[发明专利]一种基于超分辨率图像重建的合成孔径声呐成像方法

说明书

技术领域

本发明涉及合成孔径声纳(SAS)领域，更具体的说，涉及一种基于超分辨率图像重建技术的合成孔径声纳成像方法。

背景技术

随着科学技术的不断发展，人类活动的范围也不断扩展，世界各国对海洋科学研究的重视程度也越来越高。人们对水下地形地貌探测和水下物体观测的需求日益增长。海底矿物资源开发中需要进行工程勘测和水下作业监视；在与其他国家进行海洋权益划界谈判中，需要相应的海底地形地貌资料的支持；航道疏浚工程也需要海底地形地貌测量和工程量的评估；还有很多重要的人类水下活动需要水下成像技术，如水下作业监测、水下打捞、水下考古等等。水下成像设备也称为图像声呐，是人们进行水下活动和水下探测的重要工具。

合成孔径声呐（SAS）是一种新型的水下成像声纳，得益于合成孔径雷达（SAR）的发展，在20世纪90年代进入了研究的活跃期，受到了世界各国的重视，是水声成像技术的重要研究方向之一。合成孔径声呐与常规图像声呐相比，它的优势在于可以利用虚拟孔径技术，只需要使用小孔径的基阵就可以得到与探测距离和信号工作频率无关的高方位向分辨力。

合成孔径声纳（SAS）的基本原理是利用小尺寸基阵匀速直线运动来虚拟大孔径基阵,在运动轨迹的顺序位置发射并接收回波信号,根据空间位置和相位关系对不同位置的回波信号进行相干叠加处理,从而形成等效的大孔径,获得沿运动方向(方位向)的高分辨力。但是SAS的分辨率的进一步提高受到了水下环境和现有仪器设备的限制，主要为以下两点：

（1）在方位向上，SAS如果提高n倍的分辨率，则声纳的真实孔径大小要变为原来的1/n，受到水下声速的限制，声纳平台的运动速率也要变为原来的1/n，那么测绘速率也会变为原来的1/n。为了不改变测绘速率现有的解决方案是在声纳平台后增加n个接收子阵，即多子阵SAS技术，那么系统的体积就增加n倍，而且在多子阵SAS成像算法存在运算量大和忽略相应误差导致的成像效果不佳等缺点。

（2）在距离向上，SAS的分辨率与探测声波的脉冲宽度有关，脉冲宽度越窄（即脉冲持续时间越短）距离向分辨率越高，但是脉冲持续时间约为脉冲带宽的倒数，即提高SAS的距离向分辨率需要增加换能器的发射带宽，例如，脉冲持续时间每减少一半，则脉冲带宽需要扩展为原来带宽的2倍，更高的带宽要求增加了换能器制作的难度和成本；同时，水下声波频率越高功率衰减越快，信噪比降低，海洋噪声影响增加，成像质量也会随之而变差，如果要维持原来的成像质量和信噪比，必须提高水声换能器探测声波的发射功率。由于目前大功率的宽频水声换能器制作难度大、成本高，使得现有SAS距离向分辨率的进一步提高受到了限制。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述不足，提供一种基于超分辨率图像重建的合成孔径声纳成像方法，通过结合超分辨率图像重建技术和SAS处理技术得到更高分辨率的声纳图像。与扩充之前的合成孔径声纳相比，扩充后的合成孔径声纳在方位向和距离向上的分辨率均得到了提高；与孔径同等大小的常规合成孔径声纳技术相比，扩充后的合成孔径声纳在方位向和距离向上的分辨率更高。

扩充之前的合成孔径声纳(原孔径)的真实孔径方位向的分辨率为                                               ，阵元的列间距为，阵元的行间距为，各阵元组合后的真实孔径形状不限；线性调频脉冲的脉冲宽度为t，水下声波传播速率为C，距离向分辨率为，本发明的一种基于超分辨率图像重建的合成孔径声纳成像方法具体步骤包括：

步骤（1）：根据原声纳孔径的阵列来扩充孔径。原声纳孔径的阵元行排列方向与方位向平行，阵元列排列方向与距离向平行。由式子和求得扩充孔径的参数和（和为满足上述条件的最大正整数）。其中参数为原孔径沿着阵列行方向每行增加的阵元个数，参数为原孔径沿着阵列列方向每列增加的阵元个数，根据参数和对原孔径进行扩充。

步骤（2）：对扩充后的孔径划分子孔径。子孔径的大小以及排列方式与原孔径一样，相邻子孔径的边缘阵元之间相差一个阵元列间距或者一个阵元行间距，根据这种划分方式将扩充后的孔径划分出个子孔径。相邻子孔径的边缘相差一个行间距或者列间距，那么相邻子孔径的声纳图像采样点也相差一个行间距或者列间距，结合式子和，可保证子孔径声纳图像的采样点的移动都在亚像素的范围内。

步骤（3）：估计探测声波往返所需要的时间T，决定声波发射时间间隔。在开始对目标海域进行测绘之前，首先对探测声波在目标海域内的往返时间T进行估计，然后根据估计的T来决定子孔径之间的声波发射时间间隔，错开各子孔径的声波发射和接受时间，避免相互之间的干扰。