[发明专利]一种二维声呐基阵运动姿态自校准方法

说明书

本发明提供一种二维声呐基阵运动姿态自校准方法，首先对声呐基阵接收到的回波信号进行脉冲压缩处理，分别估计“声亮点”距离基阵各顶点的整数倍时延及小数倍时延，结合二维基阵孔径建立非线性超定方程组。针对获得的非线性超定方程组构造目标函数，利用梯度法迭代求解方程组的最小二乘解，从而获得当前采样位置处的二维基阵中心、平移误差以及四顶点位置。利用系统旋转矩阵再次建立非线性超定方程组，迭代求解获得姿态误差。本方法通过对回波信号的时延估计和基阵结构建立几何方程，能够实现二维基阵运动姿态的六自由度运动误差联合自校准过程，具有不依赖于昂贵的外部辅助设备、时延估计精确高、算法实时性良好等技术优势。

技术领域

本发明涉及一种二维声呐基阵运动姿态自校准方法，属于声呐信号处理领域。

背景技术

成像声呐是目前最常用的水下地形地貌探测技术手段，已经发展出了多个技术分支，并且受到了学术机构和声呐设备厂商的广泛研究和关注。常见的成像声呐设备主要包括侧扫声呐、多波束测深声呐以及合成孔径声呐等。这些成像声呐设备通过发射和接收声信号，实现对探测区域的二维或三维成像过程。声呐基阵载体的运动姿态估计与补偿是声呐成像、成图后处理的重要因素，准确的姿态估计与补偿是稳定成图、图像拼接的重要保障。载体在三维空间内的走航会产生六个自由度的运动误差，包括：横移、纵移、升沉和横摇、纵摇、艏偏。其中，沿水平轴、航迹轴和深度轴平移的横移、纵移和升沉偏差，称为位置误差；绕水平轴、航迹轴和深度轴旋转的横摇、纵摇和艏向偏差，称为姿态误差。具有不同基阵结构和探测原理的成像声呐对于六自由度误差的敏感度不同，例如对于单线阵多波束测深声呐，横摇是影响成像效果的主要因素，纵摇和艏偏主要影响的是成像的均匀性，横移、纵移和升沉的位置误差主要影响成图的空间归位，因此认为单线阵多波束测深声呐成像效果对横摇敏感，而对于其他因素的影响稍弱，可以进行运动误差成图后补偿。又例如对于单基元合成孔径声呐，或者沿某一方向布置的多子阵接收系统，其成像效果主要受位置误差影响，在某些维度的姿态旋转仅影响接收阵元的指向性和发射波束的空间归位，并不影响阵元的空间位置，即对回波的声程差没有影响。随着成像声呐技术研究的不断发展深入，二维声呐基阵被逐步的应用到成像系统中来，能够提供更好的阵增益以及提升系统测绘效率，新机理、新设备逐渐涌现，例如二维多波束图像声呐、多波束合成孔径声呐等。

因此，对于各种成像声呐的探测新机理，六自由度的运动误差联合估计就显得尤为重要，精细化的探测技术对三维空间内的运动误差均较为敏感。现有的成像声呐运动估计技术分为两种：硬件估计和软件估计。其中，硬件估计主要指基于姿态仪、罗经、GPS等外部运动估计辅助设备的估计方法，其优点是估计实时性好、精度上限高，缺点是价格昂贵、占用空间大，并且无法在水下小空间密闭舱体使用，限制了水下无人环境下的应用；软件估计主要是在合成孔径声呐系统中，通过目标回波自聚焦的方式进行运动姿态估计，继而进行成像补偿，其优点是成本节约，不需要额外增加外部辅助设备，缺点是现有方法不完全适用于二维声呐基阵结构。

针对现有方法的不足之处，为了更好的估计二维声呐基阵的运动姿态误差，本发明公开了一种二维声呐基阵运动姿态自校准方法，通过对回波信号的时延估计和基阵结构建立几何方程组，通过高斯迭代方法求解非线性超定方程组。能够实现二维基阵运动姿态的六自由度联合自校准过程，具有不依赖于昂贵的外部辅助设备、时延估计精确高、算法实时性良好等技术优势。

发明内容

本发明的目的是为了配合多波束合成孔径声呐探测新机理，实现二维基阵运动姿态的六自由度联合自校准过程，目的是不依赖于昂贵的外部辅助设备，提升时延估计精度，保障算法的实时性。

本发明的目的是这样实现的：步骤如下：

步骤一：选取二维基阵的三顶点位置处的接收基元，对接收到的回波信号进行脉冲压缩处理，选取探测区域的三个“声亮点”目标，分别估计目标至顶点位置处的整数倍时延以及小数倍时延，计算目标斜距；

步骤二：利用获得的目标斜距以及二维基阵的接收孔径，根据几何关系建立非线性超定方程组并构造目标函数，通过梯度法求解非线性超定方程组的最小二乘解；