gè)接收陣。在進(jìn)行成像處理時(shí)，先將N元接收陣接收到的M個(gè)不同頻帶的發(fā)射信號(hào)在頻域分離，并用頻譜搬移的方法移到一個(gè)共同的頻帶，得到N*M元的回波信號(hào)。通過合理的選擇信號(hào)的頻帶，可以使目標(biāo)的散射特性在各發(fā)射信號(hào)的頻譜間變化不大，該頻帶的具體選擇可根據(jù)實(shí)驗(yàn)和相關(guān)文獻(xiàn)資料確定。然后在方位向進(jìn)行信號(hào)重排，分別對(duì)應(yīng)到等效單波束合成孔徑聲納的采樣位置。最后對(duì)等效單波束信號(hào)，采用ω-k算法等進(jìn)行聚焦成像。
[0023]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于:
[0024]現(xiàn)有的合成孔徑聲納系統(tǒng)都是采用單發(fā)射陣多接收陣來進(jìn)行成像。本發(fā)明采用頻分MIMO的思想，設(shè)計(jì)了一種多收多發(fā)的合成孔徑聲納成像系統(tǒng)及方法，它在接收陣的兩端配置多個(gè)發(fā)射陣元，相比于傳統(tǒng)的單發(fā)多收系統(tǒng)，可以在保持方位分辨率的情況下，進(jìn)一步展寬測(cè)繪帶從而提高測(cè)繪效率，或在保持測(cè)繪帶寬的情況下得到更高的方位分辨率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1為本發(fā)明采用的頻分MMO-SAS發(fā)射信號(hào)序列循環(huán)圖以及等效相位中心圖；
[0026]圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種雙發(fā)多收的頻分MIMO-SAS系統(tǒng)及其等效相位中心不意圖；
[0027]圖3為本發(fā)明提供的頻分MIMO-SAS高分辨成像流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028]下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明基于頻分MIMO的高測(cè)繪效率的合成孔徑聲納進(jìn)行進(jìn)一步的說明。
[0029]圖1是本發(fā)明提供的頻分MIMO-SAS的發(fā)射陣由兩組構(gòu)成，每組又有兩個(gè)密排的發(fā)射陣。工作時(shí)，每個(gè)發(fā)射陣陣元發(fā)射的信號(hào)的頻帶互不相同，各個(gè)發(fā)射陣前一幀發(fā)射的信號(hào)與后一幀發(fā)射信號(hào)的頻帶的組成順序按照基陣的移動(dòng)如圖1所示規(guī)律交替變化。圖1描述的是一個(gè)四幀發(fā)射過程的發(fā)射信號(hào)序列交替變化圖，圖中每行四個(gè)的矩形表示4個(gè)發(fā)射陣陣元，每個(gè)發(fā)射陣陣元下的字母Α、B、C、D代表各個(gè)陣元發(fā)射的不同的頻帶的信號(hào)；接下來每行三個(gè)的矩形表示接收陣陣元，接收陣陣元接收信號(hào)的相應(yīng)的等效相位中心用小圓圈表
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[0030]圖2是一種雙發(fā)多收的頻分MIMO-SAS系統(tǒng)及其等效相位中心。它采用兩個(gè)發(fā)射機(jī)(即發(fā)射陣陣元)進(jìn)行信號(hào)發(fā)射，而兩個(gè)發(fā)射機(jī)之間通過布放16個(gè)陣元進(jìn)行信號(hào)接收。這種多發(fā)多收的布放易于實(shí)現(xiàn)，且能夠?qū)⒔邮贞嚨臏y(cè)繪效率提高一倍左右。下面以它為例來詳細(xì)的分析數(shù)據(jù)處理的方法。
[0031]圖2中的位于接收陣前面和后面的發(fā)射機(jī)同時(shí)發(fā)射兩個(gè)不同頻帶的LFM (線性調(diào)頻)信號(hào)，16個(gè)接收陣元同時(shí)對(duì)它們接收的回波數(shù)據(jù)采樣，由于使用了兩個(gè)發(fā)射機(jī)，使接收陣的一個(gè)脈沖重復(fù)周期內(nèi)獲得的等效相位中心的數(shù)目增多一倍，其數(shù)目由原來的16個(gè)增長為32個(gè)。這里實(shí)際是以每幀中方位向空間采樣的增加換取單位時(shí)間內(nèi)采樣幀數(shù)即PRF(脈沖重復(fù)頻率)的降低。可以在保持方位分辨率的情況下，進(jìn)一步展寬測(cè)繪帶，或在保持測(cè)繪帶寬的情況下得到更高的方位分辨率。
[0032]在進(jìn)行成像處理時(shí)，先對(duì)16元接收陣的信號(hào)在頻域分離，分別產(chǎn)生出2個(gè)不同頻帶的回波信號(hào)，然后它們通過頻譜搬移搬到同一個(gè)頻帶，并將其排放在等效單波束系統(tǒng)的方位向位置上。最后對(duì)等效單波束信號(hào)，采用ω-k或CS算法進(jìn)行聲納成像?？偟男盘?hào)處理流程如圖3所示。
[0033]最后所應(yīng)說明的是，以上實(shí)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(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)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(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)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】
1.一種基于頻分MIMO的合成孔徑聲納成像方法，所述方法包含: 步驟101)在N個(gè)接收陣前后兩端各放置一個(gè)發(fā)射陣列，所述前后發(fā)射陣列共包含M個(gè)發(fā)射陣，所述發(fā)射陣同時(shí)向水下待成像目標(biāo)發(fā)射信號(hào)，其中M取大于或等于2的整數(shù)； 步驟102)將各個(gè)陣元接收到的M個(gè)不同頻帶的發(fā)射信號(hào)在頻域分離，得到M元信號(hào)，再將所有接收陣陣元的M元信號(hào)用頻譜搬移的方法移到一個(gè)共同的頻帶，得到Ν*Μ元的回波信號(hào)； 步驟103)對(duì)得到的Ν*Μ元回波信號(hào)在方位向進(jìn)行重排，分別對(duì)應(yīng)到等效單波束SAS的采樣位置，最后對(duì)等效單波束信號(hào)，進(jìn)行聚焦成像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于頻分MIMO的合成孔徑聲納，其特征在于，所述發(fā)射陣隨著基陣的移動(dòng)，不同發(fā)射陣陣元所發(fā)射的信號(hào)的頻帶根據(jù)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)男枰惶孀兓?br> 3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于頻分MIMO的合成孔徑聲納，其特征在于，步驟103)對(duì)等效單波束信號(hào)采用ω -k或CS算法進(jìn)行聚焦成像。
4.一種基于頻分MMO的合成孔徑聲納成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含多個(gè)接收陣，其特征在于，所述系統(tǒng)包含:分別配置于多個(gè)接收陣的前后兩端的多個(gè)發(fā)射陣和成像處理單元； 所述發(fā)射陣同時(shí)向水底待成像目標(biāo)發(fā)射頻帶不同的信號(hào)； 所述接收陣用于接收待成像目標(biāo)反射后的回波信號(hào)； 所述成像處理單元，將每個(gè)接收陣接收到的M個(gè)不同頻帶的發(fā)射信號(hào)在頻域分離，得到M元信號(hào)，再采用頻譜搬移的方法移到一個(gè)共同的頻帶，得到N*M元的回波信號(hào)；然后在方位向進(jìn)行重排，分別對(duì)應(yīng)到等效單波束SAS的采樣位置，最后對(duì)等效單波束信號(hào)進(jìn)行聚焦成像。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于頻分MIMO的合成孔徑聲納成像系統(tǒng)，其特征在于，所述發(fā)射陣隨著基陣的移動(dòng)，不同發(fā)射陣陣元所發(fā)射的信號(hào)的頻帶根據(jù)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償需要交替變化。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于頻分MIMO的合成孔徑聲納成像系統(tǒng)，其特征在于，對(duì)等效單波束信號(hào)采用ω-k或CS算法進(jìn)行聚焦成像。
【文檔編號(hào)】G01S15/89GK103576156SQ201210249380
【公開日】2014年2月12日 申請(qǐng)日期:2012年7月18日 優(yōu)先權(quán)日:2012年7月18日
【發(fā)明者】段江濤, 黃勇, 劉紀(jì)元 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院聲學(xué)研究所