一種合成孔徑聲納快速實(shí)時(shí)成像方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種合成孔徑聲納快速實(shí)時(shí)成像方法，該方法根據(jù)運(yùn)動誤差查表獲取聲波從像素點(diǎn)到空間采樣點(diǎn)的精確傳播延時(shí)，并利用陣元單個(gè)空間采樣點(diǎn)回波數(shù)據(jù)的反向傳播結(jié)果與過程圖像相干疊加，進(jìn)行孔徑合成，具有成像精確、計(jì)算量小、回波數(shù)據(jù)零庫存和便于大規(guī)模流水線處理的優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)對海底的遠(yuǎn)距離、大場景的高分辨率快速實(shí)時(shí)成像。
【專利說明】一種合成孔徑聲納快速實(shí)時(shí)成像方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及水聲工程中的合成孔徑聲納【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種合成孔徑聲納的成像方法。
【背景技術(shù)】
[0002]合成孔徑聲納是一種21世紀(jì)海洋高新技術(shù)，它利用小孔徑基陣的直線運(yùn)動虛擬出大孔徑基陣，從而獲得與信號頻率和作用距離無關(guān)的高分辨探測能力，在海洋軍事領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用于探雷、航道測繪和情報(bào)偵察?，F(xiàn)代海戰(zhàn)形態(tài)正加速向信息化、數(shù)字化演變，戰(zhàn)機(jī)稍縱即逝，因此合成孔徑聲納必須具備遠(yuǎn)距離、大場景、高分辨率快速實(shí)時(shí)成像的能力。
[0003]在合成孔徑聲納領(lǐng)域，延時(shí)求和是一種理論最優(yōu)算法，它通過計(jì)算像素點(diǎn)到其對應(yīng)虛擬孔徑上每個(gè)空間采樣點(diǎn)的聲程，獲得像素點(diǎn)回波的傳播延時(shí)曲線，然后對回波逐線求和完成虛擬孔徑的合成處理。不同方位像素點(diǎn)對應(yīng)的虛擬孔徑不同，而運(yùn)動誤差對回波引入的延時(shí)誤差與陣元空間采樣點(diǎn)在虛擬孔徑中的方位位置有關(guān)。因此，采用逐點(diǎn)延時(shí)求算法對不同方位像素點(diǎn)成像時(shí)，陣元在同一空間位置采集的回波需要不同相移才能精確補(bǔ)償運(yùn)動誤差的影響，運(yùn)動補(bǔ)償?shù)挠?jì)算量非常大，難以滿足實(shí)時(shí)成像的要求。
[0004]一種改進(jìn)的方法是進(jìn)行孔徑分段補(bǔ)償，即在一定長度的子孔徑段內(nèi)，近似認(rèn)為陣元運(yùn)動誤差引入的延時(shí)誤差相同，一次補(bǔ)償可參與多個(gè)方位向像素點(diǎn)對應(yīng)虛擬孔徑的合成處理。例如子孔徑由N個(gè)陣元組成，則回波數(shù)據(jù)運(yùn)動補(bǔ)償結(jié)果可用于相鄰的N個(gè)虛擬孔徑，從而可以將運(yùn)動補(bǔ)償?shù)挠?jì)算量降低N倍。在實(shí)際應(yīng)用中，為保證最終成像質(zhì)量，子孔徑不易劃分過大，因此這種改進(jìn)方法雖然一定程度提高了孔徑合成處理的速度，但仍難以滿足遠(yuǎn)距離、大場景、高分辨率實(shí)時(shí)成像的要求。
[0005]為保證高分辨率，合成孔徑聲納處理的數(shù)據(jù)量非常大，對處理器的速度要求較高。尤其是在遠(yuǎn)距離、大場景的條件下，基于單處理器的串行處理方法很難滿足實(shí)時(shí)性的要求，而基于多處理器的并行處理方法是解決這一問題的有效途徑。為控制數(shù)據(jù)接口規(guī)模，節(jié)約成本，多子陣合成孔徑聲納通常采用流水線并行處理。流水線并行處理將任務(wù)串行分配，數(shù)據(jù)通信僅發(fā)生在相鄰子任務(wù)，且數(shù)據(jù)傳輸可以完全異步進(jìn)行，具有數(shù)據(jù)接口規(guī)模小、工程應(yīng)用簡單的優(yōu)點(diǎn)。由于串行分發(fā)數(shù)據(jù)，流水線規(guī)模易受到數(shù)據(jù)傳輸量的限制。傳統(tǒng)延時(shí)求和算法通過累積原始回波數(shù)據(jù)形成虛擬孔徑，各處理單元間數(shù)據(jù)傳輸量較大，數(shù)據(jù)傳輸占用時(shí)間較長，流水線處理規(guī)模受到限制，難以滿足遠(yuǎn)距離、大場景、高分辨率合成孔徑聲納快速實(shí)時(shí)成像的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于克服上述技術(shù)的不足，提供一種成像精確、計(jì)算量小和便于大規(guī)模流水線處理的合成孔徑聲納成像方法，能夠?qū)崿F(xiàn)對遠(yuǎn)距離、大海底場景的高分辨率快速實(shí)時(shí)成像。
[0007]本發(fā)明為解決技術(shù)問題采取的技術(shù)方案:一種合成孔徑聲納快速實(shí)時(shí)成像方法，該方法利用陣元單個(gè)空間采樣點(diǎn)所采集回波數(shù)據(jù)的反向傳播結(jié)果，與緩存的過程圖像相干疊加，實(shí)現(xiàn)快速實(shí)時(shí)合成孔徑處理，其具體步驟為:
[0008]步驟一:假設(shè)聲納平臺運(yùn)動軌跡為直線，預(yù)存聲信號從陣元波束范圍內(nèi)各像素點(diǎn)
到陣元的傳播延時(shí)表
【權(quán)利要求】
1.一種合成孔徑聲納快速實(shí)時(shí)成像方法，其特征在于:該方法利用陣元單個(gè)空間采樣點(diǎn)所采集回波數(shù)據(jù)的反向傳播結(jié)果，與緩存的過程圖像相干疊加，實(shí)現(xiàn)快速實(shí)時(shí)合成孔徑處理，其具體步驟為: 步驟一:假設(shè)聲納平臺運(yùn)動軌跡為直線，預(yù)存聲信號從陣元波束范圍內(nèi)各像素點(diǎn)到陣元的傳播延時(shí)表T = G QhAXN，其中rM = 2yj X； +rn21 c, x k，n是像素點(diǎn)到陣元空間采樣 點(diǎn)的傳播延時(shí)，xk是陣元空間采樣點(diǎn)(Xi，0)到像素點(diǎn)(Xm，rn)的相對方位，即陣元在虛擬孔徑中的方位位置，Xk=X1-Xm, k為相對方位對應(yīng)的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)，k=1-m, n為像素點(diǎn)與陣元相對距離對應(yīng)的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)，Lsa為一個(gè)虛擬孔徑長度內(nèi)的方位向像素點(diǎn)個(gè)數(shù)，N為距離向像素點(diǎn)個(gè)數(shù)，c為水聲聲速，Q表示有理數(shù)集合； 步驟二:參考陣元波束覆蓋范圍，開辟一個(gè)相同大小的過程圖像緩存區(qū)B，B = UW^，其中C表示復(fù)數(shù)集合； 步驟三:回波數(shù)據(jù)接收并匹配濾波后，首先將光纖羅經(jīng)和冗余相位中心算法相結(jié)合進(jìn)行多源運(yùn)動估計(jì)，并通過坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，計(jì)算出載體運(yùn)動誤差在空間采樣點(diǎn)i處引入的陣元位置誤差(AXi，Ari)； 步驟四:根據(jù)陣元位置誤差(AXi，Ari),查表取傳聲播延時(shí)，作為像素點(diǎn)(xm, rn)到陣元空間采樣點(diǎn)(Xi, 0)的傳播延時(shí)，其中A k^round ( A Xi/ S x)、Ani=TOuncKAri/ 8 r), 6 x> S ^分別為方位向和距離向像素點(diǎn)間隔，round表示取整數(shù)；步驟五:根據(jù)傳播延時(shí)，將陣元在空間采樣點(diǎn)位置(Xi，0)接收的回波數(shù)據(jù)ei(t)反向傳播到各像素點(diǎn)，并與緩存的過程圖像相干疊加，進(jìn)行孔徑合成處理，即耿《)=耿/?)+弓(r減_ —); 步驟六:沿聲納航行反方向，將孔徑合成處理結(jié)果搬移一個(gè)空間采樣點(diǎn)間隔，即B (k+q, n) =B (k, n)，此時(shí)緩存區(qū)會自動溢出像素點(diǎn)B (Lsa+I, n) □ B (LSA+q, n)，自動溢出像素點(diǎn)均已完成虛擬孔徑的合成處理，可以輸出送顯示，其中q為一個(gè)空間采樣點(diǎn)間隔對應(yīng)的方位向像素點(diǎn)個(gè)數(shù)； 步驟七:保存緩存區(qū)的過程圖像，接收下一空間采樣點(diǎn)接收的回波數(shù)據(jù)ei+1(t)，回到步驟三。
【文檔編號】G01S15/89GK103645479SQ201310712769
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年12月20日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月20日
【發(fā)明者】汲夏, 朱必波, 叢衛(wèi)華 申請人:中國船舶重工集團(tuán)公司第七一五研究所