[发明专利]一种多波束发射三维成像方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种阵列成像方法。

背景技术

三维成像系统通常使用矩形平面阵等阵列对回波进行采集和处理(Murino V and Trucco A,Three-dimensional image generation and processing in underwater acoustic vision,in Proc.IEEE,2000；88(12):1903-1948.)。然而，使用平面阵等会带来阵元数目巨大的缺点，导致三维成像系统的成本极其高昂。为了节省阵元成本，可以使用由两条相互垂直的直线阵组成的十字阵进行三维成像(de Jong C D,Lachapelle G,Skone S.Multibeam sonar theory of operation.Delft:Delft University Press,2002.)。十字阵可以通过自身的运动获得与矩形平面阵类似三维成像能力，也可以通过机械扫描的方式进行三维成像。但是，这些十字阵三维成像系统在一ping(一个发射与接收周期)只能对一两个条带进行成像，效率低下。

不同于传统阵列，MIMO阵列在发射端利用多个阵元同时发射相互独立的信号，在接收端使用发射信号的拷贝对回波进行匹配滤波，可产生远多于实际发射与接收通道的虚拟通道，从而获得大量的虚拟阵元(Li J,and Stoica P.MIMO radar signal processing.Hoboken,NJ:John Wiley&Sons Inc.,2009.孙超,刘雄厚.MIMO声纳:概念与技术特点探讨.声学技术,2012；31(2):117-124.)。根据这一优点，段广青(Duan G Q,Wang D W and Ma X Y,Three-dimensional imaging via wideband MIMO radar system,IEEE Lett.Geos.remote sens.,2010；7(3):445-449.)和刘雄厚(Liu X H,Sun C,Zhuo J,et al.Devising MIMO arrays for underwater3-D short-range imaging.in Proc OCEANS’12MTS/IEEE,Hampton Roads,USA,2012.)等人研究了多输入多输出(MIMO，Multiple-Input Multiple-Output)阵列的三维成像能力，通过使用两个相互垂直的直线阵(一个直线阵为发射阵，另一个直线阵为接收阵)来等效成一个虚拟矩形平面阵，达到了节省阵元个数并降低系统成本的目的。但是，MIMO阵列的发射阵元同时发射相互独立的信号，因此MIMO阵列不具备传统相控阵所具有的发射阵增益，这导致MIMO阵列的作用距离有限。此外，MIMO阵列成像中使用的发射信号多为正交编码类信号(段军旗.正交波形MIMO雷达信号设计及处理研究.电子科技大学博士论文, 2009.)。为了抑制互相关干扰和自相关旁瓣干扰，这些编码类信号都需要采用较多的子码个数来合成长脉冲信号，给接收端的匹配滤波处理带来较大的运算负担。此外，这些正交编码类信号的波形过于复杂，其在恶劣环境中的稳健性不如传统的简单波形，如连续波(CW:Continuous Wave)脉冲和线性调频(LFM:Linear Frequency Modulation)脉冲。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种三维成像方法，利用两个相互垂直的直线阵(其中一个直线阵作为发射阵，另一个直线阵作为接收阵)通过发射特定组合后的独立脉冲来进行多波束发射，本发明在一ping内可同时对多个条带进行成像，工作效率远大于传统十字阵成像系统。此外，本发明既可获得发射阵增益，也可避免使用复杂的正交编码类信号(如使用一组中心频率不同的CW脉冲或一组频带相互分开的LFM脉冲)。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

1)设定发射阵和接收阵均为均匀直线阵，发射阵和接收阵垂直相交，发射阵的发射信号由若干个相互独立的子脉冲在时域上叠加而得到，在发射前，先对各个子脉冲进行发射加权，使各个子脉冲分别指向对应的某个条带，各个子脉冲之间的互相关函数峰值小于等于自相关函数峰值的0.2倍；发射阵的各个发射阵元在同一时刻发送相同的子脉冲，使用接收阵采集各个条带的回波；

2)用各个子脉冲的拷贝对接收阵上的回波进行匹配滤波处理，分离出各个子脉冲对应的回波分量；