本發(fā)明公開了基于和差波束單脈沖測角的成像方法，屬于信息傳輸和圖像處理的
技術(shù)領(lǐng)域：
。
背景技術(shù)：
：針對(duì)多波束前視聲吶的成像特點(diǎn)，一般采用實(shí)波束掃描的成像方法，但是這種方法的方位向分辨率受限于成像波束的主瓣寬度，難以獲得更為清晰的水下聲學(xué)圖像。在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)聲吶對(duì)水下成像的過程中，常常采用合成孔徑聲吶(syntheticaperturesonar,sas)或多普勒波束銳化(dopplerbeamsharpening,dbs)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)方位向分辨率的提高，但是僅針對(duì)成像區(qū)域在聲吶系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)軌跡側(cè)向的情況，常用的聲吶系統(tǒng)成像方法并不適用于前視成像?，F(xiàn)有的前視成像技術(shù)對(duì)具有強(qiáng)散射點(diǎn)目標(biāo)的成像不是太理想，方位向分辨率較低，本發(fā)明旨在將單脈沖測角引入到成像過程以解決這個(gè)問題。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的發(fā)明目的是針對(duì)上述
背景技術(shù)：
的不足，提供了基于和差波束單脈沖測角的成像方法，利用和差波束的比值對(duì)特征目標(biāo)進(jìn)行精確定位，能夠明顯提高特征目標(biāo)的分辨效果，根據(jù)方位角估計(jì)值對(duì)特征目標(biāo)成像結(jié)果的方位向位置進(jìn)行重新分配，從而改善整個(gè)圖像的清晰度，解決了聲吶對(duì)探測區(qū)域方位成像分辨率不佳的技術(shù)問題。本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的采用如下技術(shù)方案：基于和差波束單脈沖測角的成像方法，對(duì)通道內(nèi)的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)處理以形成和波束及差波束，對(duì)成像波束掃描獲取的原始圖像進(jìn)行方位向上的閾值處理以提取強(qiáng)散射點(diǎn)，根據(jù)和差波束比估計(jì)強(qiáng)散射點(diǎn)方位位置的偏移，結(jié)合強(qiáng)散射點(diǎn)方位位置的偏移在成像波束方位向上對(duì)強(qiáng)散射點(diǎn)進(jìn)行重定位，對(duì)重定位得到的距離方位圖進(jìn)行扇形視圖轉(zhuǎn)換得到二維聲學(xué)圖像。作為基于和差波束單脈沖測角的成像方法的進(jìn)一步優(yōu)化方案，對(duì)通道內(nèi)的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)處理以形成和波束及差波束，具體方法為：以掃描在目標(biāo)方向形成主瓣的成像波束為和波束，對(duì)接收到的回波信號(hào)進(jìn)行差波束加權(quán)處理以使回波信號(hào)在波束掃描的方向形成零陷，回波信號(hào)在波束掃描方向上形成零陷的成像波束即為差波束。作為基于和差波束單脈沖測角的成像方法的進(jìn)一步優(yōu)化方案，采用分水嶺閾值算法對(duì)成像波束掃描獲取的原始圖像進(jìn)行方位向上的閾值處理以提取強(qiáng)散射點(diǎn)。再進(jìn)一步的，基于和差波束單脈沖測角的成像方法，根據(jù)和差波束比估計(jì)強(qiáng)散射點(diǎn)每個(gè)距離單元上方位位置的偏移，結(jié)合強(qiáng)散射點(diǎn)每個(gè)距離單元上方位位置的偏移在成像波束方位向上對(duì)強(qiáng)散射點(diǎn)進(jìn)行重定位。再進(jìn)一步的，基于和差波束單脈沖測角的成像方法，根據(jù)和差波束比估計(jì)強(qiáng)散射點(diǎn)每個(gè)距離單元上方位位置的偏移的具體方法為：首先，構(gòu)建第m成像波束在第n距離單元上的和差波束比k(n,m)：d(n,m)為第m成像波束在第n距離單元上的差波束加權(quán)值，s(n,m)為第m成像波束在第n距離單元上的和波束值，re[·]表示取實(shí)部數(shù)據(jù)，然后，根據(jù)和差波束比與方位角的線性關(guān)系確定第n距離單元相對(duì)于第m成像波束中心的方位角δθ(n,m)：γ為表征和差波束比與方位角線性關(guān)系的斜率常數(shù)。再進(jìn)一步的，基于和差波束單脈沖測角的成像方法，結(jié)合強(qiáng)散射點(diǎn)每個(gè)距離單元上方位位置的偏移在成像波束方位向上對(duì)強(qiáng)散射點(diǎn)進(jìn)行重定位的具體方法為：根據(jù)第n距離單元相對(duì)于第m成像波束中心的方位角δθ(n,m)以及第m成像波束的指向方位θs(m)確定第m成像波束在第n距離單元上的實(shí)際方位位置θ(n,m)：θ(n,m)＝δθ(n,m)+θs(m)，為成像波束的方位向間隔。再進(jìn)一步的，基于和差波束單脈沖測角的成像方法，重定位得到的距離方位圖是通過逐波束非相干累加的方式獲得的，逐波束非相干累加的遞推公式為：其中，為第m成像波束掃描第n距離單元的第方位向像素單元形成的距離方位圖，為第m-1成像波束掃描第n距離單元的第方位向像素單元形成的距離方位圖，為第0成像波束掃描第n距離單元的第方位向像素單元形成的距離方位圖，s(n,0)為第0成像波束在第n距離單元上的和波束值，|·|為取絕對(duì)值計(jì)算，[·]為取整計(jì)算，θ(n,0)為第0成像波束在第n距離單元上的實(shí)際方位位置，θ0為第0方位向像素單元對(duì)應(yīng)的方位位置，ρ為方位向像素單元的大小。更進(jìn)一步的，基于和差波束單脈沖測角的成像方法，方位向像素單元的大小ρ為：θml為和波束的3db主瓣寬度，n為子孔徑陣元數(shù)。本發(fā)明采用上述技術(shù)方案，具有以下有益效果：(1)將單脈沖測角引入到成像過程，可以改善水下特征目標(biāo)的分辨效果，顯著提高聲吶對(duì)探測區(qū)域的成像清晰度；(2)單脈沖成像過程中并不涉及復(fù)雜的信號(hào)處理運(yùn)算，有利于工程實(shí)現(xiàn)，具有較高的實(shí)用價(jià)值。附圖說明圖1為本發(fā)明成像方法的信號(hào)處理流程圖。圖2(a)為實(shí)波束成像的仿真結(jié)果，圖2(b)為單脈沖前視成像的仿真結(jié)果。圖3(a)為實(shí)波束成像的測驗(yàn)結(jié)果，圖3(b)為單脈沖前視成像的測驗(yàn)結(jié)果。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖對(duì)發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。本發(fā)明的發(fā)明構(gòu)思是在多波束掃描成像方法的基礎(chǔ)上，利用和差波束單脈沖測角對(duì)掃描波束內(nèi)強(qiáng)散射點(diǎn)的精確定位性能，將其引入聲吶系統(tǒng)對(duì)探測區(qū)域的成像過程中，可以顯著提高聲吶圖像的質(zhì)量，使某些具有特征的目標(biāo)位置更加精確，提出了一種基于和差波束單脈沖測角的前視成像方法。掃描在目標(biāo)方向形成主瓣的成像波束為和波束。單脈沖前視成像在波束掃描成像的基礎(chǔ)上，對(duì)接收到的180路回波信號(hào)進(jìn)行差波束加權(quán)以便使回波信號(hào)在波束掃描方向形成零陷，得到的差波束加權(quán)值表示為d(n,m)，回波信號(hào)在波束掃描方向上形成零陷的成像波束即為差波束。利用和差波束的比值對(duì)目標(biāo)進(jìn)行精確定位，這樣可以明顯提高特征目標(biāo)(即，強(qiáng)散射點(diǎn))的分辨效果，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)圖像清晰度的改善，其信號(hào)處理流程如圖1所示。首先，進(jìn)行方位向上的閾值處理，利用分水嶺閾值算法尋找背景噪聲區(qū)域并提取強(qiáng)散射點(diǎn)信息，假定最大峰值30db以下的像素對(duì)應(yīng)背景噪聲，最大峰值10db以上對(duì)應(yīng)強(qiáng)散射點(diǎn)。然后，在強(qiáng)散射點(diǎn)每個(gè)距離單元上構(gòu)造和差波束比，從而對(duì)強(qiáng)散射點(diǎn)每個(gè)距離單元的精確方位位置進(jìn)行估計(jì)，k(n,m)表示第m成像波束在第n距離單元上的單脈沖和差波束比，則，其中，s(n,m)表示第m成像波束在第n距離單元上的和波束值，d(n,m)表示第m成像波束在第n距離單元上的差波束加權(quán)值，re[·]表示取實(shí)部數(shù)據(jù)。接著，根據(jù)和差波束比與方位角的關(guān)系可得第n距離單元相對(duì)于第m成像波束中心的方位角δθ(n,m)為：其中，γ為表征和差波束比與方位角線性關(guān)系的斜率常數(shù)，可以通過實(shí)驗(yàn)確定具體數(shù)值，讀入成像波束序號(hào)，第m成像波束在第n距離單元上的實(shí)際方位位置θ(n,m)可表示為：θ(n,m)＝δθ(n,m)+θs(m)，式中：θs(m)為第m成像波束的指向方位，為成像波束的方位向間隔，最后，定義重新定位后的距離方位圖像中的每個(gè)像素單元為i(n,k)，k為方位向像素單元序號(hào)，為了實(shí)現(xiàn)圖像方位向分辨率的提高，方位向像素單元的大小ρ選擇為其中，θml為和波束的3db主瓣寬度，n為子孔徑陣元數(shù)，n＝0,1，……，91，設(shè)0號(hào)方位向像素單元對(duì)應(yīng)的方位位置為θ0，則，上述處理過程僅針對(duì)方位向上的成像數(shù)據(jù)，而對(duì)應(yīng)的距離位置不變。完成上式處理后，成像波束的回波信號(hào)重新定位于距離方位圖像中的i(n,k)像素單元內(nèi)，重定位得到的距離方位圖通過逐波束非相干累加的方式生成，即如下遞推公式：遞推公式中，m＝1,2，……,540，i0表示第0成像波束掃描距離單元形成的距離方位圖，im表示第m成像波束掃描距離單元形成的距離方位圖，im-1表示第m-1成像波束掃描距離單元形成的距離方位圖，θ(n,0)第0成像波束在第n距離單元上的實(shí)際方位位置，s(n,0)為第0成像波束在第n距離單元上的和波束值。對(duì)強(qiáng)散射點(diǎn)每個(gè)距離單元都按照上述步驟進(jìn)行精確的方位估計(jì)并更新距離方位圖，通過逐波束非相干累加的方式生成成像波束掃描每個(gè)距離單元的距離方位圖像。對(duì)成像波束掃描每個(gè)距離單元的距離方位圖像做扇形視圖轉(zhuǎn)換，把成像數(shù)據(jù)從極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到直角坐標(biāo)，即，將距離方位圖像轉(zhuǎn)換為最終的二維聲學(xué)視圖。下面通過仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)際測驗(yàn)來闡述本發(fā)明技術(shù)方案的優(yōu)越性。按照表1設(shè)置的仿真參數(shù)對(duì)實(shí)波束成像結(jié)果以及單脈沖前視成像結(jié)果進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖2(a)、圖2(b)所示。參數(shù)名稱參數(shù)設(shè)置和波束主瓣寬度1.2°掃描波束個(gè)數(shù)540相鄰波束間隔0.168°脈沖重復(fù)周期100ms脈沖寬度0.05ms中心頻率450khz表1仿真參數(shù)的設(shè)置值由仿真結(jié)果對(duì)比可以看出：由于實(shí)波束成像過程中，目標(biāo)場景的方位向分辨率完全依賴于掃描波束的主瓣寬度，因此每個(gè)點(diǎn)目標(biāo)的成像數(shù)據(jù)均在方位向上占據(jù)了若干個(gè)位置，使得圖像難以反映其精確的方位；單脈沖前視成像方法可以明顯改善這樣的情況，經(jīng)過單脈沖成像處理之后，圖像中原來實(shí)波束成像得到的方位向上的“線”壓縮成了“點(diǎn)”，并且點(diǎn)的位置精確反映了目標(biāo)的真實(shí)位置。為了驗(yàn)證單脈沖成像算法的實(shí)用性，對(duì)聲吶系統(tǒng)在消聲水池錄制的兩組180通道原始回波數(shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)行實(shí)波束成像和單脈沖成像處理，三角架和圓環(huán)成像結(jié)果的矩形視圖如圖3(a)、圖3(b)所示。當(dāng)前第1頁12