[发明专利]一种合成孔径声纳运动补偿与成像方法

权利要求书

1.一种合成孔径声纳运动补偿与成像方法，其特征在于，所述合成孔径声纳运动补偿与成像方法包括：

建立多个坐标系，根据高精度惯性导航系统的输出数据，结合发射阵、接收阵、惯性导航系统的设计参数和安装参数，构建不同坐标系之间的平移矩阵和旋转矩阵；

精确推算得到信号发射时刻发射阵在成像坐标系中的坐标，以及接收阵各阵元信号接收时刻在成像坐标系中的坐标；根据发射阵、接收阵各阵元在基阵坐标系中的坐标以及信号发射时刻基阵坐标系与成像坐标系之间的平移矩阵和旋转矩阵推算信号发射时刻发射阵、接收阵各阵元在成像坐标系中的坐标所述根据接收阵各阵元在基阵坐标系中的坐标以及接收阵各阵元信号接收时刻基阵坐标系与成像坐标系之间的平移矩阵和旋转矩阵确定接收阵各阵元接收信号时刻在成像坐标系中的坐标

利用合成孔径声纳逐点成像算法，同时完成合成孔径声纳运动补偿与成像操作，获得高质量的合成孔径声纳二维声图；

所述根据惯导数据输出时刻惯性导航系统输出的经度、纬度和高度，建立地理坐标系，构建惯导数据输出时刻地球坐标系与地理坐标系之间的平移矩阵和旋转矩阵下标及上标G表示地理坐标系；

根据惯导坐标系和地理坐标系的定义，以及惯导数据输出时刻惯性导航系统输出的姿态角，分别用偏航角俯仰角横滚角表示，构建惯导数据输出时刻惯导坐标系与地理坐标系之间的旋转矩阵其中

所述根据惯导数据输出时刻惯性导航系统输出的经度、纬度和高度，构建惯导数据输出时刻惯导坐标系与地球坐标系之间的平移矩阵其中

所述根据惯导数据输出时刻惯导坐标系与地理坐标系之间的旋转矩阵以及地理坐标系与地球坐标系之间的旋转矩阵构建惯导数据输出时刻地球坐标系与惯导坐标系之间的旋转矩阵其中根据基阵坐标系原点O_S在惯导坐标系中的坐标以及惯导数据输出时刻惯导坐标系与地球坐标系之间的平移矩阵和旋转矩阵推算惯导数据输出时刻基阵坐标系原点在地球坐标系中的直角坐标和球坐标其中

其中R′_e为地球椭圆第二偏向率；

以惯性导航系统第1包数据输出时刻基阵坐标系原点为原点，用O_N表示，根据同一时刻基阵坐标系原点的经度、纬度，建立导航坐标系，用N表示；根据惯导数据输出时刻基阵坐标系原点在地球坐标系中的经度、纬度和高度，推算惯导数据输出时刻基阵坐标系原点在导航坐标系中的坐标

其中R_m0和R_m1均为地球主曲率半径，R_c＝(R_a-R_b)/R_a，分别为惯性导航系统第1包数据输出时刻基阵坐标系原点在地球坐标系中的经度、纬度和高度；根据惯导数据输出时刻基阵坐标系原点在导航坐标系中的坐标利用最小二乘法进行线性拟合，得到理想航迹，用y＝k_Ix+b_I表示，确定理想航迹在导航坐标系中的斜率k_I和截距b_I；

以第一个等于惯导数据输出时刻或者介于前后相邻两个惯导数据输出时刻之间的脉冲发射时刻基阵坐标系原点在理想航迹中的投影点为原点，以理想航迹为X轴，建立成像坐标系，用F表示，确定成像坐标系原点O_F在导航坐标系中的坐标构建成像坐标系与导航坐标系之间的平移矩阵

所述根据成像坐标系和导航坐标系的定义，以及理想航迹在导航坐标系中的斜率k_I，推算成像坐标系与导航坐标系之间的姿态角构建成像坐标系与导航坐标系之间的旋转矩阵

所述根据惯导数据输出时刻惯性导航系统输出的姿态角，利用线性插值方法确定信号发射时刻惯性导航系统的姿态角，构建信号发射时刻惯导坐标系与导航坐标系之间的旋转矩阵N_Pulse表示脉冲个数；

所述根据基阵坐标系与惯导坐标系之间的旋转矩阵信号发射时刻惯导坐标系与导航坐标系的旋转矩阵以及导航坐标系与成像坐标系之间的旋转矩阵构建信号发射时刻基阵坐标系与成像坐标系之间的旋转矩阵

所述根据惯导数据输出时刻基阵坐标系原点在导航坐标系中的坐标利用线性插值方法得到信号发射时刻基阵坐标系原点在导航坐标系中的坐标结合导航坐标系与成像坐标系之间的平移矩阵和旋转矩阵推算信号发射时刻基阵坐标系原点在成像坐标系中的坐标构建信号发射时刻基阵坐标系与成像坐标系之间的平移矩阵

根据发射阵、接收阵各阵元在基阵坐标系中的坐标以及信号发射时刻基阵坐标系与成像坐标系之间的平移矩阵和旋转矩阵推算信号发射时刻发射阵、接收阵各阵元在成像坐标系中的坐标

所述根据非停走停时间的定义，结合发射阵、接收阵的设计参数和安装参数，以及信号发射时刻发射阵、接收阵各阵元在成像坐标系中的坐标，计算接收阵各阵元的非停走停时间其中AA＝c²-v²，c为水下声速，为第k个信号发射时刻发射阵在成像坐标系中的坐标，为第k个信号发射时刻第i个接收阵元在成像坐标系中的坐标，为目标P₀在成像坐标系中的坐标，为第k个信号发射时刻与第k+1个信号发射时刻之间第i个接收阵元沿理想航迹的平均航速，PRI为脉冲重复周期，R_Tr为信号发射时刻发射阵与目标P₀之间的斜距；

根据惯导数据输出时刻基阵坐标系原点在导航坐标系的坐标利用线性插值方法得到接收阵各阵元信号接收时刻基阵坐标系原点O_{S_RT}在导航坐标系中的坐标结合导航坐标系与成像坐标系的平移矩阵和旋转矩阵推算接收阵各阵元信号接收时刻基阵坐标系原点在成像坐标系中的坐标构建接收阵各阵元信号接收时刻基阵坐标系与成像坐标系的平移矩阵下标S_RT表示信号接收时刻的基阵坐标系；

根据惯导数据输出时刻惯性导航系统输出的姿态角利用线性插值方法得到接收阵各阵元信号接收时刻惯性导航系统的姿态角推算接收阵各阵元信号接收时刻惯导坐标系与导航坐标系的旋转矩阵结合基阵坐标系与惯导坐标系的旋转矩阵导航坐标系与成像坐标系的旋转矩阵构建接收阵各阵元信号接收时刻基阵坐标系与成像坐标系的旋转矩阵

所述根据接收阵各阵元在基阵坐标系中的坐标以及接收阵各阵元信号接收时刻基阵坐标系与成像坐标系之间的平移矩阵和旋转矩阵确定接收阵各阵元接收信号时刻在成像坐标系中的坐标

所述根据信号发射时刻发射阵在成像坐标系中的坐标以及接收阵各阵元信号接收时刻接收阵各阵元在成像坐标系中的坐标利用合成孔径声纳逐点成像算法同时完成运动补偿与成像操作，获得合成孔径声纳二维图像。