[发明专利]一种三维地层成像的相控方位滤波方法

说明书

技术领域

本发明属于小型潜器的方位高分辨力阵处理领域，主要是一种三维地层成像的相控方位滤波方法。

背景技术

目前在国际上尚无成熟的海底地层的三维成像系统，本方案采用仿医用CT技术的海底地层声学三维成像方法实现掩埋雷探测识别。在三维成像机理方法上，通过高分辨阵处理实现对回波不同的水平方位高分辨力，通过脉冲压缩技术获得深度方向距离高分辨力，通过发射换能器每一次发射得到一个横断面地层的二维能量分布图，随着声呐平台向前运动，获得另一维走航方位上的合成孔径高分辨力，连续扫描即可获得地层地貌的三维探测成像。主要需要突破各维度成像分辨力的关键技术。这种小型潜器属于物理尺寸小，集成度高，移动速度快的主动声纳系统，在水平方位维处理时，受物理尺寸限制，常规波束形成的方位分辨力远远不够，而传统的MVDR、MUSIC等高分辨算法是从信号协方差矩阵进行直接处理或者特征分解信号子空间后处理，在处理低信噪比，快拍数足够的不相干目标均有出色的效果，但是在处理单快拍数据下的地层分布式强相干源时，一方面强相干信号串扰畸变协方差矩阵，另一方面单快拍数据无法多次统计对信号协方差矩阵进行平滑处理，导致这些传统的基于估计协方差矩阵的高分辨力算法无法达到方位维分辨精度要求。

发明内容

为了解决在小型拖体中对海底地层的探测、绘制、三维成像显示，特别是在物理尺度小的情况下解决地层中相干信号源的水平方位维的高分辨力分辨，本发明提出了一种三维地层成像的相控方位滤波方法。本发明的目的是针对相同距离，不同角度、单快拍、多相干源信号，避开传统的估计协方差矩阵的思路，采用最大后验概率准则获得在空间各扫描方位上的源信号最优波形估计，根据各方位上信号的能量大小来判断目标的方位；可应用在海洋中小型潜器的地貌、地形、地层探测，例如AUV/UUV系统中。

本发明解决其技术问题采用的技术方案：

为了实现上述目的，本发明提供了一种仿医用CT技术的海底地层声学三维成像系统，在走航方位维(y轴)采用合成孔径技术，在深度方位维(z轴)采用宽带脉冲压缩技术，在水平方位维(x轴)采用本发明提出的相控方位滤波(简称PAF)方法获得方位角度的高分辨技术。系统平台在沿走航方位维受到运行速度的制约，需要满足1/2空间采样法则，系统沿着走航方位维向前直线移动，通过组合换能器发射技术产生宽带调频信号，布置多元呈矩形状排列的水听器阵。

深度维度上对接收的每批回波信号进行宽带信号脉冲压缩技术，根据距离分辨力与信号带宽和声速的关系，ζ＝C/2B，可以获得海底多目标在深度维度上的分辨力参数值；

水平方位维度上通过垂直于平台运动方向安装的多个接收水听器组成一组物理孔径较短的线列阵，在接收到每批次数据中，大量同时刻到达的不同方位的水体、地层的多目标、强相干、单快拍回波数据，采用常规波束形成算法获得的波束角为θ＝λ/L，λ为信号波长，一般取中心频率的波长计算，L为线列阵物理孔径长度，小型潜器平台限制了线列阵物理孔径长度，波束角太大以至于无法分辨地层“目标群”，基于经典的协方差矩阵处理或者分解子空间的处理方法在处理相干单快拍数据时性能下降严重，本发明采用相控方位滤波方法对数据分别采用预划分模块，阵列转化模块，MAP准则估计模块，迭代收敛模块，获得“目标群”按照深度层，不同方位角度的高分辨力参数值；

在走航方位维度上，平行于平台运动方向的多接收阵接收到一定孔径长度回波数据后，进行硬、软件运动补偿后的多子阵合成孔径技术处理，分辨力与目标距离没有关系，与接收阵元物理尺寸有关，ξ＝D/2，其中D为单个接收水听器物理阵元长度，获得走航方位维度上的目标高分辨力参数。

每批次后获得地层的“目标群”深度和水平方位的横断面二维能量分布图，按照走航方位维逐次发射推进，帧数依次叠加，加入走航分辨力参数值，获得地层的三维显示结果。

相控方位滤波方法包括以下几个步骤：

一  数据预处理模块根据实际需要，设定系统参数，包括信号类型及脉宽，目标深度范围，分层距离带，方位角度范围，最小方位可分辨角度，选取到达回波数据的时间样本点，将每层到达的地层回波信号均匀分成L_θ个方位栅格，方位栅格集合不大于发射换能器发射指向性宽度。

二  阵列矩阵变换模块包括等式方程步骤、参数关系式步骤两部分，通过转化获得接收回波矩阵空间、接收回波的转化矩阵空间、目标空间场矩阵、加权后的目标空间场矩阵、特征空间向量、特征值、阵列流形矩阵，建立上述参数之间方程表达式及参数关系式。