[发明专利]一种多波束合成孔径声呐三维成像算法

说明书

本发明提供一种多波束合成孔径声呐三维成像算法，根据多波束合成孔径声呐换能器基阵结构，在航迹向上通过载体的运动，虚拟合成大孔径基阵，在水平向上利用多接收阵元结构分辨回波到达方位。通过载体的运动，在不同航迹向位置照射探测区域，对接收到的回波信号进行相干补偿累加，能够获得航迹‑斜距‑角度坐标系下的三维声呐图像输出。利用坐标变换，将声呐图像转变为更易于观察的水平向‑航迹向‑深度向坐标系下的三维声呐图像。本方法突破了多波束测深声呐及常规合成孔径声呐的机理限制，在航迹向获得恒定的成像分辨率，在水平向和深度向平面获得较高的成像分辨率，实现三维空间内的精细化声呐成像。

技术领域

本发明涉及一种多波束合成孔径声呐三维成像算法，属于声呐信号处理领域。

背景技术

对于海洋资源的开发利用，首要前提就是对水下区域的地形地貌以及感兴趣的特殊目标进行精细化探测，具有探测区域大、精细化要求高、抗干扰能力强的技术需求。相对于常规的光学成像系统，成像声呐系统可以在水下能见度低、水质浑浊的工况条件下进行远距离探测，应用范围更加广泛。成像声呐技术经过了数十年的发展研究，经历了从二维图像到三维图像、从单点探测到多点探测、从单一载体到多载体灵活运用、从单频信号到多频信号的发展历程，逐渐从理论研究走向了工程化应用，并且形成了系列化、差异化的商业产品体系。目前，市场上常见的成像声呐主要包括侧扫声呐、合成孔径声呐以及多波束测深声呐三种。

侧扫声呐具有基阵结构简单、成本较低的技术优势，被广泛应用于大面积扫海测量领域。其基本工作原理是在拖鱼等声呐载体的两侧安装具有一定指向性的换能器基阵，辐射并接收水底返回的回波信号，每次探测形成一条按照时间排列的回波能量线，随着载体的走航拼接形成航迹向-距离向平面下的二维声呐图像。其不足之处主要在于正下方存在探测缝隙、只能够进行二维声呐成像并且航迹向成像分辨率随着作用距离的增大而下降。合成孔径声呐基阵结构类似于侧扫声呐，对航迹向上的多个采样位置的回波信号进行相干处理，最终在航迹向上获得与作用距离、探测频率无关的成像分辨率。其优势在于可以使用小孔径基阵，通过载体的运动虚拟合成大孔径基阵，提升图像的航迹向分辨率。不足之处在于系统复杂，成本极高，并且依旧存在正下方探测缝隙问题，通常需要搭载多波束声呐进行补隙。多波束测深声呐采用沿水平向排列的数十甚至上百接收阵元，每次探测获得斜距-角度坐标系下的二维声呐图像，经载体的走航拼接形成探测区域的三维全覆盖声呐图像。其优势在于具有较高的深度估计精度，不存在正下方探测缝隙，能够实现全覆盖测量。不足之处在于其航迹向和水平向成像分辨率会受到波束脚印的限制，随着探测距离的增大而降低。

多波束合成孔径声呐是一种结合了多波束测深声呐和侧扫合成孔径声呐技术特点的一种新型成像声呐，能够在三维空间获得较为精细的成像结果。多波束合成孔径声呐的基本工作原理类似于常规多波束测深声呐，在水平向上通过多阵元线阵的布置，实现高精度的波达方位估计；在航迹向上通过大间距布阵的方式，增加航迹向空间采样间隔。本申请提出的多波束合成孔径声呐成像算法的核心思想，是在航迹向上通过载体的走航，利用二维面阵的换能器阵列流形虚拟合成大孔径基阵，从而获得航迹向的恒定图像分辨率。在水平向和深度向平面上，利用水平向的多阵元线阵进行波束形成处理，获得斜距向-角度向坐标系下的声呐图像，经坐标变换后，最终得到航迹向-水平向-深度向坐标系下的三维声呐图像。

发明内容

本发明的目的是根据二维多波束合成孔径声呐基阵结构，结合航迹向孔径合成理论和水平向波束形成方法，提出一种多波束合成孔径声呐三维成像算法，提升声呐的三维目标探测精细化程度。

本发明的目的是这样实现的：步骤如下：

步骤一：对接收到的阵列信号进行正交变换，将实信号转变为解析信号，根据发射信号参数对接收信号进行带通滤波；

步骤二：利用发射参考信号对解析信号进行匹配滤波处理，实现对线性调频信号的脉冲压缩过程，修正卷积处理带来-的信号时延；