一種基于多維波形編碼的合成孔徑聲納成像方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種基于多維波形編碼的合成孔徑聲納成像方法及系統(tǒng)，該方法基于方位向的時(shí)間、空間及頻率域的多維波形編碼，所述方法包含：步驟101）發(fā)射陣通過相控策略發(fā)射若干中心角和載頻不同的窄波束信號，將發(fā)射的脈沖時(shí)寬分為若干個(gè)子脈沖，在不同子脈沖時(shí)間內(nèi)利用發(fā)射波束形成策略控制波束指向使其照射不同子測繪帶；步驟102）將多通道接收陣接收到的各子測繪帶的多孔徑數(shù)據(jù)分別進(jìn)行脈沖壓縮和方位向FFT，然后按照解模糊方法進(jìn)行方位向空域?yàn)V波后，再采用成像算法進(jìn)行聚焦成像?？傊景l(fā)明的技術(shù)方案采用空間分集技術(shù)，可以在一個(gè)脈沖重復(fù)周期內(nèi)獲得更多的方位向空間采樣，從而使測繪效率得到提高。本發(fā)明主要應(yīng)用于水聲成像領(lǐng)域。
【專利說明】一種基于多維波形編碼的合成孔徑聲納成像方法及系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于水聲成像和聲納信號處理領(lǐng)域。本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種基于方位向多維波形編碼的合成孔徑聲納成像方法，該方法采用空間分集技術(shù)，可以在一個(gè)脈沖重復(fù)周期內(nèi)獲得更多的方位向空間采樣，從而使測繪效率得到提高。具體涉及一種基于多維波形編碼的合成孔徑聲納成像方法及系統(tǒng)。
【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)，在一定的測繪帶寬(比如單側(cè)測繪帶寬為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)。必須對傳統(tǒng)的高分辨率成像聲納體制進(jìn)行改進(jìn)，才能在小孔徑聲納約束下，在滿足測繪帶寬和成像分辨率的前提下，提高成像聲納的拖曳速度，滿足探測使命要求。
[0004]在合成孔徑雷達(dá)(SAR)領(lǐng)域，為了提高星載合成孔徑雷達(dá)的測繪帶寬，突破傳統(tǒng)的距離和方位向模糊導(dǎo)致的測繪效率的極限，上世紀(jì)九十年代，提出了采用多相位中心的DPCA系統(tǒng)，僅在接收方面提高了接收孔徑，缺少提高發(fā)射功率來提高功率孔徑積的方法。隨著分辨率的提高，產(chǎn)生了一些新的技術(shù)，例如，分時(shí)發(fā)射信號，分時(shí)接收，對硬件系統(tǒng)的要求較低，但存在子脈沖與距離耦合的問題，影響了圖像的質(zhì)量。因此，和合成孔徑聲納一樣，基于單發(fā)射的合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)也遇到了獲取高功率孔徑積和大信號帶寬的問題。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)測繪效率的新途徑。
[0005]本發(fā)明基于多發(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，以及方位向多維編碼產(chǎn)生大的等效孔徑。本發(fā)明將多維波形編碼技術(shù)應(yīng)用到合成孔徑聲納成像中，可以提高合成孔徑聲納的探測效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于，為提高合成孔徑聲納的測繪效率，本發(fā)明提供了一種基于多維波形編碼的合成孔徑聲納方法及系統(tǒng)。
[0007]為了實(shí)現(xiàn)上述目的本發(fā)明提供了一種基于多維波形編碼的合成孔徑聲納成像方法，該方法基于方位向的時(shí)間、空間及頻率域的多維波形編碼，所述方法包含:
[0008]步驟101)發(fā)射陣通過相控策略發(fā)射若干中心角不同的窄波束信號，將發(fā)射陣發(fā)射的脈沖時(shí)寬分為若干個(gè)子脈沖，在不同子脈沖時(shí)間內(nèi)利用發(fā)射波束形成策略控制波束指向使其照射不同子測繪帶；
[0009]步驟102)成像處理單元將多通道接收陣接收到的各子測繪帶的多孔徑數(shù)據(jù)分別進(jìn)行脈沖壓縮和方位向FFT，然后按照解模糊方法進(jìn)行方位向空域?yàn)V波后，再采用成像算法進(jìn)行聚焦成像。
[0010]上述技術(shù)方案中，在各個(gè)子脈沖時(shí)間內(nèi)，多個(gè)子孔徑同時(shí)發(fā)射信號，并通過相位加權(quán)控制波束指向使其照射不同的子測繪帶。
[0011]上述技術(shù)方案中，所述解模糊算法采用靜態(tài)權(quán)向量解模糊算法，利用多個(gè)等效相位中心的空間信息進(jìn)行解多普勒模糊。
[0012]基于上述方法本發(fā)明還提供了一種基于多維波形編碼的合成孔徑聲納成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于方位向多維波形編碼策略，所述系統(tǒng)包含:
[0013]發(fā)射處理模塊，用于通過相控方法使發(fā)射陣同時(shí)發(fā)射若干中心角和載頻不同的窄波束信號，并將發(fā)射陣發(fā)射的脈沖時(shí)寬分為若干個(gè)子脈沖，在不同子脈沖時(shí)間內(nèi)利用發(fā)射波束形成策略控制波束指向使其照射不同子測繪帶；
[0014]成像處理模塊用于將多通道接收陣接收到各子測繪帶的多孔徑數(shù)據(jù)分別進(jìn)行脈沖壓縮和方位向FFT，然后按照解模糊方法進(jìn)行方位向空域?yàn)V波后，再采用成像算法進(jìn)行聚焦成像。。
[0015]上述技術(shù)方案中，所述發(fā)射處理模塊進(jìn)步一包含:
[0016]脈沖產(chǎn)生模塊，用于將脈沖時(shí)寬分為若干個(gè)子脈沖，產(chǎn)生若干個(gè)中心角和載頻不同的窄波束發(fā)射信號；
[0017]相控子模塊，用于在不同子脈沖時(shí)間段內(nèi)利用發(fā)射波束形成策略控制波束指向，使其照射不同子測繪帶。
[0018]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)優(yōu)勢在于:
[0019]本發(fā)明將合成孔徑聲納的發(fā)射陣通過相控分別發(fā)射中心角為Θ i，…，Θ ^的窄波束信號，假設(shè)將脈沖時(shí)寬Tp分為L個(gè)子脈沖，每個(gè)子脈沖時(shí)間寬度為Tpl，不同子脈沖時(shí)間內(nèi)利用發(fā)射波束形成控制波束指向使其照射不同子測繪帶。這種采用空間分集技術(shù)的成像方式可以在一個(gè)脈沖重復(fù)周期內(nèi)獲得更多的等效相位中心，從而使測繪效率得到提高。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1為本發(fā)明所采用的方位向多維波形編碼后的發(fā)射陣發(fā)射信號的示意圖；
[0021]圖2為本發(fā)明采用方位向波形編碼序列高分辨成像時(shí)接收端成像時(shí)的信號處理流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明基于方位向多維波形編碼的合成孔徑聲納進(jìn)行詳細(xì)的說明。
[0023]一、首先，在發(fā)射端將合成孔徑聲納的發(fā)射陣通過相控分別發(fā)射中心角為Θ ”…，Θ ^的不同載頻的窄波束信號，并將發(fā)射陣發(fā)射信號對應(yīng)的脈沖時(shí)寬Tp分為L個(gè)子脈沖，每個(gè)子脈沖時(shí)間寬度為Tpl，不同子脈沖時(shí)間寬度內(nèi)利用發(fā)射波束形成控制波束指向使其照射不同子測繪帶。這種采用空間分集技術(shù)的成像方式可以在一個(gè)脈沖重復(fù)周期內(nèi)獲得更多的等效相位中心，從而使測繪效率得到提高。如圖1所示，系統(tǒng)由相控發(fā)射陣和多通道接收陣構(gòu)成，圖中以多維波形編碼信號三發(fā)多收為例。相控陣分別發(fā)射中心角為Q1，…，Θ,的不同載頻的窄波束信號，假設(shè)將發(fā)射脈沖時(shí)寬Tp分為L個(gè)子脈沖，每個(gè)子脈沖時(shí)間寬度為Tpl，不同子脈沖時(shí)間內(nèi)利用發(fā)射波束形成控制波束指向使其照射不同子測繪帶。
[0024]假設(shè)將脈沖時(shí)寬T分為L個(gè)子脈沖，每個(gè)子脈沖時(shí)間寬度為Tpl，不同子脈沖時(shí)間內(nèi)利用發(fā)射波束形成控制波束指向使其照射不同子測繪帶，在第I個(gè)子脈沖時(shí)間內(nèi)，多個(gè)子孔徑同時(shí)發(fā)射信號，通過相位加權(quán)控制波束指向使其照射第I個(gè)子測繪帶，發(fā)射信號可表示為:
[0025]s (t) =A ( θ x) rect ((t_ Δ T1) /Tpl) exp (j2 n fcl (t_ Δ T1) +j n Y (t-Δ T1)2) (I)
[0026]其中，其中Θ i為對應(yīng)于第I個(gè)子測繪帶場景中心線的方位角，Δ T1=Tpl+…+Tpl 為第 I 個(gè)子脈沖延時(shí)，Α( Θ D=SinO Ld(sin Θ fsin θ )/2 λ 0/Sin(Jid(Sine1-Sine)^A1), y為調(diào)頻斜率；fd表示第I個(gè)子波束的載頻；d為接收陣子陣元之間的的距離，λ 1載頻對應(yīng)的聲波波長。
[0027]上述的多維是指空間，時(shí)間以及頻率三個(gè)維度。
[0028]二、在接收端相應(yīng)的信號處理流程圖如圖2所示，即將接收到的多孔徑數(shù)據(jù)經(jīng)過脈沖壓縮，方位向FFT，然后按照下文所述的靜態(tài)權(quán)向量解模糊方法進(jìn)行方位向空域?yàn)V波后，即可用合適的成像算法進(jìn)行聚焦成像。具體描述如下:
[0029]1、基于上述發(fā)射信號，在接收端第P號陣元接收的基帶信號可表示為:
[0030]
【權(quán)利要求】
1.一種基于多維波形編碼的合成孔徑聲納成像方法，該方法基于方位向的時(shí)間、空間及頻率域的多維波形編碼，所述方法包含: 步驟101)發(fā)射陣通過相控策略發(fā)射若干中心角和載頻不同的窄波束信號，將發(fā)射的脈沖時(shí)寬分為若干個(gè)子脈沖，在不同子脈沖時(shí)間內(nèi)利用發(fā)射波束形成策略控制波束指向使其照射不同子測繪帶； 步驟102)成像處理單元將多通道接收陣接收到各子測繪帶的多孔徑數(shù)據(jù)分別進(jìn)行脈沖壓縮和方位向FFT，然后按照解模糊方法進(jìn)行方位向空域?yàn)V波后，再采用成像算法進(jìn)行聚焦成像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多維波形編碼的合成孔徑聲納成像方法，在各個(gè)子脈沖時(shí)間內(nèi)，多個(gè)子孔徑同時(shí)發(fā)射信號，并通過相位加權(quán)控制波束指向使其照射不同的子測繪帶。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多維波形編碼的合成孔徑聲納成像方法，其特征在于，所述解模糊算法采用靜態(tài)權(quán)向量解模糊算法，利用多個(gè)等效相位中心的空間信息進(jìn)行解多普勒模糊。
4.一種基于多維波形編碼的合成孔徑聲納成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于方位向多維波形編碼策略，所述系統(tǒng)包含: 發(fā)射處理模塊，用于通過相控方法使發(fā)射陣同時(shí)發(fā)射若干中心角不同的窄波束信號，并將發(fā)射陣發(fā)射的脈沖時(shí)寬分為若干個(gè)子脈沖，在不同子脈沖時(shí)間內(nèi)利用發(fā)射波束形成策略控制波束指向使其照射不同子測繪帶； 成像處理模塊，用于將多通道接收陣接收到各子測繪帶的多孔徑數(shù)據(jù)分別進(jìn)行脈沖壓縮和方位向FFT，然后按照解模糊方法進(jìn)行方位向空域?yàn)V波后，再采用成像算法進(jìn)行聚焦成像。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于多維波形編碼的合成孔徑聲納成像系統(tǒng)，其特征在于，所述發(fā)射處理模塊進(jìn)步一包含: 脈沖產(chǎn)生模塊，用于將脈沖時(shí)寬分為若干個(gè)子脈沖，產(chǎn)生若干個(gè)中心角和載頻不同的窄波束發(fā)射信號；和 相控子模塊，用于在不同子脈沖時(shí)間段內(nèi)利用發(fā)射波束形成策略控制波束指向，使其照射不同子測繪帶。
【文檔編號】G01S15/89GK103576157SQ201210249537
【公開日】2014年2月12日 申請日期: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 申請人:中國科學(xué)院聲學(xué)研究所