[发明专利]一种大斜视条件下的合成孔径声呐成像处理方法

权利要求书

1.一种大斜视条件下的合成孔径声呐成像处理方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：

步骤一：得到接收的回波信号，对接收回波进行距离向的傅里叶变换；

步骤二：在距离频域对信号进行线性距离徙动校正，同时去除信号的多普勒中心频率；

步骤三：通过Keystone变换重新构建方位向时间，设计滤波器进行距离压缩；

步骤四：步骤三处理后得到的信号变换到方位频域，分析方位调频率与斜距的关系，再变回方位时域与变标函数相乘；

步骤五：将步骤四处理后得到的信号变回方位频域，设计滤波器进行方位压缩，把方位压缩之后的信号变回方位时域，得到聚焦图像；

所述的步骤一，具体为：

接收回波距离向的处理如下：

根据合成孔径声呐的几何模型得到点目标与接收装置的瞬时斜距为：

R(η;RRc,ηc)=RRc2+v2·(η-ηc)2-2RRcv·(η-ηc)sinθ---(1)]]>

其中v表示接收装置的移动速度，θ为斜视角，η为方位向时间，η_c为波束中心到达点目标的时刻，R_Rc为η_c时刻的斜距；发射装置发射的信号为线性调频信号，信号在水中传播速度远远大于托体的移动速度，因此其收发斜距可视为瞬时斜距的两倍，对收发斜距在η_c处作级数展开可得

Rtotal(η;RRc,ηc)=2·R(η;RRc,ηc)≈r+k1·(η-ηc)+k22·(η-ηc)2+k36·(η-ηc)3=r1+l1·η+l22·η2+k36·η3---(2)]]>

其中r＝2R_Rc为η_c时刻的收发斜距，k₁、k₂和k₃为展开式的系数，它们分别为k₁＝-2vsin(θ)，k₂＝v²·cos²(θ)/R_Rc，r₁、l₁和l₂用k₁、k₂和k₃表示分别为l₂＝k₂-k₃·η_c；

1-1.回波信号经过解调后的表达式为

ss(t,η;RRc,ηc)=wa(η-ηcT)·wr(t-Rtotal(η;RRc,ηc)c)·exp{-j2πfcRtotal(η;RRc,ηc)c}·exp{jπKr(t-Rtotal(η;RRc,ηc)c)2}---(3)]]>

其中w_a(·)和w_r(·)分别为方位向和距离向包络，T为声呐合成孔径时间，c为声呐信号在水中的传播速度，t为距离向时间，K_r为距离向调频率，f_c为载波频率；

1-2.利用驻定相位原理对(3)进行距离向傅里叶变换，可得回波信号在距离频域-方位时域的表达式：

Ss(ft,η;RRc,ηc)=wa(η)·wr(ft)·exp{-jπft2Kr}·exp{-j2π(fc+ft)·r1+l1·η+l22·η2+k36·η3c}---(4)]]>

其中f_t为距离频率；

步骤2.在距离频域对信号进行线性距离徙动校正，同时去除信号的多普勒中心频率；

在距离向去斜的同时去除信号的中心频率f_c，函数的频域表达式为：

H1(ft,η)=exp{j2π(fc+ft)c·k1·η}---(5)]]>

距离去走动和去除中心频率即(4)与(5)相乘，可得

S1(ft,η;RRc,ηc)=wa(η)·wr(ft)·exp{-jπft2Kr}·exp{-j2π(fc+ft)c[r1+(-k2ηc+k32ηc2)η+l22η2+k36η3]}---(6)]]>

所述的步骤三，具体为：

3-1.Keystone变换即通过表达式为η＝f_c·η_m/(f_c+f_t)重新构建方位向的时间，

其中η_m表示新的方位向时间；将该式带入(6)并对信号的相位在f_t＝0处作级数展开，仅考虑指数项得到

其中展开式系数分别为

(7)中表示方位调制项，包含距离位置信息，和分别包含了二次距离压缩和高阶距离向方位向耦合；

3-2.经过KT之后，中η_m的一次项被完全移除，这在很大程度上减小距离向方位向耦合，但η_m的二次和三次项为残余的距离单元徙动，在大斜视情况下，它们造成的影响不可忽略，需用以下频域表达式补偿：

H2(ft,ηm;rref,0)=exp{-j2πc(l2(rref,0)2·ηm2+k3(rref)3·ηm3)ft}---(8)]]>

其中下标ref代表所选参考点的参数；在大斜视的情况下，经过距离单元徙动矫正，点目标的距离历史表示为

RRCMC=(ηm;RRc,ηc)≈r1(RRc,ηc)=r-k1·ηc+k22·ηc2-k36·ηc3=Rtotal(0;RRc,ηc)---(9)]]>

点目标的距离历史被搬移至R_total(0；R_Rc,η_c)；因此，经过RCMC之后，成像区域内的点目标回波都处于同一距离单元；

3-3.距离压缩函数和高阶相位补偿函数分别为：

HSRC(ft,ηm)=exp{jπ(l2(rref,0)ηm2cfc+k3(rref)ηm3cfc+1Kr)ft2}---(10)]]>

高阶滤波器取到三次项；

所述的步骤四，具体为：

4-1.距离徙动矫正和二次距离压缩之后，式(7)中相位只剩下接着再将其变换到方位频域

其中f_η为方位向频率，在f_η＝0处对相位项展开：

系数分别为

φ0=-2πfc·(r-k1·ηc)c,φ1=-2π·ηcφ2=-πKa,φ3=πk3·c23·B·fc2---(14)]]>

(13)中φ₀和φ₁分别表示常数项和方位向点目标的位置信息，φ₂反映方位向调频信息，φ₃表示高次项；式(14)中的K_a表示方位向调频率，其表达式为

Ka=-B·fcc=-v2·cos2(θ)·fcRRc·c---(15)]]>

可以看出K_a和波束中心斜距R_Rc有关，不同的点目标有不同的波束中心斜距；为了实现方位向聚焦，必须均衡方位向调频率；

4-2.设参考点A和点目标B，则A、B两点的斜距R_RcA、R_RcB之间的关系；假定A、B经距离单元徙动矫正后位于同一距离单元，则它们的中心斜距有如下关系：

RRcB≈RRcA-vηc·sinθ=RRcA+k12·ηc---(16)]]>

根据(15)，可将A、B方位向调频率的关系表示为

K_aB≈K_aA+ζ·η_c(17)

其中ζ是与η_c无关的系数；

4-3.为实现方位调频率均衡，用NLCS算法引入三次变标函数

H_pert(η)＝exp{jπαη³}(18)

与(12)的方位时域表达式相乘，变标系数α≈-ζ/3；

所述的步骤五，具体为：

方位压缩函数由参考点A的方位向调频率K_aA和变标函数的系数α得到：

Hazc(fη)=exp{jπfη2KaA-jπα·fη3KaA3}---(19)]]>

方位压缩之后对信号进行方位向的傅里叶逆变换，得到聚焦图像。