[发明专利]一种MIMO声纳高分辨三维前视成像方法

说明书

本发明提出一种使用MIMO声纳的高分辨三维前视成像方法。通过设计用于三维前视成像的MIMO声纳阵型、正交波形，并在接收端采用水平向大孔径虚拟阵常规波束形成、垂直向高分辨波束形成的处理方式，本发明所提方法可以在与SIMO声纳同尺寸、同工作频段的前提下，获得优于后者的水平向角度分辨率和更优的垂直向成像性能。

技术领域

本发明属于声纳成像领域，特别涉及一种MIMO声纳高分辨三维前视成像方法。

背景技术

传统三维成像声纳采用单发多收(SIMO，single-input multiple-output)声纳阵列结构，在发射端使用单个发射换能器发射声脉冲信号照射目标区域，在接收端使用多元面阵采集并处理回波获得目标区域的图像(Murino V and Trucco A,Three-dimensionalimage generation and processing in underwater acoustic vision,in Proc.IEEE,2000；88(12):103-1948.)。但是，使用平面阵会带来阵元数目巨大的缺点，导致三维成像系统的成本居高不下。

为了降低三维成像声纳的成本，可使用多条水平直线阵接收回波的三维前视成像方法(刘治宇,刘晓东,董飞,刘小刚.三维前视声呐信号处理方法.声学技术,2015；34(4):317-321)。三维前视成像方法在水平向使用多波束形成处理多条直线阵回波，同时对同一个水平角度的多个水平波束输出进行垂直向高分辨处理，将水平向和垂直向结果相结合，获得三维前视成像结果。

但是，当三维前视成像声纳的平台尺寸较小时，会对水平直线阵的孔径产生约束，从而导致水平向角度分辨率不足。水平向角度分辨率的不足，将导致水平波束输出中的干扰成分较多，从而影响了垂直向高分辨成像质量。尽管提高工作频率可以保证在较小的平台上布置更多的阵元数以提高角度分辨率，但是这面临着阵列成本剧增、介质吸收损失增大等问题。因此，如何在不增加阵列尺寸、不改变工作频段的前提下，进行高分辨三维前视成像，已有的研究并不能解决这一问题。

发明内容

本发明解决的技术问题是：为了在不增加阵列尺寸、不改变工作频段的前提下进行高分辨三维前视成像，本发明提出一种使用MIMO声纳的高分辨三维前视成像方法。通过设计用于三维前视成像的MIMO声纳阵型、正交波形，并在接收端采用水平向大孔径虚拟阵常规波束形成、垂直向高分辨波束形成的处理方式，本发明所提方法可以在与SIMO声纳同尺寸、同工作频段的前提下，获得优于后者的水平向角度分辨率和更优的垂直向成像性能。

本发明的技术方案是：一种MIMO声纳高分辨三维前视成像方法，包括以下步骤：步骤一：定义用于高分辨三维前视成像的MIMO声纳阵型和正交波形，包括以下子步骤：

子步骤一：MIMO声纳阵型包括2个发射换能器和M条接收均匀直线阵(ULA:)；ULA的数目M大于等于3，每条ULA中的接收水听器的数目N大于等于8；2个发射换能器组成的2元ULA和M条接收ULA相互平行，且中垂线相互重合；

发射换能器间距d_t与N元接收ULA的阵元间距d_r满足：

d_t＝Nd_r

接收ULA的阵元间距d_r的取值范围满足d_r∈[λ/2,λ]，其中，∈表示数学符号属于，λ为信号所覆盖频段中心频点上的波长；M条相互平行的接收ULA之间的距离为d_z，其取值范围满足d_z∈[λ/2,λ]；发射ULA和接收ULA之间的最小距离为L_z，其范围是L_z∈[λ/2,N×d_r]；

子步骤二：2个正交波形具有相同的频段和相同的脉宽，其自相关函数具有相同的主瓣，自相关函数旁瓣小于等于自相关函数主瓣峰值的0.01倍，2个正交波形的互相关函数峰值小于等于自相关函数主瓣峰值的0.01倍；