专利名称：一种水下高分辨率侧视声学成像系统与方法
技术领域：
本发明涉及水下声学成像领域，特别涉及一种水下高分辨率侧视声学成像系统与方法。

背景技术：
由于声波在水中的传播损失远远小于光和电磁波，因此采用声波是水下环境探测的主要手段。分辨率是水下声学成像设备的重要考核指标。对于传统侧扫声纳来说，距离向分辨率可以通过采用宽带信号获得，而方位向分辨率与声学换能器阵的长度、声信号频率以及目标距离等因素有关。声学换能器的长度越长，方位向分辨率越高；成像目标距离越远，方位向分辨率越低；采用的声信号频率越高，方位向分辨率越高。而采用了合成孔径技术的水下侧视声学成像设备的理论分辨率与信号频率和成像目标距离无关，具有非常明显的技术优势。为了提高测绘效率，合成孔径技术应用于水下高分辨率声学成像时采用多子阵配置，即一个发射阵和多个接收子阵的配置模式。这种配置模式的缺点是为了满足方位向的采样率，声纳基阵的移动速度受多子阵长度的限制。


发明内容
本发明的目的在于，为了克服声纳基阵的移动速度受多子阵长度的限制，以及成像系统的测绘效率不高等现有技术的不足，本发明提供了一种水下高分辨率侧视声学成像系统与方法。
为了实现上述目的，本发明提供的一种水下高分辨率侧视声学成像系统，该系统包含 发射阵，用于发射指定的声波信号； 接收阵，为由多个接收换能器组成的多个接收子阵，用于接收水下声波信号； 接收机，该接收机包含信号调理和采集功能模块，用于对水下声波信号进行滤波、放大等于处理，并将模拟信号转换为数字信号； 数据传输模块，用于将数据接收和采集模块获得的声信号传输给数据处理模块进行处理； 数据处理模块，对数据传输模块传输的水下声信号进行存储和成像处理，得到最终的水下目标高分辨率声学成像；其中该模块还包含数据预处理模块、存储模块、图像重建模块、运动误差估计与补偿处理模块和图像显示模块；数据处理模块包含数据预处理模块，数据预处理模块对数据传输模块传输的水下声信号进行预处理，预处理的可以包含降噪、子阵数据整理等操作。
其特征在于，所述的发射阵为两个发射阵组成的发射阵组，用于发射频带不同的声学信号，每个发射阵分别由一个发射机驱动。
所述的两组声纳发射换能器布置在多子阵模块组成的接收阵的两端，用于发射两组频带不同的声学信号，其中两组声纳发射换能器布置在多子阵模块的两端，这两组声纳发射换能器可以发射两组频带不同的声学信号，这两组声纳发射换能器通过发射机模块同步发射水下声波信号。发射机模块需要同时驱动两组声纳发射换能器，与发射阵连接后，发射机的设计需要考虑系统总体设计的要求，比如发射阵的种类，发射声源级大小等因素。另外，为了保证发射换能器同时发射声信号，发射机模块驱动声纳发射换能器时应当具备同步功能。
所述的组成多子阵模块的多个接收子阵满足相位和幅度一致性的要求，避免因为各个接收子阵的性能不一致对成像结果造成影响；如果多个接收子阵的相位一致性存在差异，应当通过适当的方法进行标定并在数据处理模块进行补偿。
所述的运动误差估计与补偿处理，用于估计声纳基阵的运动误差并进行补偿； 所述的水下高分辨率侧视声学成像系统还包含一图像重建模块，用于对水下声学信号进行处理并最终生成水下目标的声学图像。
其中信号调理和采集模块主要完成多子阵接收水下声学信号的滤波、放大以及采集等功能，将水下声学信号从模拟信号转换为数字信号，以便于数据传输和应用数字信号处理算法。
其中数据传输模块在不同的应用环境中具有不同的特征，比如应用在拖曳式系统中，由接收和采集模块获取的声信号数据一般需要通过拖缆传输到母船进行处理，如果采用千兆以太网进行传输，此时数据传输模块需要包括千兆以太网交换机、光缆等；如果应用在自主航行体上，接收和采集模块以及数据处理模块一般同时安装在自主航行体中，此时数据传输一般通过总线(如CPCI)进行数据传输，数据传输模块此时可以相对简化。
其中数据处理模块主要包括数据存储，运动误差估计与补偿处理，图像重建处理等处理模块，其中运动误差估及与补偿处理用于估计声纳基阵的运动误差并进行补偿，图像重建处理用于对水下声学信号进行处理并最终生成水下目标的声学图像。
本发明还提出一种针对该系统的一种水下高分辨率侧视声学成像方法，该方法用由两个发射阵组成的发射阵组实现，所述的方法包含如下步骤 1)在一个发射周期内，发射阵组的第一发射阵1和第二发射阵2同时发射两种频带不同的水下声信号或信号形式不同的水声信号； 所述的水下声信号应当满足以下两个条件中的一个 11)f1+B/2＜f2-B/2，f1＜f2； 21)可以采用信号处理方法区分两个声纳发射阵发射的信号(如采用正交编码的两组信号)； 2)接收阵接收发射阵组发射的水下声信号的回波信号，并对回波信号进行处理去除两组不同回波信号载频，得到两组不同的基带信号； 3)计算第一发射阵1和第二发射阵2的等效相位中心在随阵坐标系中位置； 4)利用第一发射阵1和第二发射阵2的目标回波信号估计声纳基阵的运动误差，根据得到的运动误差并结合第一发射阵1和第二发射阵2的等效相位中心在随阵坐标系中位置得到补偿后的目标回波信号； 5)对补偿后的目标回波信号进行脉冲压缩； 6)利用脉冲压缩的目标回波信号进行成像。
上述方法的步骤2)所述的将回波信号1sni和2sni变为基带信号的处理方法步骤如下 2-1)对滤波得到的两个回波信号进行傅立叶变换，得到其频域表示1Fni和2Fni； 2-2)对于1Fni，根据其中心频率f1的位置和带宽B对其进行频谱搬移，将f1搬移为零频，经过频谱搬移后得到信号 1Gni(f)＝Fni(f+f1)W(f) 其中W(f)为窗函数； 2-3)对于2Fni，根据其中心频率f2的位置和带宽B对其进行频谱搬移，将f2搬移为零频，经过频谱搬移后得到信号 2Gni(f)＝Fni(f+f2)W(f) 2-4)对1Gni(f)和2Gni(f)进行傅立叶逆变换，得到基带信号1gni和2gni。
作为本发明的一个改进，上述方法的步骤4)所述的估计声纳基阵运动误差和补偿的方法包含如下步骤 4-1)第n屏时第二发射阵2对应的第i个等效相位中心位置为2xci(n)； 4-2)根据合成孔径声纳基阵的运动速度计算第n+1屏时第二发射阵2对应的第i个等效相位中心位置为 2xci(n+1)＝2xci(n)+v×prt 4-3)找到第n+1屏第二发射阵2和第n屏第一发射阵1所有重叠的等效相位中心； 4-4)根据找到的所有的重叠等效相位中心估计运动误差，步骤如下； 前后两屏重叠的两个等效相位中心对分别为第n屏的k，l和第n+1屏的i，j； 首先通过1gnk与2gn+1，i，1gnl与2gn+1，j进行互相关可以得到互相关函数cki(p)和clj(p)；然后通过寻找互相关函数的峰值可以得到cki和clj的最大值的位置pki和plj，信号1gnk与2gn+1，i的长度均等于采样点数NR，采样率为fs，声速为C，则等效相位中心k，i、等效相位中心l，j之间的运动误差分别为 则根据Δxki和Δxlj可以估算出前后两屏合成孔径声纳基阵之间的位置关系， 其中，

声纳基阵的方向矢量；O′表示声纳基阵的随阵坐标系原点坐标；

表示位置矢量；n和n+1表示乒索引；i，j，k，l表示等效相位中心索引； 4-5)根据上述估计运动误差对基带目标回波信号进行补偿。
其中，步骤4-3)所述的找到所有重叠的等效相位中心，具体步骤为寻找第n+1屏时算二发射阵2对应的各个等效相位中心位置2xci(n+1)与第n屏第一发射阵1对应的第一个等效相位中心位置1xc1(n)最接近的一个，如果

与1xc1(n)位置最接近，则第n+1屏第二发射阵2对应的等效相位中心imin与第n屏第一发射阵1对应的第一个等效相位中心重叠，采用同样的方法找到第n+1屏和第n屏所有重叠的等效相位中心。
上述方法的步骤7)所述的成像采用如下公式实现 脉冲压缩后得到的第i个等效相位中心对应的信号为bni，第i个等效相位中心对应的位置为(xci，yci)，xci＝0，成像像素的位置为(xti，yti)，则此像素点的成像结果为 其中，N表示所有可以照射到目标点(xti，yti)的合成孔径声纳屏的总数，M表示每屏可用于成像的等效相位中心个数。
本发明的优点在于，降低声纳基阵多子阵长度对于其移动速度的限制，提高成像系统的测绘效率。



图1是本发明的一种水下高分辨率侧视声学成像系统结构图； 图2是本发明的发射阵、接收阵以及等效相位中心的位置； 图3是本发明的等效相位中心重叠及其与声纳基阵前进方向速度的关系； 图4是本发明的重叠相位中心和运动误差估计； 图5是本发明的合成孔径声纳时域成像示意图； 图6是本发明的处理方法的步骤流程图。

具体实施例方式 下面结合附图对本发明的一种水下高分辨率侧视声学成像系统与方法进行详细说明。
具体实施方式
以分别为中心频率为f1和f2，带宽为B的侧视合成孔径声纳系统为例。系统工作过程说明如下。为了使描述清晰，本实施例描述过程中注重本专利实施的过程，本实施例中数字信号处理算法的效率可以通过多种方式进行提高。为了便于说明，本实施例中第一发射阵1和第二发射阵2采用的频带不同的两组声信号。在世纪应用中，第一发射阵1和第二发射阵2可以采用两组编码形式不同的信号(如采用正交编码的两组信号)。
(1)发射声信号 水下高分辨率侧视声学成像系统工作时采用周期发射的方式，发射周期为prt。在一个发射周期内，第一发射阵1和第二发射阵2同时发射声信号(为了便于说明，本实施例采用线性调频信号)，第一发射阵1和第二发射阵2发射声信号的脉冲宽度相同。第一发射阵1发射的声信号参数为中心频率f1，带宽B，脉冲宽度dur，第二发射阵2发射的声信号参数为中心频率f2，带宽B，脉冲宽度dur。第一发射阵1和第二发射阵2发射的声信号满足条件f1+B/2＜f2-B/2，f1＜f2；两个声纳发射阵发射频带不同的信号p1和p2；p1和p2也可以处在同一带宽内，但可以采用不同的编码方式。
(2)接收声信号 目标或者水底的回波信号经过接收换能器转换为电信号，接收换能器的子阵个数为N，各个接收子阵接收到的目标回波信号采用eni表示，其中n表示当前工作在第n个周期，i表示当前第i个接收子阵的回波信号。
接收子阵接收到的目标回波信号同时包含了第一发射阵1发射的声信号的回波和第二发射阵2发射的声信号的回波，由于第一发射阵1发射的声信号和发射阵发射的声信号的中心频率和带宽不同，在本实施例中通过合理设计数据接收模块的滤波器将第一发射阵1和第二发射阵2发射信号的回波分离。假设经过滤波分离后第一发射阵1发射信号的目标回波为1sni，第二发射阵2发射信号的目标回波为2sni。
(3)对回波信号1sni和2sni进行去载频处理，将1sni和2sni变为基带信号。
将回波信号1sni和2sni变为基带信号的处理方式有很多种。
一种方式是经过数据接收模块之后，数字采集之前通过正交解调的方式将其变为基带信号。另外一种方式是数字采集之后，对回波信号1sni和2sni进行去载频处理。除此之外，还有其他的处理方式。本实施例通过数字信号处理的手段对回波信号1sni和2sni进行去载频处理。实施步骤如下 (a)对回波信号1sni和2sni进行傅立叶变换，得到其频域表示1Fni和2Fni； (b)对于1Fni，根据其中心频率f1的位置和带宽B对其进行频谱搬移，将f1搬移为零频，经过频谱搬移后得到信号 1Gni(f)＝Fni(f+f1)W(f) 其中W(f)为窗函数，窗函数的选取可以由多种方式，这里选取最简单的矩形窗， 即 (c)对于2Fni，根据其中心频率f2的位置和带宽B对其进行频谱搬移，将f2搬移为零频，经过频谱搬移后得到信号 2Gni(f)＝Fni(f+f2)W(f) (d)对1Gni(f)和2Gni(f)进行傅立叶逆变换，得到基带信号1gni和2gni。
(4)计算第一发射阵1和第二发射阵2的等效相位中心在随阵坐标系中位置 根据系统安装以及配置可以得知第一发射阵1位置

第二发射阵

以及各接收子阵的位置

由此可以计算得出第一发射阵1对应的第i个等效相位中心的位置为 以及由第二发射阵2对应的第i个等效相位中心位置为 (5)利用第一发射阵1和第二发射阵2的目标回波信号估计声纳基阵的运动误差，并得到补偿后的信号。
通过图3可知，如果声纳基阵前进方向的速度v控制在一定的范围内，第n屏的第一发射阵1对应的等效相位中心和与第n+1屏第二发射阵2对应的重叠等效相位中心存在重叠。这里假设前进方向的速度为v，如果我们统称第一发射阵1和第二发射阵2对应的等效相位中心均为等效相位中心的话，如果满足条件 v×prt+2xcN≤1xc1 则第n屏的等效相位中心与第n+1屏的等效相位中心存在重叠的等效相位中心对。在图4中绘制了重叠的等效相位中心对的示意图。根据重叠等效相位中心对估计声纳基阵运动误差的方法如下 (a)设第n屏时第二发射阵2对应的第i个等效相位中心位置为2xci(n) (b)根据合成孔径声纳基阵的运动速度(通过其他传感器如ADL或者其他估计方法得到)计算第n+1屏时第二发射阵2对应的第i个等效相位中心位置为 2xci(n+1)＝2xci(n)+v×prt (c)寻找第n+1屏时第二发射阵2对应的各个等效相位中心位置2xci(n+1)与第n屏第一发射阵1对应的第一个等效相位中心位置1xc1(n)最接近的一个，假设

与1xc1(n)位置最接近，则第n+1屏第二发射阵2对应的等效相位中心imin与第n屏第一发射阵1对应的第一个等效相位中心重叠。采用同样的方法可以找到第n+1屏和第n屏所有重叠的等效相位中心； (d)根据重叠等效相位中心估计运动误差 理论上，利用两个重叠等效相位中心便可以估计。为了描述方便，这里不再区分第一发射阵1和第二发射阵2对应的等效相位中心，下文统称为等效相位中心。
假设前后两屏重叠的两个等效相位中心对分别为第n屏的k，l和第n+1屏的i，j。
首先通过1gnk与2gn+1，i，1gnl与2gn+1，j进行互相关可以得到互相关函数cki(p)和clj(p)；然后通过寻找互相关函数的峰值可以得到cki和clj的最大值的位置pki和plj，这里假设信号1gnk与2gn+1，i的长度均等于采样点数NR，采样率为fs，声速为C，则等效相位中心k，i、等效相位中心l，j之间的运动误差分别为 则根据Δxki和Δxlj可以估算出前后两屏合成孔径声纳基阵之间的位置关系。
其中

声纳基阵的方向矢量 O′表示声纳基阵的随阵坐标系原点坐标

表示位置矢量 n和n+1表示乒索引 i，j，k，l表示等效相位中心索引 当前后两屏存在多个重叠等效相位中心的时候，可以通过平均或者其他方法使声纳基阵运动误差的估计精度更加精确。
(e)根据上述估计结果对信号1gni和2gni进行补偿 假设声纳基阵第i个等效相位中心的位置为

假设理想运动轨迹为y轴，则可以计算出其偏离理想运动轨迹的采样点数为 假设待补偿的信号为2gni(i)，目标在声纳基阵前进方向右侧，则补偿后的信号应当为2gni(i-Δi)，根据相同的方法对第n+1屏声纳基阵各等效相位中心对应的数据进行补偿。
(6)对信号进行脉冲压缩 假设1gni和2gni对应运动误差补偿后的信号分别为1hni和2hni，下文中为了描述方便统一不再区分第一发射阵1和第二发射阵2对应的回波信号，统一采用hni表示。假设hni对应的发射信号为p(k)，则脉冲压缩可以通过下述方法完成 bni＝IFFT[FFT(hni)×conj[FFT(p)]] 其中FFT和IFFT分别表示傅立叶变换和逆傅立叶变换操作，conj表示共轭操作。
(7)利用信号进行成像，这里采用时域成像算法。
假设脉冲压缩后得到的第i个等效相位中心对应的信号为bni，第i个等效相位中心对应的位置为(xci，yci)，由于已经经过运动误差补偿，xci＝0，为了描述的统一性，下文仍然使用xci的标志。假设成像像素的位置为(xti，yti)，则此像素点的成像结果为 其中N表示所有可以照射到目标点(xti，yti)的合成孔径声纳屏的总数，M表示每屏可用于成像的等效相位中心个数。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1.一种水下高分辨率侧视声学成像系统，该系统包含
发射阵，用于发射指定的声波信号；
接收阵，为由多个接收换能器组成的多个接收子阵，用于接收水下声波信号；
接收机，该接收机包含信号调理和采集功能模块，用于对水下声波信号进行滤波、放大等于处理，并将模拟信号转换为数字信号；
数据传输模块，用于将数据接收和采集模块获得的声信号传输给数据处理模块进行处理；
数据处理模块，对数据传输模块传输的水下声信号进行存储和成像处理，得到最终的水下目标高分辨率声学成像；其中该数据处理模块还包含数据预处理模块、存储模块、图像重建模块、运动误差估计与补偿处理模块和图像显示模块；
其特征在于，所述的发射阵为两个发射阵组成的发射阵组，用于发射频带不同的声学信号，每个发射阵分别由一个发射机驱动。
2.根据权利要求1所述的水下高分辨率侧视声学成像系统，其特征在于，所述的两个发射阵分别布置在接收阵的两端。
3.根据权利要求1所述的水下高分辨率侧视声学成像系统，其特征在于，所述的多个接收子阵满足相位一致性要求。
4.根据权利要求1所述的水下高分辨率侧视声学成像系统，其特征在于，所述的成像系统还包含一图像重建模块。
5.一种水下高分辨率侧视声学成像方法，该方法用由两个发射阵组成的发射阵组实现，所述的方法包含如下步骤
1)在一个发射周期内，发射阵组的第一发射阵1和第二发射阵2同时发射两种频带不同的水下声信号或信号形式不同的水声信号；
所述的水下声信号应当满足以下两个条件中的一个
11)f1+B/2＜f2-B/2，f1＜f2；
21)能采用信号处理方法区分两个声纳发射阵发射的信号；
2)接收阵接收发射阵组发射的水下声信号的回波信号，并对回波信号进行处理去除两组不同回波信号载频，得到两组不同的基带信号；
3)计算第一发射阵1和第二发射阵2的等效相位中心在随阵坐标系中位置；
4)利用第一发射阵1和第二发射阵2的目标回波信号估计声纳基阵的运动误差，根据得到的运动误差并结合第一发射阵1和第二发射阵2的等效相位中心在随阵坐标系中位置得到补偿后的目标回波信号；
5)对补偿后的目标回波信号进行脉冲压缩；
6)利用脉冲压缩的目标回波信号进行成像。
6.根据权利要求5所述的水下高分辨率侧视声学成像方法，其特征在于，步骤2)所述的将回波信号1Sni和2Sni变为基带信号的处理方法步骤如下
2-1)对滤波得到的两个回波信号进行傅立叶变换，得到其频域表示1Fni和2Fni；
2-2)对于1Fni，根据其中心频率f1的位置和带宽B对其进行频谱搬移，将f1搬移为零频，经过频谱搬移后得到信号
1Gni(f)＝Fni(f+f1)W(f)
其中W(f)为窗函数；
2-3)对于2Fni，根据其中心频率f2的位置和带宽B对其进行频谱搬移，将f2搬移为零频，经过频谱搬移后得到信号
2Gni(f)＝Fni(f+f2)W(f)
2-4)对1Gni(f)和2Gni(f)进行傅立叶逆变换，得到基带信号1gni和2gni。
7.根据权利要求5所述的水下高分辨率侧视声学成像方法，其特征在于，步骤4)所述的估计声纳基阵运动误差和补偿的方法包含如下步骤
4-1)第n屏时第二发射阵2对应的第i个等效相位中心位置为2xci(n)；
4-2)根据合成孔径声纳基阵的运动速度计算第n+1屏时第二发射阵2对应的第i个等效相位中心位置为
2xci(n+1)＝2xci(n)+v×prt
4-3)找到第n+1屏第二发射阵2和第n屏第一发射阵1所有重叠的等效相位中心；
4-4)根据找到的所有的重叠等效相位中心估计运动误差，步骤如下；
前后两屏重叠的两个等效相位中心对分别为第n屏的k，l和第n+1屏的i，j；
首先通过1gnk与2gn+1，i，1gnl与2gn+1，j进行互相关可以得到互相关函数cki(p)和clj(p)；然后通过寻找互相关函数的峰值可以得到cki和clj的最大值的位置pki和plj，信号1gnk与2gn+1，i的长度均等于采样点数NR，采样率为fs，声速为C，则等效相位中心k，i、等效相位中心l，j之间的运动误差分别为
则根据Δxki和Δxlj可以估算出前后两屏合成孔径声纳基阵之间的位置关系，
其中，
声纳基阵的方向矢量；O′表示声纳基阵的随阵坐标系原点坐标；
表示位置矢量；n和n+1表示乒索引；i，j，k，l表示等效相位中心索引；
4-5)根据上述估计运动误差对基带目标回波信号进行补偿。
8.根据权利要求7所述的水下高分辨率侧视声学成像方法，其特征在于，步骤4-3)所述的找到所有重叠的等效相位中心，具体步骤为寻找第n+1屏时第二发射阵2对应的各个等效相位中心位置2xci(n+1)与第n屏第一发射阵1对应的第一个等效相位中心位置1xcl(n)最接近的一个，如果
与1xcl(n)位置最接近，则第n+1屏第二发射阵2对应的等效相位中心imin与第n屏第一发射阵1对应的第一个等效相位中心重叠，采用同样的方法找到第n+1屏和第n屏所有重叠的等效相位中心。
9.根据权利要求5所述的水下高分辨率侧视声学成像方法，其特征在于，步骤7)所述的成像采用如下公式实现
脉冲压缩后得到的第i个等效相位中心对应的信号为bni，第i个等效相位中心对应的位置为(xci，yci)，xci＝0，成像像素的位置为(xti，yti)，则此像素点的成像结果为
其中，N表示所有可以照射到目标点(xti，yti)的合成孔径声纳屏的总数，M表示每屏可用于成像的等效相位中心个数。
全文摘要
本发明提供了一种水下高分辨率侧视声学成像系统，该系统包含发射阵、接收阵、接收机，其中，该接收机包含信号调理和采集功能模块，用于对水下声波信号进行滤波、放大等于处理，并将模拟信号转换为数字信号；数据传输模块、数据处理模块，其中该模块还包含存储模块、图像重建模块、运动误差估计与补偿处理模块和图像显示模块；其特征在于，所述的发射阵为两个发射阵组成的发射阵组，用于发射频带不同的声学信号，每个发射阵分别由一个发射机驱动；本发明还提出了一种利用该发射阵组进行水下高分辨率侧视声学成像方法。本发明的优点在于，降低声纳基阵多子阵长度对于移动速度的限制，提高成像系统的测绘效率。
文档编号G01S15/89GK101825709SQ20101014455
公开日2010年9月8日 申请日期2010年4月9日 优先权日2010年4月9日
发明者刘维, 刘纪元, 黄海宁, 张春华 申请人:中国科学院声学研究所