[发明专利]一种合成孔径声纳运动补偿与成像方法

说明书

本发明属于合成孔径声纳信号处理领域，涉及一种合成孔径声纳运动补偿与成像方法，建立基阵坐标系、惯导安装坐标系、惯导坐标系、地球坐标系、地理坐标系、导航坐标系和成像坐标系等多个坐标系，结合各参数，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，合成孔径声纳运动补偿与成像；最终获得合成孔径声纳二维声图。本发明避免声纳基阵和惯性导航系统的安装误差、杠杆臂效应以及非停走停模式引入的运动误差，提高合成孔径声纳成像质量。合成孔径声纳逐点成像算法可以同时完成运动补偿和成像，运动补偿效果好，成像精度高。

技术领域

本发明属于合成孔径声纳信号处理领域，尤其涉及一种合成孔径声纳运动补偿与成像方法。

背景技术

目前，合成孔径声纳是一种新型高分辨水下成像声纳，可以获得海底(水底)全距离恒定的二维高分辨图像，广泛应用于水下地形地貌测绘、海底底质勘探、考古搜救、沉物打捞、海底电缆及石油管道敷设、水下目标识别与分类、沉底雷和掩埋雷探测以及军民用港口和重要海域的水下高分辨侦查等活动。运动补偿是合成孔径声纳成像过程中极为关键的步骤，其本质是从运动传感器或回波数据中估计声纳运动误差，通过补偿该误差进一步提高二维声图质量。合成孔径声纳一般搭载于无动力拖体或自主式水下航行器，通常要求载体作匀速直线运动。在实际工作中，受海风、海浪、海流的影响，声纳载体的运动轨迹总是与理想的匀速直线运动航迹存在偏差。研究表明，当声纳载体的运动偏离理想航迹超过工作波长的1/8时，必须进行运动补偿，否则会严重影响成像质量。早期的合成孔径声纳运动补偿与成像大多建立在合成孔径雷达相关研究成果的基础上，多接收阵元技术和非停走停模式的引入导致合成孔径声纳在系统结构和工作模式等方面远复杂于合成孔径雷达，这使得合成孔径雷达在运动补偿与成像方面的研究和发展可以被合成孔径声纳借鉴，但难以被直接利用。非停走停模式下信号收发期间声纳平台的运动时间通常被称为非停走停时间。

常用的运动补偿方法主要有两种，一种是基于运动传感器的运动补偿方法，另一种是基于回波数据的运动补偿方法。这里的运动传感器主要是指惯性导航系统，安装于声纳载体，实时记录声纳载体的位置和姿态。基于运动传感器的运动补偿方法与传感器的测量精度直接相关，其关键在于如何利用运动传感器的输出数据准确地推算声纳发射阵和接收阵不同阵元在成像坐标系中的实际坐标。精确的坐标推算过程需要综合考虑多种因素，涉及坐标系转换较多，考虑不充分将产生推算误差。非停走停模式的引入，要求获得接收阵不同阵元在各自接收信号时刻的坐标，传统坐标推算方法无法实现该目标。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)没有理清推算运动补偿与成像需要的坐标数据的过程中可能涉及的坐标系，以及坐标系之间的平移矩阵和旋转矩阵，坐标推算过程不够清晰直观；

(2)未能充分考虑声基阵和惯性导航系统的安装误差以及杠杆臂效应等多种因素，可能导致坐标推算存在误差；

(3)未能充分考虑非停走停模式下非停走停时间对于接收阵元位置的影响，导致非停走停模式下接收阵不同阵元信号接收时刻的坐标不准确；

上述问题将会导致合成孔径声纳运动补偿与成像所需的坐标数据推算精度不高，进而导致运动补偿效果不佳，降低合成孔径声纳成像质量。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种合成孔径声纳运动补偿与成像方法，可以得到发射阵在信号发射时刻位于成像坐标系的坐标以及接收阵各阵元在各自的信号接收时刻位于成像坐标系中的坐标，结合高精度的合成孔径声纳逐点成像算法，可以有效改善合成孔径声纳运动补偿效果，提高合成孔径声纳图像质量。

本发明是这样实现的，一种合成孔径声纳运动补偿与成像方法，包括：