多子阵合成孔径声呐后向投影自聚焦成像方法.pdf
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1、第45卷第2 0 期2023年10 月舰船科学技术SHIP SCIENCEAND TECHNOLOGYVol.45,No.20Oct.,2023多子阵合成孔径声呐后向投影自聚焦成像方法姚永红,张旭,宋伟1(1.无锡职业技术学院控制技术学院,江苏无锡2 1412 1;2.中国科学院声学研究所东海研究站,上海2 0 18 15)摘要:针对多子阵合成孔径声呐的非理想运动导致后向投影(BackProjection,BP)成像结果散焦的问题,提出一种结合自聚焦的后向投影成像方法。该方法首先对各脉冲回波数据进行粗栅格BP成像,然后根据图像对比度最优化准则估计出后向投影子图的相位误差,同时计算得到运动误差。
2、最后,对相位补偿及包络搬移后的原始回波数据进行细栅格后向投影自聚焦成像,得到精聚焦图像。仿真结果表明,与传统的BP算法相比,该方法能有效改善运动误差下的多子阵SAS成像效果中显著提高点目标图像的分辨率、峰值旁瓣比及积分旁瓣比指标。关键词:合成孔径声呐;后向投影算法;自聚焦;多子阵;成像方法中图分类号:TB566文章编号:16 7 2-7 6 49(2 0 2 3)2 0-0 17 6-0 6A back projection autofocus imaging method for multi-receiver synthetic aperture sonar(1.Department of
3、Control Technology,Wuxi Institute of Technology,Wuxi 214121,China;2.Shanghai Acoustics Laboratory,Chinese Academy of Sciences,Shanghai 201815,China)Abstract:Aimed at the problem of multi-receiver synthetic aperture sonar(SAS)back projection(BP)image defocus-ing caused by the imperfect motion of the
4、platform,an improved BP imaging method combined with autofocus algorithm isproposed in this paper.Firstly,image with coarser grid for raw data of each receiver is reconstructed by BP algorithm.Secondly,the phase error of each tomographic image is estimated according to the contrast optimization crit
5、erion,and thecorresponding motion error is calculated.Finally,the range-compressed echo data can be corrected by phase compensationand range profile shifts,subsequent another BP combined with autofocus is applied to get a well-focused fine grid image,which is devoid of the previously observable degr
6、adation.The simulation results show that,compared with the conventionalBP algorithm,the proposed method can correct the image degradation,and significantly improve the resolution,peak side-lobe ratio and integral sidelobe ratio of the point target image.Key words:synthetic aperture sonar;back projec
7、tion;autofocus;multi-receiver;imaging method0引言合成孔径声呐(SyntheticAperture Sonar,SA S)是一种水下成像设备,其利用小孔径基阵的运动来合成等效的大孔径,实现方位向的高分辨率成像。与传统侧扫声呐相比,SAS在水下目标探测、识别上具有较大的优势2 。不同于合成孔径雷达,SAS通过多子阵方法来解决探测距离和方位向高分辨率之间的矛盾,进而提高测绘速率。另外,由于水声信号的传播较电磁信号需要更长的时间,使得“停-走-停”的近似在声呐成像中不再有效。多子阵结构及非“停-走-收稿日期:2 0 2 2-0 9-2 6作者简介:姚永红(
8、198 4),男,硕士,高级工程师,研究方向为声呐信号处理。文献标识码:AYAO Yong-hong,ZHANG Xu,SONG Weildoi:10.3404/j.issn.1672-7649.2023.20.033停”传播几何增加了成像算法的复杂性,需对传统的单基算法加以适应性改进,才能将其应用于SAS成像3-4。SAS后向投影算法(BackProjection,BP)是最基本的成像算法,其基本原理是计算各方位时刻平台位置与目标点的双程延时,再据此选取该目标点在各方位时刻对应的回波数据相干累加,进而得出目标函数。BP算法的图像重建过程不存在理论近似,且多子阵结构、非“停-走-停”传播几何及
9、空间采样不均匀等因素对其影响小,是一种精确的时域高分辨成像算法。计算量大的缺点限制了其在实时成像中的应用,但随着电子技术的发展和信号处理能力的不断提升,BP算第45卷法的研究又重新引起了人们的重视5-7 。平台沿理想直线运动是SAS获得高分辨图像的关键。但在实际工作中,海浪、暗涌和平台自身的不规则运动会影响航行轨迹,导致其产生运动误差。高分辨率SAS一般要求运动误差小于波长的1/8,否则会影响图像分辨率及聚焦效果。因此,需要对运动误差进行补偿才能获得聚焦良好的SAS图像8-9。由于运动传感器精度有限,不能满足高分辨率SAS成像要求,因此经过传感器测量运动信息补偿后的回波数据仍会有相当部分的残余
10、运动误差存在,引起接收信号相位误差,导致图像聚焦质量下降;且当残余运动误差引起的距离徙动大于一个距离分辨单元时,便会导致SAS图像二维散焦。解决上述问题的一种思路是用图像自聚焦方法估计出回波中的相位误差和残余距离徙动,并在回波数据中予以补偿后再成像,使成像质量得到一定程度的改善10-11。由于BP算法属于时域成像算法,因此传统适合频域成像算法的自聚焦方法难以与其结合。综合目前的研究成果,可知针对SAS时域成像的自聚焦问题还缺乏相关研究。本文通过分析非“停-走-停”条件下多子阵SAS后向投影算法成像运动误差模型,结合BP算法层析成像的特点及图像对比度最优化准则,提出一种多子阵SAS后向投影自聚焦
11、成像方法,有效解决了残余运动误差下BP成像散焦的问题,增大了BP算法的适用范围。1多子阵SAS后向投影成像模型1.1回波信号模型多子阵SAS数据采集几何模型如图1所示,场景中心点O定义为坐标原点,沿航迹方向定义为X方向。不失一般性,设声呐工作在斜视模式,斜视角为s,正侧视模式时,s=90。假设载体沿着理想航迹以速度匀速直线航行,u表示某方位时刻发射基元的方位向坐标,di为发射基元与第i个接收基元的间距。发射基元相位中心的瞬时坐标为(xa,Ja,za),H 为航迹与场景的高度差,Rref为作用距离,即孔径中心与场景中心的距离。在成像场景所在坐标系中,发射基元相位中心的瞬时坐标在平台理想运动的情况
12、下可表示为:(xa,ya,za)=u,VRre in(0.)-H2,H对于场景中位置坐标为(x,y,0)的目标,在理想航迹情况下,声信号在发射接收期间的传播路程为:姚永红,等:多子阵合成孔径声呐后向投影自聚焦成像方法Va2+0a-y2+(xa-02+(xa+Ad-0)2-12实际情况下,受海浪、暗涌等因素的影响,声呐载体一般为非理想直线航行。假设其在、z向上分别存在Ay、z 大小的运动误差,令y=ya+Ay,Za=Za+Ay,那么发射基元的瞬时坐标为(xa,ya,za)、接收基元的瞬时坐标为(xa+A d;+v,y a,z a)。从而可得到运动误差情况下的声信号双程传播距离表达式为:R(xa,
13、Ja,x,y)=V(xa-x)2+(Va-y)?+(za)2+V(xa+Ad;+v*-x)2+(a-y)?+(a)?=Ro(xa,ya,x,y)+R(x a+d;+v t*)。(6)(1)式中:R为理想航迹与实际航迹下场景中某点目标P的声信号双程传播距离差。由于对于任意目标而言,R(xa,ya,x,y)与Ro(xa,ya,x,y)都是随接收基元位置:177合成孔径理想航迹vtRRiRT图1多子阵SAS成像几何模型Fig.1 Imaging geometry of the multiple receiver SASRo(Xa,ya,X,y)=RT+RRio式中:Rr为发射换能器到目标的传播距离;
14、RRi为非“停-走-停”情况下第i个接收基元到目标的距离,用坐标表示为:RT=/xa-x)2+(Va-y)?+za?,(RRi=V(xa+Ad;+v-x)?+(Va-y)?+za?。式中,*为声信号从发射到被第i个接收基元接收所经历的时间。声信号发射接收期间的双程传播路程等于目标与发射阵、接收阵的实际距离之和,即ct*=Ro(xa,ya,X,y),式中,C为声速。解式(4)得到:2/2HRrefP(x,y,0)4zX(2)(3)(4)(5)178Xa+d;+v t*变化,所以R也是xa+Ad;+vt*的函数。声呐发射线性调频信号为:s(t)=rect(/T)exp(jnKt2)exp(j2元f
15、et)。其中:t为距离向时间;K为调频斜率;T为信号的脉宽;rect(*)为信号包络。rect对回波信号接收解调及距离脉压后可得s(Xa,T)=0(Xa,x,y)x(x.y)ORo(xa,Ja,x,y)+ARsincTKt-CRo(Xa,Ja,X,y)+AR)exp-j2元.feC式中:(xa,x,y)为目标对于发射基元在xa的声反射系数;Q为成像场景范围。1.2BP成像及运动误差的影响对式(9)所示声呐回波数据进行后向投影处理来重Ro(xa,ya,x,y)建场景图像,重建过程中需乘以expj2元feC用于后续层析图像的相干叠加。各方位脉冲得到的层析图像为:Sm(x,y)=s(xa,T).ex
16、p/j2元fe0(xa,x,y)x(x.y)eRo(xa,a,x,y)+ARsinKRexp-j2元/式中:m为方位向回波脉冲索引,xa与ya都随m而变化;Sm(x,y)为第m个回波脉冲后向投影所得复图像,为了分析方便将R写成R(m)的形式。将合成孔径时间内各方位回波后向投影得到的层析图像相干叠加,得到BP成像结果:Na-1Sm(x,y)=m=0m=0(x.y)eQRo(xa,ya,x,y)+R(m)sincTKexp12元舰船科学技术可知,运动误差R(m)使目标回波在距离向存在偏移,同时引入相位误差。在运动传感器精度不够的情况下,运动误差是未知的,所以一方面相位误差会导(7)致层析图像相干叠
17、加失败,另一方面超出一个距离分辨单元的包络偏移会使重建后的目标位置在距离向出现偏移,两者导致图像的二维散焦。若能通过图像自聚焦技术估计出相位误差,并利用其计算得到相应的运动误差R(m),则能够改善图像聚焦质量。(8)lo,others。dxdyRo(xa,ya,x,y)CCdxdy。Na-1o(xa,x,y)xCAR(m)dxdy。C第45卷2结合自聚焦的BP成像根据式(11),当R(m)小于一个距离门宽度时,只需对各脉冲后向投影子图进行相位误差补偿,然后通过相干叠加便能得到聚焦良好的SAS图像:Na-1I(x,y)=2sm(a.y).exp(-jic(m).(9)m=0式中:(m)为第m个脉
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