專利名稱：一種合成孔徑聲納聯(lián)合運(yùn)動補(bǔ)償方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及聲納信號處理技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，本發(fā)明涉及一種合成孔徑 聲納聯(lián)合運(yùn)動4卜償方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
合成孔徑聲納(Synthetic Aperture Sonar, SAS )利用小孔徑基陣在方位 向的移動，通過對不同空間位置的聲納回波信號進(jìn)行相干處理，獲取高分辨率 的聲納圖像。
合成孔徑聲納基陣的載體一般為無動力拖體或者其他水下載體(如水下機(jī) 器人等)。無動力拖體由艦船拖曳前進(jìn)，拖體和母船之間依靠拖纜連接，受水中 作用力(如水流)和船舶自身操縱穩(wěn)定性的影響，拖體難以保持理想的直線航跡。
即使聲納基陣安裝在水下機(jī)器人上，仍然要受到這些因素的影響，同樣容易在 合成孔徑聲納成像中產(chǎn)生運(yùn)動誤差，因而運(yùn)動誤差補(bǔ)償是合成孔徑聲納高質(zhì)量 成像的關(guān)鍵問題之一。
目前合成孔徑聲納一般采用多接收子陣?yán)寐暭{回波數(shù)據(jù)的空間相關(guān)性估 計(jì)聲納基陣的運(yùn)動誤差，這種方法的主要缺點(diǎn)是對聲納基陣的首向角估計(jì)精度 較差。尤其對于中低頻合成孔徑聲納，對聲納基陣首向角的估計(jì)結(jié)果誤差更大。
隨著水下高精度導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展，合成孔徑聲納載體上可以選擇配置高精 度導(dǎo)航傳感器。特別是在水下無人平臺上(如AUV)安裝高精度導(dǎo)航設(shè)備，合成孔 徑聲納系統(tǒng)可以充分利用這些傳感器信息進(jìn)行運(yùn)動補(bǔ)償。但合成孔徑聲納的成 像坐標(biāo)系和聲納基陣的運(yùn)動坐標(biāo)系不同，傳感器信息不能直接應(yīng)用于合成孔徑
5聲納運(yùn)動補(bǔ)償。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有合成孔徑聲納運(yùn)動補(bǔ)償精度差的缺陷，本發(fā)明提供一種合成孔 徑聲納聯(lián)合運(yùn)動補(bǔ)償方法及系統(tǒng)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種合成孔徑聲納聯(lián)合運(yùn)動補(bǔ)償方法，包
括
步驟IO)、配置合成孔徑聲納多接收子陣與姿態(tài)傳感器；
步驟20)、通過所述傳感器獲取的所述合成孔徑聲納多接收子陣的姿態(tài)信 息，估計(jì)隨陣坐標(biāo)系原點(diǎn)的位置；
步驟30)、根據(jù)所述隨陣坐標(biāo)系原點(diǎn)的運(yùn)動，確定聲納基陣上各等效相位 中心位置，獲得聲納基陣上當(dāng)前乒(ping)各等效相位中心的運(yùn)動誤差。
其中，所述方法進(jìn)一步包括
步驟40)、根據(jù)所述運(yùn)動誤差對原始陣元數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)動補(bǔ)償。 其中，步驟IO)中，所述傳感器還包括位置傳感器。其中，當(dāng)運(yùn)動補(bǔ)償精 度要求較低時(shí)，可以選擇合成孔徑聲納多接收子陣和姿態(tài)傳感器的配置；當(dāng)運(yùn) 動補(bǔ)償精度要求較高時(shí)，可以選擇合成孔徑聲納多接收子陣、姿態(tài)傳感器和位 置傳感器的配置。
其中，步驟10)進(jìn)一步包括沿距離向?qū)⒄麄€(gè)測繪帶劃分為若干條測繪帶。 其中，所述劃分可以是均勻的，也可以是不均勻的。 其中，步驟20)進(jìn)一步包括 步驟210)、確定等效相位中心重疊對；
步驟220 )、根據(jù)所述等效相位中心重疊對，計(jì)算各重疊的等效相位中心對 在距離方向的運(yùn)動誤差；
步驟230 )、根據(jù)等效相位中心重疊對在距離方向的運(yùn)動誤差，計(jì)算前后兩 兵隨陣坐標(biāo)系原點(diǎn)之間的相對運(yùn)動誤差；步驟240 )、將所述隨陣坐標(biāo)系原點(diǎn)之間的相對運(yùn)動誤差與另外配置的位置 傳感器直接獲取的前后兩乒隨陣坐標(biāo)系原點(diǎn)之間的相對誤差融合。
其中，步驟210)中，在發(fā)射陣和接收陣分置的系統(tǒng)中，所述等效相位中心
為發(fā)射陣和接收陣的中點(diǎn)。
其中，數(shù)據(jù)融合的對象包括所述兩個(gè)相對誤差的方位向分量。
其中，步驟30)進(jìn)一步包括
步驟310)、將等效相位中心位置與參考航跡點(diǎn)的差值作為等效相位中心與 參考航跡之間的運(yùn)動誤差。
其中，當(dāng)配置有位置傳感器時(shí)，步驟30)進(jìn)一步包括
步驟310)、選取測繪帶中心線的直線方程為測線方程；
步驟320 )、根據(jù)隨陣坐標(biāo)系原點(diǎn)的位置和所述測線方程，獲得相位中心坐
標(biāo)；
步驟330 )、計(jì)算相位中心到測線的垂直距離以及測線到參考航跡的垂直距
離；
步驟340 )、根據(jù)步驟330 )中的所述兩個(gè)垂直距離，獲得相位中心相對參 考航跡的運(yùn)動誤差。
其中，通過頻域或時(shí)域的運(yùn)動補(bǔ)償方法，使用所述已經(jīng)估計(jì)出的運(yùn)動誤差 對原始回波數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種合成孔徑聲納聯(lián)合運(yùn)動補(bǔ)償系統(tǒng)，包
括
合成孔徑聲納多接收子陣；
姿態(tài)傳感器，用于獲取所述合成孔徑聲納多接收子陣的姿態(tài)信息； 控制模塊，與所述合成孔徑聲納多接收子陣和所述姿態(tài)傳感器相連接，獲 取運(yùn)動目標(biāo)原始信息和所述姿態(tài)傳感器獲取的信息，估計(jì)隨陣坐標(biāo)系原點(diǎn)的位 置；并且根據(jù)所述隨陣坐標(biāo)系原點(diǎn)的運(yùn)動，確定聲納基陣上各等效相位中心位 置，獲得聲納基陣上當(dāng)前乒各等效相位中心的運(yùn)動誤差。其中，所述控制模塊還可以通過頻域或時(shí)域的運(yùn)動補(bǔ)償方法，使用所述已 經(jīng)估計(jì)出的運(yùn)動誤差對運(yùn)動目標(biāo)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償。
其中，所述系統(tǒng)進(jìn)一步包括位置傳感器，與所述控制模塊相連接，用于
高精度的運(yùn)動信息獲取。
本發(fā)明提出的運(yùn)動補(bǔ)償方法綜合利用各種傳感器信息估計(jì)聲納基陣的運(yùn)
動誤差，可以應(yīng)用于多種傳感器配置組合的合成孔徑聲納系統(tǒng)；充分利用可配 置的多種傳感器數(shù)據(jù)，提高運(yùn)動補(bǔ)償精度；運(yùn)動補(bǔ)償計(jì)算過程簡單方便，便于 實(shí)時(shí)系統(tǒng)應(yīng)用。


圖1為等效相位中心示意圖2為聲納回波數(shù)據(jù)和傳感器姿態(tài)數(shù)據(jù)聯(lián)合運(yùn)動補(bǔ)償示意圖； 圖3為聲納基陣搖臂示意圖4為三維空間聲納基陣運(yùn)動誤差引起的距離誤差示意圖5為聲納基陣原點(diǎn)水平向誤差示意圖6為聲納基陣首向角示意圖7為成像目標(biāo)示意圖8為未進(jìn)行運(yùn)動補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)果示意圖9為運(yùn)動補(bǔ)償后的成像結(jié)果示意圖IO為未運(yùn)動補(bǔ)償結(jié)果示意圖11為運(yùn)動補(bǔ)償結(jié)果示意圖12為首向角誤差示意圖13為橫蕩誤差(x方向)示意圖14為縱蕩誤差(z方向)示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明提供的一種合成孔徑聲納聯(lián)合運(yùn)動補(bǔ) 償方法和系統(tǒng)作詳細(xì)描述。
本發(fā)明提出的一種基于多傳感器的合成孔徑聲納運(yùn)動補(bǔ)償方法，用來估計(jì) 并補(bǔ)償由聲納基陣運(yùn)動造成的誤差，提高合成孔徑聲納成像質(zhì)量。這里所述的 傳感器是廣義的，可以將聲納基陣本身也看作傳感器，聲納基陣接收的回波數(shù) 據(jù)同樣可以作為運(yùn)動補(bǔ)償?shù)男畔⒃础膶?shí)現(xiàn)來看，合成孔徑聲納運(yùn)動補(bǔ)償可分 為運(yùn)動誤差估計(jì)和運(yùn)動誤差補(bǔ)償兩部分，其中運(yùn)動誤差估計(jì)是本發(fā)明的方法的 關(guān)鍵。所述方法的具體實(shí)現(xiàn)可以放在系統(tǒng)中的一個(gè)控制模塊。所述系統(tǒng)包括合 成孔徑聲納多接收子陣、傳感器以及控制模塊。所述控制模塊根據(jù)所述運(yùn)動目 標(biāo)原始信息，通過所述姿態(tài)傳感器獲取的信息，估計(jì)隨陣坐標(biāo)系原點(diǎn)的位置； 并且根據(jù)所述隨陣坐標(biāo)系原點(diǎn)的運(yùn)動，確定聲納基陣上各等效相位中心位置，
獲得聲納基陣上當(dāng)前乒(ping)各等效相位中心的運(yùn)動誤差。以下根據(jù)本發(fā)明 的具體實(shí)施例詳述本發(fā)明所提出的方法。
一、確定系統(tǒng)配置
1、確定傳感器
由于合成孔徑聲納基陣載體的不同和系統(tǒng)對運(yùn)動補(bǔ)償精度的要求不同，需 要配置的傳感器也不同。對于本實(shí)施例提供的方法而言，可供配置的傳感器包 括姿態(tài)傳感器和位置傳感器，其中，位置傳感器包括直接獲取位置的傳感器， 例如GPS、長短基線定位裝置等，還有其他通過速度或加速度積分獲得位置的傳 感器，例如慣導(dǎo)設(shè)備。GPS只能工作在水上而且精度有限；通過速度和加速度積 分的位置傳感器，例如Phins慣導(dǎo)系統(tǒng)，精度較高，但價(jià)格昂貴，而且隨著積 分時(shí)間的增加，積分結(jié)果會迅速發(fā)散， 一般需要使用其他傳感器，例如ADL，進(jìn) 行校正。另外，通過合成孔徑聲納多子陣，回波數(shù)據(jù)的空間相關(guān)性也可以獲得 前后兩兵聲納基陣的運(yùn)動誤差數(shù)據(jù)。不同的合成孔徑聲納系統(tǒng)的傳感器不同， 本實(shí)施例的方法所需信息依靠合成孔徑聲納多接收子陣、姿態(tài)傳感器和位置傳 感器獲取。
92、系統(tǒng)配置考慮的因素
為了提高測繪效率，實(shí)用的合成孔徑聲納系統(tǒng)一般都采用多子陣，而姿態(tài) 傳感器和位置傳感器為可選配置項(xiàng)。這與合成孔徑聲納系統(tǒng)頻率、分辨率、工 作水域、聲納基陣載體等因素有關(guān)。不同的合成孔徑聲納系統(tǒng)，運(yùn)動誤差估計(jì)
的精度要求各不相同；而高精度姿態(tài)和位置傳感器價(jià)格昂貴，考慮到性價(jià)比，
也會根據(jù)系統(tǒng)要求配置合適的傳感器。當(dāng)要求的運(yùn)動補(bǔ)償精度比較低時(shí)，可以 采用多子陣和姿態(tài)傳感器的配置。當(dāng)要求的運(yùn)動補(bǔ)償精度較高時(shí)，在多子陣和 姿態(tài)傳感器配置的基礎(chǔ)上增加高精度位置傳感器。本實(shí)施例提供的運(yùn)動補(bǔ)償方 法可以適用于不同傳感器配置的情況。
二、 劃分測繪條帶
劃分測繪條帶是指沿距離向?qū)⒄麄€(gè)測繪帶劃分為若干條帶，這種劃分可以 是均勻的，也可以是不均勻的。
合成孔徑聲納的成像坐標(biāo)系為二維坐標(biāo)系(即方位向和距離向)，聲納基陣 的運(yùn)動坐標(biāo)系為三維坐標(biāo)系(聲納基陣做三維六自由度運(yùn)動)。因此，聲納基陣 的運(yùn)動誤差投影到二維坐標(biāo)系后，相同的運(yùn)動誤差對不同距離上的目標(biāo)影響是 不同的。如果聲納測繪帶寬較窄的話，這種影響并不大，可以忽略。對于非常 寬的測繪帶，則需要將測繪帶劃分為多個(gè)測繪條帶，各測繪條帶的測繪帶寬既 可以是等間距的，也可以是不等間距的。下文描述中均指對某一測繪條帶進(jìn)行 運(yùn)動誤差估計(jì)和運(yùn)動補(bǔ)償，如果劃分的測繪條帶個(gè)數(shù)為w,重復(fù)執(zhí)行下述步驟w 次即可。
三、 估計(jì)隨陣坐標(biāo)系原點(diǎn)位置
合成孔徑聲納基陣運(yùn)動可以分解為平動和轉(zhuǎn)動兩部分。采用隨陣坐標(biāo)系可 以很好反映這一特點(diǎn)。隨陣坐標(biāo)系原點(diǎn)可以選聲納基陣上任意一點(diǎn)， 一般選為 聲納基陣的中點(diǎn)。聲納基陣的平動可以用隨陣坐標(biāo)系原點(diǎn)的運(yùn)動來描述，聲納 基陣的轉(zhuǎn)動可以用聲納基陣相對隨陣坐標(biāo)系原點(diǎn)的轉(zhuǎn)動來描述。確定聲納基陣
的平動和轉(zhuǎn)動信息后，便可確定聲納基陣上各陣元或等效相位中心位置，從而計(jì)算出聲納基陣上各陣元或等效相位中心與理想航跡之間的運(yùn)動誤差。
在圖像坐標(biāo)系中，隨陣坐標(biāo)系為二維，如圖2所示；在聲納基陣三維運(yùn)動 坐標(biāo)系中，隨陣坐標(biāo)系為三維，如圖4所示。圖像坐標(biāo)系中絕對坐標(biāo)系定義為^， x方向?yàn)榫嚯x向，^方向?yàn)榉轿幌颍宦暭{基陣三維運(yùn)動的絕對坐標(biāo)系定義為"z， x方向?yàn)樗较?，^方向?yàn)榉轿幌?，z方向?yàn)榇怪毕?；二維隨陣坐標(biāo)系為義y,三 維隨陣坐標(biāo)系為wV ，下文描述中均遵守上述約定。
下面對隨陣坐標(biāo)系原點(diǎn)位置的估計(jì)方法的各步驟進(jìn)行詳細(xì)描述。 如圖2所示，采用方向矢量表示聲納基陣在x。y坐標(biāo)系的指向，方向矢量即 聲納基陣指向的單位矢量，方向矢量指向聲納基陣的前進(jìn)方向。假設(shè)聲納基陣
與^軸夾角為"，與y軸夾角為"，此時(shí)方向矢量S"cosa C0S>9)。第"乒陣元的
隨陣坐標(biāo)原點(diǎn)位置為o'(")，其方向矢量為^w;第"+ l兵陣元的隨陣坐標(biāo)原點(diǎn) 位置為o'(" + i)，其方向矢量為d(" + i)。 1、尋找重疊相位中心對
多子陣合成孔徑聲納采用收發(fā)分置，定義發(fā)射陣R和接收陣T的中點(diǎn)為等 效相位中心，如圖1所示，用C表示。等效相位中心可以將收發(fā)分置系統(tǒng)簡化 為收發(fā)合置的系統(tǒng)，等效相位中心C即為近似的虛擬收發(fā)合置陣元。等效相位 中心可以簡化合成孔徑聲納系統(tǒng)信號處理的復(fù)雜度。本發(fā)明方法可適用于收發(fā) 分置的系統(tǒng)，等效相位中心與多子陣各接收子陣陣元是——對應(yīng)的，下文描述 中一律使用等效相位中心描述，不再使用"陣元或等效相位中心"的描述方法。
下文給出 一種通過回波信號互相關(guān)確定等效相位中心對的方法。
布I定等效相位中心c,(")對應(yīng)的回波信號為，分別計(jì)算^。W與 +1) G' = o,...,wc -1)之間的相關(guān)系數(shù)；
假設(shè)^(")與、.("+ i)之間的相關(guān)系數(shù)最大，則 (")與^^ + i)之間的相關(guān)性 最強(qiáng)，即等效相位中心對(o,y)為重疊相位中心對；
前后兩乒重疊的等效相位中心對共有A^—= wc-y對，重疊的相位中心對分別為(0,力、(1,7 + 1)、 ...(7V。v—-l,iVc-l)。其中，多子陣合成孔徑聲納一般是均 勻布陣，因此，等效相位中心也是等間距的。特殊情況下如果使用不等間距布 陣的聲納基陣，此時(shí)重疊相位中心對及其個(gè)數(shù)的計(jì)算方法需要改變。此時(shí)，第 一個(gè)相位中心對(OJ)的計(jì)算方法不變，后續(xù)重疊相位中心對及其個(gè)數(shù)的計(jì)算方 法可依據(jù)各等效相位中心相對(0,刀的位置關(guān)系確定。
2 、計(jì)算各重疊等效相位中心對在x方向的運(yùn)動誤差V、
= x40)-x,(" + l), (b')為一對重疊的等效相位中心，Vx^的計(jì)算步驟如下
* 取第"兵第*個(gè)相位中心對應(yīng)的信號和第"+1兵第7'個(gè)相位中心對應(yīng)
的信號~(" + 0 ,其中"，0為 一對重疊的等效相位中心；
* 計(jì)算信號和信號+1)的相關(guān)系數(shù)c;,;
* 查找q的最大^f直，并確定其對應(yīng)的索引位置為/;，則v W)xr、，其 中w為"W和 ^ + i)的信號長度，^為單個(gè)釆樣點(diǎn)對應(yīng)的采樣距離，即距離門。
3、計(jì)算前后兩乒隨陣坐標(biāo)系原點(diǎn)之間的相對運(yùn)動誤差
如圖3所示，各接收陣元對應(yīng)的等效相位中心距隨陣坐標(biāo)原點(diǎn)的長度用相 位中心搖臂來描述。相位中心搖臂為標(biāo)量，相位中心在隨陣坐標(biāo)系原點(diǎn)正向一 側(cè)時(shí)搖臂為正；在隨陣坐標(biāo)系原點(diǎn)負(fù)向一側(cè)時(shí)搖臂為負(fù)。
用向量F表示二維坐標(biāo)點(diǎn)(x,力或三維坐標(biāo)點(diǎn)(x,乂z)位置，則o'的位置可以采
用f。.來表示。由圖2可以證明
▽。'力( ) 一 + i)-、
其中
V。'即為前后兩兵隨陣坐標(biāo)系原點(diǎn)之間的相對運(yùn)動誤差；
、.=( aa);
另夕卜，由于相位中心(A:力重疊，故A^-力(")—^(" + 1)*0。
如果重疊的相位中心對為多個(gè)，可以先分別利用各重疊的相位中心對求V。.，
12然后對各V。.求平均。
4、與位置傳感器信息進(jìn)行融合
上述步驟1至3中估計(jì)出了前后兩兵隨陣坐標(biāo)系原點(diǎn)之間的相對運(yùn)動誤差
▽。.(稱為數(shù)據(jù)源一)；如果系統(tǒng)配置有位置傳感器，位置傳感器可以直接獲取前 后兩兵隨陣坐標(biāo)系原點(diǎn)之間的相對誤差v。，(稱為數(shù)據(jù)源二)。數(shù)據(jù)源一和數(shù)據(jù)源
二是獨(dú)立的，可以通過數(shù)據(jù)融合技術(shù)(例如卡爾曼濾波技術(shù)、平均或其他數(shù)據(jù)融
合技術(shù))提高v。,的估計(jì)精度。數(shù)據(jù)融合的時(shí)候有一點(diǎn)需要注意，數(shù)據(jù)源一的v。,對 應(yīng)的坐標(biāo)系為圖像坐標(biāo)系，即只包含方位和距離兩個(gè)分量；而數(shù)據(jù)源二的v。.對 應(yīng)的坐標(biāo)系為三維坐標(biāo)系，包含方位、橫蕩和升沉三個(gè)方向的分量。數(shù)據(jù)源一 和數(shù)據(jù)源二只有方位向坐標(biāo)是相同的，因此數(shù)據(jù)融合的對象也主要是兩個(gè)數(shù)據(jù)
源的方位向分量(_y軸分量)。
5、計(jì)算隨陣坐標(biāo)系原點(diǎn)位置。
根據(jù)公式 。.(— =F。.(n) + V。.計(jì)算隨陣坐標(biāo)系+ 的位置。
四、計(jì)算當(dāng)前乒各陣元或等效相位中心相對參考航跡的運(yùn)動誤差
1、 判斷是否配置位置傳感器
2、 如果否，則直接計(jì)算各等效相位中心相對參考航跡的運(yùn)動誤差 各等效相位中心的位置為
+1) = F。, (" +1) ++1) 等效相位中心位置與參考航跡之差即為各等效相位中心與參考航跡之間的 運(yùn)動誤差。
3、 如果是，按照如下步驟計(jì)算各陣元或等效相位中心的運(yùn)動誤差 (1)、確定測線方程
' 一般取測線為測繪帶的中心線，即直線^ = ^,
L Z =
Y = "mm "max ^
其中，°— ~~^ ,測繪帶范圍為^w x隨J。(2) 、計(jì)算相位中心坐標(biāo)
如圖4所示，在三維坐標(biāo)系中，已經(jīng)估計(jì)出隨陣坐標(biāo)系原點(diǎn)的位置F。,，第^
個(gè)接收陣對應(yīng)的等效相位中心的坐標(biāo)為F"為
= ^ + A. ^ 。
其中，S = (cos" c。s" c。s"a、 / 、 y分別為聲納基陣與x軸、少軸、z軸的
夾角；等效相位中心搖臂長度為、隨陣坐標(biāo)系原點(diǎn)為o'。
(3) 、計(jì)算相位中心到測線的垂直距離
相位中心坐標(biāo)為K' 則相位中心到測線的垂直距離為 ~, = V<X, - x。)2 +<X -W2 。
(4) 、計(jì)算測線到參考航跡的垂直距離
以y軸為參考航跡，參考航跡到測線的垂直距離為^ = A2"2 (5)、計(jì)算相位中心相對參考航跡的運(yùn)動誤差 相對測線的運(yùn)動誤差為V^, =- 。
五、根據(jù)運(yùn)動誤差對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)動補(bǔ)償
根據(jù)運(yùn)動誤差對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)動補(bǔ)償，即根據(jù)實(shí)際情況選擇頻域或時(shí)域 的運(yùn)動補(bǔ)償方法將已經(jīng)估計(jì)出的運(yùn)動誤差對原始回波數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償。
假設(shè)相位中心c,對應(yīng)的回波信號為,其相對參考航跡在距離向的運(yùn)動誤
差為V、?？紤]雙程，Vx。,對應(yīng)的聲傳播時(shí)間為V^,^, c為聲速。假設(shè)信號",)
采樣率為/:, vx。,對應(yīng)的采樣點(diǎn)數(shù)為 .=/:^,,運(yùn)動誤差補(bǔ)償即獲取信號 5:")=fw )。
補(bǔ)償運(yùn)動誤差Vx。,有時(shí)域和頻域兩種方法。時(shí)域方法依靠平移來實(shí)現(xiàn)，由于 v、可能為非整數(shù)，所以利用時(shí)域方法補(bǔ)償v、需要插值，運(yùn)算量比較大。相比 之下，頻域方法則通過乘相位因子來實(shí)現(xiàn)，簡潔方便。實(shí)現(xiàn)步驟如下
1、對s,(,)進(jìn)行快速傅立葉變換(FFT)，得到其頻譜s,(/);2、 《(/)乘以相位因子exp(-/2; /vO得到《(/),即
3、 對《(/)進(jìn)行快速逆傅立葉變換(IFFT),得到運(yùn)動誤差補(bǔ)償后的信號s:(o
為了說明本發(fā)明提出方法的有效性，進(jìn)行了仿真分析。針對第一種系統(tǒng)配
置和第二種系統(tǒng)配置兩種情況分別進(jìn)行了仿真分析。仿真說明及結(jié)果分析如下
(1) 、未配置位置傳感器的情況 仿真場景中聲納基陣原點(diǎn)水平向運(yùn)動誤差如圖5所示，聲納基陣首向角變
化如圖6所示，仿真目標(biāo)為圓柱體目標(biāo)如圖7所示，圖8為未采用運(yùn)動補(bǔ)償?shù)?成像結(jié)果，圖9為采用本發(fā)明提出運(yùn)動補(bǔ)償方法的成像結(jié)果?？梢钥闯?，圖9 的成像質(zhì)量明顯優(yōu)于圖8的成像質(zhì)量，本發(fā)明提出的運(yùn)動補(bǔ)償方法較好的消除 了運(yùn)動誤差對合成孔徑聲納成像的影響。
(2) 、配置位置傳感器的情況
仿真目標(biāo)為五個(gè)點(diǎn)目標(biāo)，仿真場景中的運(yùn)動誤差包括橫蕩(sway)、升沉 (heave)、首搖(heading)，其中橫蕩運(yùn)動誤差如圖13所示，升沉運(yùn)動誤差如圖 14所示，首搖運(yùn)動誤差如圖12所示，所述三幅圖的橫坐標(biāo)都是脈沖重復(fù)周期 (prt )為0. 3s時(shí)的兵(ping)數(shù)。圖10為未釆用運(yùn)動補(bǔ)償?shù)某上窠Y(jié)果，圖11 為采用本發(fā)明運(yùn)動補(bǔ)償方法得成像結(jié)果。可以看出，圖ll的點(diǎn)目標(biāo)成像質(zhì)量遠(yuǎn) 遠(yuǎn)優(yōu)于圖IO的點(diǎn)目標(biāo)成像質(zhì)量，本發(fā)明提出的運(yùn)動補(bǔ)償方法較好的消除了運(yùn)動 誤差對合成孔徑聲納成像的影響。
最后應(yīng)說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案并且不限于此， 而是在應(yīng)用上可以延伸到其他的修改、變化、應(yīng)用和實(shí)施例，并且因此認(rèn)為所 有這樣的修改、變化、應(yīng)用、實(shí)施例都在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種合成孔徑聲納聯(lián)合運(yùn)動補(bǔ)償方法，包括步驟10)、配置合成孔徑聲納多接收子陣與姿態(tài)傳感器；步驟20)、通過所述傳感器獲取的所述合成孔徑聲納多接收子陣的姿態(tài)信息，估計(jì)隨陣坐標(biāo)系原點(diǎn)的位置；步驟30)、根據(jù)所述隨陣坐標(biāo)系原點(diǎn)的運(yùn)動，確定聲納基陣上各等效相位中心位置，獲得聲納基陣上當(dāng)前乒各等效相位中心的運(yùn)動誤差。
2、 權(quán)利要求l的方法，進(jìn)一步包括步驟4G)、根據(jù)所述運(yùn)動誤差對原始陣元數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)動補(bǔ)償。
3、 權(quán)利要求1的方法，其中，步驟10)中，所述傳感器還包括位置傳感器。
4、 權(quán)利要求3的方法，其中，當(dāng)運(yùn)動補(bǔ)償精度要求較低時(shí)，可以選擇合成 孔徑聲納多接收子陣和姿態(tài)傳感器的配置；當(dāng)運(yùn)動補(bǔ)償精度要求較高時(shí)，可以 選擇合成孔徑聲納多接收子陣、姿態(tài)傳感器和位置傳感器的配置。
5、 權(quán)利要求l的方法，其中，步驟10)進(jìn)一步包括沿距離向?qū)⒄麄€(gè)測繪 帶劃分為若干條測繪帶。
6、 權(quán)利要求5的方法，其中，所述劃分可以是均勻的，也可以是不均勻的。
7、 權(quán)利要求l的方法，其中，步驟20)進(jìn)一步包括 步驟210)、確定等效相位中心重疊對；步驟220 )、根據(jù)所述等效相位中心重疊對，計(jì)算各重疊的等效相位中心對 在距離方向的運(yùn)動誤差；步驟230 )、才艮據(jù)等效相位中心重疊對在距離方向的運(yùn)動誤差，計(jì)算前后兩 乒隨陣坐標(biāo)系原點(diǎn)之間的相對運(yùn)動誤差。
8、 權(quán)利要求7的方法，其中，所述方法進(jìn)一步包括步驟240 )、將所述隨陣坐標(biāo)系原點(diǎn)之間的相對運(yùn)動誤差與另外配置的位置 傳感器直接獲取的前后兩乒隨陣坐標(biāo)系原點(diǎn)之間的相對誤差融合。
9、 權(quán)利要求7的方法，其中，步驟210)中，在發(fā)射陣和接收陣分置的系 統(tǒng)中，所述等效相位中心為發(fā)射陣和接收陣的中點(diǎn)。
10、 權(quán)利要求8的方法，其中，數(shù)據(jù)融合的對象包括所述兩個(gè)相對誤差的方位向分量。
11、 權(quán)利要求l的方法，其中，步驟30)進(jìn)一步包括步驟310 )、將等效相位中心位置與參考航跡點(diǎn)的差值作為等效相位中心與 參考航跡之間的運(yùn)動誤差。
12、 權(quán)利要求l的方法，其中，當(dāng)配置有位置傳感器時(shí)，步驟30)進(jìn)一步包括步驟310)、選耳又測繪帶中心線的直線方程為測線方程；步驟320)、才艮據(jù)隨陣坐標(biāo)系原點(diǎn)的位置和所述測線方程，獲得相位中心坐標(biāo)；步驟330 )、計(jì)算相位中心到測線的垂直距離以及測線到參考航跡的垂直距離；步驟34 0 )、根據(jù)步驟330 )中的所述兩個(gè)垂直距離，獲得相位中心相對參 考航跡的運(yùn)動誤差。
13、 權(quán)利要求2的方法，其中，通過頻域或時(shí)域的運(yùn)動補(bǔ)償方法，使用所 述已經(jīng)估計(jì)出的運(yùn)動誤差對原始回波數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償。
14、 一種合成孔徑聲納聯(lián)合運(yùn)動補(bǔ)償系統(tǒng)，包括 合成孔徑聲納多接收子陣；姿態(tài)傳感器，用于獲取所述合成孔徑聲納多接收子陣的姿態(tài)信息； 控制模塊，與所述合成孔徑聲納多接收子陣和所述姿態(tài)傳感器相連接，獲 取運(yùn)動目標(biāo)原始信息和所述姿態(tài)傳感器獲取的信息，估計(jì)隨陣坐標(biāo)系原點(diǎn)的位 置；并且根據(jù)所述隨陣坐標(biāo)系原點(diǎn)的運(yùn)動，確定聲納基陣上各等效相位中心位 置,獲得聲納基陣上當(dāng)前乒各等效相位中心的運(yùn)動誤差。
15、 權(quán)利要求14的系統(tǒng)，其中，所述控制模塊還可以通過頻域或時(shí)域的運(yùn)動補(bǔ)償方法，使用所述已經(jīng)估計(jì)出的運(yùn)動誤差對運(yùn)動目標(biāo)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償。
16、權(quán)利要求14的系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)進(jìn)一步包括位置傳感器，與所述控制模塊相連接，用于高精度的運(yùn)動信息獲取。
全文摘要
本發(fā)明提出一種合成孔徑聲納聯(lián)合運(yùn)動補(bǔ)償方法和系統(tǒng)，根據(jù)合成孔徑聲納基陣載體和運(yùn)動補(bǔ)償精度的要求，配置包括合成孔徑聲納多接收子陣與所需傳感器的系統(tǒng)；通過所述傳感器獲取的信息，估計(jì)隨陣坐標(biāo)系原點(diǎn)的位置；根據(jù)所述隨陣坐標(biāo)系原點(diǎn)的運(yùn)動，確定聲納基陣上各等效相位中心位置，獲得聲納基陣上當(dāng)前乒各等效相位中心的運(yùn)動誤差。充分利用可配置的多種傳感器數(shù)據(jù)，提高運(yùn)動補(bǔ)償精度；運(yùn)動補(bǔ)償計(jì)算過程簡單方便，便于實(shí)時(shí)系統(tǒng)應(yīng)用。
文檔編號G01S15/00GK101551452SQ20081010324
公開日2009年10月7日 申請日期2008年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月1日
發(fā)明者維 劉, 劉紀(jì)元, 張春華 申請人:中國科學(xué)院聲學(xué)研究所