本發(fā)明屬于信號處理領(lǐng)域，特別涉及一種多子陣合成孔徑聲納運動誤差補償方法。

背景技術(shù)：

合成孔徑聲納進行圖像重構(gòu)的依據(jù)是多個脈沖信號間幾何關(guān)系得到的收、發(fā)聲程差，一般認為各脈沖間的聲納聲程誤差超過波長的八分之一時就會對重構(gòu)的圖像質(zhì)量產(chǎn)生顯著的影響。在實際應(yīng)用中，風(fēng)、浪、涌等自然環(huán)境因素以及船舶操縱性等人為因素都可以使聲納載體偏離理想航跡；不僅如此，水聲介質(zhì)的時間和空間起伏以及多徑效應(yīng)等因素也會導(dǎo)致聲納圖像的聚焦效果變差。所以，對于高分辨合成孔徑聲納系統(tǒng)來說，必須對運動過程中偏離理想航跡的聲納運動誤差進行精確地估計和補償，以達到減小甚至消除運動誤差影響的目的。

運動補償方法大致可以分為三種。一種是采用慣性導(dǎo)航設(shè)備所記錄的各時刻聲納載體的運動狀態(tài)來修正回波數(shù)據(jù)。第二種方法是先對各脈沖內(nèi)多個接收陣元的回波數(shù)據(jù)進行成像處理，然后再從這些粗分辨的子圖像中估計聲納的運動信息。最后一種就是從原始回波數(shù)據(jù)中直接提取聲納基陣的運動信息，并在合成孔徑成像處理前預(yù)先完成回波數(shù)據(jù)的補償。一般來說，導(dǎo)航設(shè)備可以提供精確的偏航和橫滾等聲納系統(tǒng)轉(zhuǎn)動信息，同時也能夠提供穩(wěn)健的側(cè)擺和航向方向上的加速度信息；但高精度導(dǎo)航設(shè)備價格高昂，而低廉的導(dǎo)航設(shè)備又不能滿足高分辨sas系統(tǒng)所需要的亞波長精度要求，使得基于導(dǎo)航設(shè)備的運動補償方法非常不經(jīng)濟和實用。而第二種方法運算量較大，實時性較差，一般適合于圖像后處理。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決上述技術(shù)問題，本申請實施例提供了一種多子陣合成孔徑聲納運動誤差補償方法，其特征在于，包含如下步驟：

s1、對每個接收陣元的回波數(shù)據(jù)，進行距離向的脈沖壓縮；

s2、針對空間上收發(fā)分置的每個接收陣元數(shù)據(jù)，進行收發(fā)合置的轉(zhuǎn)換；

s3、對相鄰兩個脈沖內(nèi)重疊的相位中心沿距離向求統(tǒng)計平均；

s4、對每個發(fā)射脈沖內(nèi)纏繞的平均相位誤差進行估計；

s5、對當前脈沖并含當前脈沖之前所估計出來的相位誤差進行累加，以獲得對應(yīng)于當前脈沖無纏繞的相位誤差；

s6、根據(jù)無纏繞的相位誤差，估計時延誤差；

s7、根據(jù)估計得到的時延誤差，對各脈沖的回波信號進行修正；

s8、利用修正后的回波數(shù)據(jù)進行成像處理。

作為本發(fā)明的一個優(yōu)選的技術(shù)方案，所述的步驟s2的收發(fā)合置轉(zhuǎn)換，其相位補償函數(shù)的計算公式如下：

對于收發(fā)陣元空間分置所導(dǎo)致的微距離徙動誤差，采用插值方法予以校正，其中微距離徙動誤差的表達式為：

其中r表示目標距離向坐標；v表示平臺運動速度，c表示聲波在水中的傳播速度；i表示第i個接收陣元和發(fā)射陣元所組成的子系統(tǒng)索引，di表示第i個子系統(tǒng)的收、發(fā)陣元間距，fc表示所發(fā)射的寬頻帶信號中心頻率。

作為本發(fā)明的一個優(yōu)選的技術(shù)方案，所述的步驟s3的統(tǒng)計平均，其計算公式如下：

其中p表示所發(fā)射的第p個脈沖的索引；ss(τ,p)表示在第p個脈沖內(nèi)經(jīng)過脈沖壓縮和收發(fā)合置轉(zhuǎn)換處理后的數(shù)據(jù)；*表示復(fù)共軛操作；σ表示求和運算；τ表示距離向快時間。

作為本發(fā)明的一個優(yōu)選的技術(shù)方案，所述的步驟s4的纏繞平均相位誤差，其計算公式如下：

其中im表示取復(fù)數(shù)的虛部處理；re表示取復(fù)數(shù)的實部處理；arctan表示表示反正切運算。

作為本發(fā)明的一個優(yōu)選的技術(shù)方案，所述的步驟s5無纏繞相位誤差，計算公式如下：

作為本發(fā)明的一個優(yōu)選的技術(shù)方案，所述的步驟s6的時延誤差，計算公式如下：

作為本發(fā)明的一個優(yōu)選的技術(shù)方案，所述的步驟s7的回波信號的修正，計算公式如下：

h(ft；p)＝exp{j2πftδτ(p)}·exp{j2πfcδτ(p)}。

本申請實施例中提供的一個或多個技術(shù)方案，至少具有如下技術(shù)效果或優(yōu)點：

能夠以較小的運算量估計出多子陣合成孔徑聲納的側(cè)擺誤差，進而用以提高多子陣合成孔徑聲納圖像的聚焦質(zhì)量。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為基于切向平均的誤差估計流程。

圖2為偏移相位中心方法幾何示意圖。

圖3為諧波運動誤差。

圖4為未補償誤差前的成像結(jié)果。

圖5為估計的運動誤差。

圖6為運動誤差補償后的成像結(jié)果。

具體實施方式

為了更好的理解上述技術(shù)方案，下面將結(jié)合說明書附圖以及具體的實施方式對上述技術(shù)方案進行詳細的說明。

如圖1所示，本實施例所述的一種多子陣合成孔徑聲納運動誤差補償方法，其特征在于，包含如下步驟：

s1、對每個接收陣元的回波數(shù)據(jù)，進行距離向的脈沖壓縮；

s2、針對空間上收發(fā)分置的每個接收陣元數(shù)據(jù)，進行收發(fā)合置的轉(zhuǎn)換；

s3、對相鄰兩個脈沖內(nèi)重疊的相位中心沿距離向求統(tǒng)計平均；

s4、對每個發(fā)射脈沖內(nèi)纏繞的平均相位誤差進行估計；

s5、對當前脈沖并含當前脈沖之前所估計出來的相位誤差進行累加，以獲得對應(yīng)于當前脈沖無纏繞的相位誤差；

s6、根據(jù)無纏繞的相位誤差，估計時延誤差；

s7、根據(jù)估計得到的時延誤差，對各脈沖的回波信號進行修正；

s8、利用修正后的回波數(shù)據(jù)進行成像處理。

其中，在本實施例中，所述的步驟s2的收發(fā)合置轉(zhuǎn)換，其相位補償函數(shù)的計算公式如下：

對于收發(fā)陣元空間分置導(dǎo)致的微距離徙動誤差，采用插值方法予以校正，其中微距離徙動誤差為：

其中r表示目標距離向坐標；v表示平臺運動速度，c表示聲波在水中的傳播速度；i表示第i個接收陣元和發(fā)射陣元所組成的子系統(tǒng)索引，di表示第i個子系統(tǒng)的收、發(fā)陣元間距，fc表示所發(fā)射的寬頻帶信號中心頻率。

其中，在本實施例中，所述的步驟s3的統(tǒng)計平均，其計算公式如下：

其中p表示所發(fā)射的第p個脈沖的索引；ss(τ,p)表示在第p個脈沖內(nèi)經(jīng)過脈沖壓縮和收發(fā)合置轉(zhuǎn)換處理后的數(shù)據(jù)；*表示復(fù)共軛操作；σ表示求和運算；τ表示距離向快時間。

其中，在本實施例中，所述的步驟s4的纏繞平均相位誤差，其計算公式如下：

其中im表示取復(fù)數(shù)的虛部處理；re表示取復(fù)數(shù)的實部處理；arctan表示表示反正切運算。

其中，在本實施例中，所述的步驟s5無纏繞相位誤差，計算公式如下：

其中，在本實施例中，所述的步驟s6的時延誤差，計算公式如下：

其中，在本實施例中，所述的步驟s7的回波信號的修正，計算公式如下：

h(ft；p)＝exp{j2πftδτ(p)}·exp{j2πfcδτ(p)}。

更為具體的：

如圖2所示為偏移相位中心方法示意圖，由8個接收陣元構(gòu)成的多子陣合成孔徑聲納系統(tǒng)。該系統(tǒng)的3個接收陣元數(shù)據(jù)用于成像處理，剩下的5個接收陣元數(shù)據(jù)用于運動補償。通過選擇合適的平臺運動速度，使得發(fā)射第p個脈沖時接收基陣尾部的5個等效相位中心和第p+1個脈沖時接收基陣前端的5個等效相位中心重疊。當系統(tǒng)不存在運動誤差時，這5個等效相位中心的回波數(shù)據(jù)對的回波數(shù)據(jù)完全一致。如果系統(tǒng)存在運動誤差，那么第p個脈沖接收基陣尾部的5個等效相位中心和第p+1個脈沖時接收基陣前端的5個等效相位中心將不再重疊。

首先完成回波數(shù)據(jù)的脈沖壓縮，然后基于相位中心近似方法，完成收發(fā)分置回波數(shù)據(jù)的收發(fā)合置轉(zhuǎn)換，其相位誤差補償函數(shù)為：

而對于收發(fā)陣元空間分置導(dǎo)致的微距離徙動誤差，可以采用插值方法予以校正，其中微距離徙動誤差為：

其中r表示目標距離向坐標；v表示平臺運動速度，c表示聲波在水中的傳播速度；i表示第i個接收陣元和發(fā)射陣元所組成的子系統(tǒng)索引，di表示第i個子系統(tǒng)的收、發(fā)陣元間距，fc表示所發(fā)射的寬頻帶信號中心頻率。

對第p個脈沖和第p+1個脈沖內(nèi)重疊的相位中心對沿距離向求統(tǒng)計平均：

其中p表示所發(fā)射的第p個脈沖的索引；ss(τ,p)表示在第p個脈沖內(nèi)經(jīng)過脈沖壓縮和收發(fā)合置轉(zhuǎn)換處理后的數(shù)據(jù)；*表示復(fù)共軛操作；σ表示求和運算；τ表示距離向快時間。

在上一步驟的基礎(chǔ)上，對每個發(fā)射脈沖內(nèi)的相位誤差進行估計，即：

其中im表示取復(fù)數(shù)的虛部處理；re表示取復(fù)數(shù)的實部處理；arctan表示表示反正切運算。

估計出對應(yīng)于每一個脈沖的相位誤差后，對當前脈沖(含當前脈沖)之前所估計出來的相位誤差進行累加，以獲得對應(yīng)于當前脈沖無纏繞的相位誤差，即

在獲得相位信息后，便可以得到對應(yīng)的時延誤差，即

用估計得到的時延誤差，對各脈沖的回波信號進行修正，其相位補償函數(shù)為：

h(ft；p)＝exp{j2πftδτ(p)}·exp{j2πfcδτ(p)}。

下面給出一組典型的合成孔徑聲納系統(tǒng)參數(shù)：

依據(jù)所給出的典型參數(shù)，進行回波仿真，在仿真中加入如圖3所示的諧波運動誤差，未進行運動誤差補償，采用基于相位中心近似的線頻調(diào)變標成像算法進行成像處理，成像結(jié)果如圖4所示；按照上述步驟估計運動誤差，估計結(jié)果如圖5所示；根據(jù)所估計的運動誤差，對回波數(shù)據(jù)進行補償后，采用基于相位中心近似的線頻調(diào)變標成像算法進行成像處理，成像結(jié)果如圖6所示，從中可以發(fā)現(xiàn)圖像的聚焦質(zhì)量得到了顯著提高。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，當可利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容作出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。