[发明专利]合成孔径声纳图像的仿真方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及声纳技术领域，特别涉及一种合成孔径声纳图像的仿真方法及系统。

背景技术

近年来，合成孔径声纳（SAS）已经在海洋遥感、海底地形测绘和海洋资源调查等方面取得了广泛的应用。在研究合成孔径声纳时，对目标进行自动检测和识别是研究合成孔径声纳的重要内容。在进行自动分割和识别算法时，需要以大量的实测图像作为样本，然而实际海底实验经费投入大，且环境复杂，因此通常采用仿真方式进行。

现有的仿真方法根据目标场景可以分为两种。一种基于场景的数字高程模型（DEM），另一种是基于真正的3D模型。

DEM模型将场景表示为z=f(x,y)形式，当场景较为简单时，基于DEM模型的方法简单易实现。然而，当处理复杂场景时，DEM模型将失效无法实现对场景的仿真。其原因在于DEM模型中，同一个(x,y)坐标下只能有一个z值，而当场景包含闭合表面时，同一个(x,y)坐标下将会存在不止一个z值，因此DEM模型无法实现对场景的仿真。3D模型假设场景由大量的三维坐标表示的散射点或散射面元构成，方法普适性强，但运算复杂度高。

另外，目标场景存在互相遮挡的情况，造成真实图像上存在阴影区域，需要对阴影区域的散射点进行估计。目前广泛使用的有效散射点估计方法是射线追踪算法。该射线追踪算法虽然可以估计场景目标有效的散射点，但运算量较大，缺乏实时性。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决上述的技术缺陷之一。

为此，本发明一方面提供一种合成孔径声纳图像的仿真方法，该仿真方法可以解决仿真速度慢且效果差的问题。

本发明的另一方面的实施例提供一种合成孔径声纳图像的仿真系统。

有鉴于此，本发明一方面的实施例提出一种合成孔径声纳图像的仿真方法，包括以下步骤：输入合成孔径声纳参数和场景的三维模型；对所述三维模型进行插值以得到所述场景的点云模型，并根据所述合成孔径声纳参数和所述点云模型得到有效的散射点集；分别计算所述有效的散射点集中多个散射点的散射强度；将所述有效的散射点集中多个散射点映射到二维成像平面；根据所述二维成像平面分别得到所述多个散射点的响应函数；以及根据所述多个散射点的响应函数得到最终的所述场景的成像结果。

根据本发明实施例的方法，通过声纳参数和场景的三维模型得到有效的散射点集，并得到散射点的响应函数，以获得场景的成像结果，提高了仿真速度和效果，同时降低了运算量，保证了实时性，适用于复杂的场景仿真。

在本发明的一个实施例中，所述合成孔径声纳参数包括：声速、声纳孔径、声纳基阵等效移动速度、发射信号带宽、斜视角、俯角、波长、距离分辨率和方位分辨率。

在本发明的一个实施例中，所述根据所述合成孔径声纳参数和所述点云模型得到有效的散射点集具体包括：根据所述合成孔径声纳参数和所述点云模型得到多个散射点；以及通过隐藏点移除算法对所述多个散射点进行估计以得到所述有效的散射点集。

在本发明的一个实施例中，所述多个散射点的散射强度通过如下公式表示，所述公式为：

其中，θ_i为入射声线方位角，为入射声线俯仰角，θ_s为反射声线方位角，为反射声线俯仰角，f为载波频率，R为材料反射系数，λ是波长，c是水中声速，A(x,y)为表示插值后散射点所在面元形状的二维窗函数。

在本发明的一个实施例中，所述多个散射点的响应函数通过如下公式表示，所述公式为：

其中，s(u_i)和为第i个散射点的响应函数，是声纳基阵运动速度投影到方向上的等效速度，和分别表示散射点投影至二维成像平面的方位坐标和距离坐标，n是散射点所在平面的法向量，B_d是多普勒频率带宽，B_r为设发射信号的带宽，T_p为发射脉冲宽度，t_m为方位向慢时间，为距离向快时间，j为虚数单位，j²=-1。