CN116990791B - 一种多接收阵合成孔径声纳回波仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多接收阵合成孔径声纳回波仿真方法，涉及图像处理技术领域。所述方法包括如下步骤：S1.在合成孔径长度内计算对应于双程斜距历程的相移函数；S2.在合成孔径长度内计算对应于双程斜距历程的多普勒相位函数；S3.在距离向频域计算单个点目标的回波信号；S4.计算成像场景中所有目标的回波信号以得到最终的仿真回波信号。通过距离向频域中的相位相乘代替时域中的时延处理，能够大幅度降低计算复杂度，从而提高多接收阵元合成孔径声纳的回波仿真效率。

Description

一种多接收阵合成孔径声纳回波仿真方法

技术领域

本发明涉及图像处理技术领域，具体涉及一种多接收阵合成孔径声纳回波仿真方法。

背景技术

目前，合成孔径技术是将常规侧扫声纳的方位分辨率提高一个数量级的有效技术。其原理是利用小孔径基阵的匀速直线运动在方位向上虚拟合成一个大孔径基阵，由于这个虚拟的孔径正相关于测绘距离，所以方位分辨率具有与作用距离和工作频率无关的特性。在合成孔径声纳工程样机系统未完工之前，仿真的合成孔径声纳回波数据就是合成声纳成像系统的唯一输入，可以用来进行合成孔径声纳系统参数的设计、成像算法的校验、各种图像均衡以及目标分类识等算法的检验、后期干涉合成孔径声纳信号处理方法的测试等。现有技术采用时域方法对回波信号进行仿真，基本思想在于回波信号是发射信号的时间延迟，由于原始数据是在时域中逐点生成的，因此仿真信号较为精确，但计算复杂度较高，随着目标数量的不断增加，其仿真时间也随之增加，导致计算效率大大降低。基于图形处理器等并行优化方法可以在一定程度上提升仿真效率，然后却是以增加硬件成本为代价，因此性价比较低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多接收阵合成孔径声纳回波仿真方法，以解决传统模拟方法计算复杂导致仿真效率随目标数量增加而显著降低的问题。

为实现上述技术问题的解决，本发明的目的之一在于，提供了一种多接收阵合成孔径声纳回波仿真方法，包括如下步骤：

S1.在合成孔径长度内计算对应于双程斜距历程的相移函数；

S2.在合成孔径长度内计算对应于双程斜距历程的多普勒相位函数；

S3.在距离向频域计算单个点目标的回波信号；

S4.计算成像场景中所有目标的回波信号以得到最终的仿真回波信号。

作为本技术方案的进一步改进，所述S1中，在合成孔径长度内计算对应于双程斜距历程的相移函数，其计算公式如下：

其中表示水下的声速；表示距离向的瞬时频率，表示虚数单位； 表示针对成像场景中第个目标的相移函数，为距离坐标为、方位坐标为的点 目标与第个接收阵元的双程斜距历程，为方便描述，记该目标的二维坐标为，当声 纳在时刻的位置与目标位置在方位向满足时，为合成孔径长度， 双程斜距历程计算公式如下：

其中下标表示接收阵元的索引，表示成像区域中目标的索引。表示发射阵元和目标之间的距离，而 是第个目标和第个接收阵元之间的距离，表示在时刻的发射阵元位置，变量是声 纳速度，表示考虑信号从发射到被接收阵元所接收过程中接收阵元沿方位向移动的距 离，是当第个接收阵元接收到信号时的精确时间延迟；表示发射阵元与第个接收 阵元之间的距离，表示点目标在距离向的坐标，表示点目标在方位向的坐标。

作为本技术方案的进一步改进，所述S2中在合成孔径长度内计算对应于双程斜距历程的多普勒相位函数，计算公式为：

其中表示系统中心频率，表示虚数单位；表示针对成像场景中第个目标的多普勒相位函数。

作为本技术方案的进一步改进，所述S3中在距离向频域计算单个点目标的回波信号，计算公式为：

其中表示第个接收阵元针对成像场景中第个目标接收到的回波 信号，表示方位向慢时间；表示对发射信号进行傅里叶变换后的结果。

作为本技术方案的进一步改进，所述S4中计算成像场景中所有目标的回波信号以得到最终的仿真回波信号，计算公式为：

其中表示对发射信号进行傅里叶变换后的结果；表示成像区域中目标的索 引；表示成像区域中目标的总个数；表示求和；表示傅里叶变换。

与现有技术相比，本发明的有益效果：该高效的多接收阵合成孔径声纳回波仿真方法，通过距离向频域中的相位相乘代替时域中的时延处理，能够大幅度降低计算复杂度，从而提高多接收阵元合成孔径声纳的回波仿真效率。

附图说明

图1为本发明的处理流程图。

图2为实施例中模拟效率对比曲线图。

图3为实施例中仿真回波图。

图4为实施例中仿真回波的成像结果图。

图5为传统时域方法仿真回波的成像结果图。

图6为实施例中仿真回波成像结果在方位向上的剖面图。

图7为实施例中仿真回波成像结果在距离向上的剖面图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1所示，本实施例提供了一种多接收阵合成孔径声纳回波仿真方法，具体包括如下步骤：

S1.在合成孔径长度内计算对应于双程斜距历程的相移函数，其计算公式如下：

其中表示水下的声速；表示距离向的瞬时频率，表示虚数单位； 表示针对成像场景中第个目标的相移函数，为距离坐标为、方位坐标为的点 目标与第个接收阵元的双程斜距历程，为方便描述，记该目标的二维坐标为，当声 纳在时刻的位置与目标位置在方位向满足时，为合成孔径长度， 双程斜距历程计算公式如下：

其中下标表示接收阵元的索引，表示成像区域中目标的索引。表示发射阵元和目标之间的距离，而是第个目标和第个接收阵元之间的距离，表示在时刻的发射阵元位置，变量是声纳速 度，表示考虑信号从发射到被接收阵元所接收过程中接收阵元沿方位向移动的距离，是当第个接收阵元接收到信号时的精确时间延迟；表示发射阵元与第个接收阵 元之间的距离，表示点目标在距离向的坐标，表示点目标在方位向的坐标。

S2.在合成孔径长度内计算对应于双程斜距历程的多普勒相位函数，计算公式为：

其中表示系统中心频率，表示虚数单位；表示针对成像场景中第个目标的多普勒相位函数。

S3.在距离向频域计算单个点目标的回波信号，计算公式为：

其中表示第个接收阵元针对成像场景中第个目标接收到的回波信 号，表示方位向慢时间；表示对发射信号进行傅里叶变换后的结果。

S4.计算成像场景中所有目标的回波信号以得到最终的仿真回波信号，计算公式为：

其中表示对发射信号进行傅里叶变换后的结果；表示成像区域中目标的索 引；表示成像区域中目标的总个数；表示求和；表示傅里叶变换。

针对单个点目标回波信号的仿真，传统时域方法和本发明中方法的计算复杂度如下表1：

表1

表示在距离向上的采样数量，表示在方位向的采样数量，由上表可知本发明 方法具有较低的计算复杂度，对于多接收阵合成孔径声纳系统，成像区域由无数个理想点 目标组成，因此本发明方法可以显著提高回波仿真效率。

考虑空间中分别存在1个、4个、16个、32个、64个、128个和256个理想点目标的7种情况，合成孔径声纳中心频率为150 kHz，带宽为40 kHz。利用本发明方法和传统方法对回波信号进行仿真后，仿真时间如图2所示。从图2中可以清楚地发现，传统方法的仿真时间随着目标数量的增加而增加。利用本发明方法，仿真时间随着目标数量的增加而略有增加。这表明本发明所提出的方法比传统方法更加高效。

为验证本发明方法得到的仿真回波具有与传统时域方法同样的精确度，考虑距离坐标为157m、方位坐标为22m的理想点目标，仿真的回波信号如图3所示。采用波数域成像算法对本发明方法仿真的回波信号和传统时域方法仿真的回波进行成像处理，结果分别如图4和图5所示，验证了所提出的方法能够很好地得到仿真回波。为了定量评估本发明所提出方法的性能，图6和图7分别给出了两种方法在方位向和距离向的剖面图，发现两种方法在合成图像形成后几乎可以获得相同的成像性能，这表明本发明所提出的方法可以准确地仿真多接收阵合成孔径声纳系统的回波信号而不损失性能。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (2)

1.一种多接收阵合成孔径声纳回波仿真方法，其特征在于包括如下步骤：

S1.在合成孔径长度内计算对应于双程斜距历程的相移函数；

S2.在合成孔径长度内计算对应于双程斜距历程的多普勒相位函数；

S3.在距离向频域计算单个点目标的回波信号；

S4.计算成像场景中所有目标的回波信号以得到最终的仿真回波信号；

所述S1中，在合成孔径长度内计算对应于双程斜距历程的相移函数，其计算公式如下：

其中，c表示水下的声速；f_τ表示距离向的瞬时频率，j²＝-1表示虚数单位；H_i(f_τ)表示针对成像场景中第i个目标的相移函数，R_{m_i}(t；r)为距离坐标为r、方位坐标为x_i的点目标与第m个接收阵元的双程斜距历程，为方便描述，记该目标的二维坐标为(r,x_i)，当声纳在t时刻的位置v·t与目标位置x_i在方位向满足|v·t-x_i|≤0.5L_s时，L_s为合成孔径长度，双程斜距历程R_{m_i}(t；r)计算公式如下：

其中，表示发射阵元和目标之间的距离，/>是第i个目标和第m个接收阵元之间的距离，v·t表示在t时刻的发射阵元位置，变量v是声纳速度，v·τ_m表示信号从发射到被接收阵元所接收过程中接收阵元沿方位向移动的距离，τ_m是当第m个接收阵元接收到信号时的精确时间延迟，d_m表示发射阵元与第m个接收阵元之间的距离；

所述S2中在合成孔径长度内计算对应于双程斜距历程的多普勒相位函数，计算公式为：

其中，f_c表示系统中心频率，j²＝-1表示虚数单位，c表示水下的声速，D_i(f_τ)表示针对成像场景中第i个目标的多普勒相位函数；

所述S3中在距离向频域计算单个点目标的回波信号，计算公式为：

Ss_{m_i}(f_τ,t；r)＝P(f_τ)·H_i(f_τ)·D_i(f_τ)

其中，Ss_{m_i}(f_τ,t；r)表示第m个接收阵元针对成像场景中第i个目标接收到的回波信号，t表示方位向慢时间；P(f_τ)表示对发射信号进行傅里叶变换后的结果。

2.根据权利要求1所述的一种多接收阵合成孔径声纳回波仿真方法，其特征在于：所述S4中计算成像场景中所有目标的回波信号以得到最终的仿真回波信号，计算公式为：

其中，P(f_τ)表示对发射信号进行傅里叶变换后的结果；i表示成像区域中目标的索引；I表示成像区域中目标的总个数；FT表示傅里叶变换。