专利名称：一种基于双侧回波数据的合成孔径声纳运动补偿方法
技术领域：
本发明属于声纳信号处理领域，特别涉及一种基于双侧回波数据的合成孔径声纳运动补偿方法。

背景技术：
合成孔径声纳(Synthetic Aperture SonarSAS)是一种先进的高分辨率水声成像声纳，其基本原理是利用小孔径基阵在方位向的移动形成虚拟大孔径，通过对不同位置的声纳回波进行相干处理，从而获得方位向的高分辨率。
合成孔径声纳成像中，拖体由于受到海浪、水下海流、拖曳系统的影响难以保持匀速直线运动，从而偏离了理想航迹造成运动误差，为得到高分辨率的成像结果必须进行运动补偿。目前对于合成孔径声纳运动补偿主要分为基于惯导系统的运动补偿、基于原始回波数据的运动补偿和基于图像域的运动补偿。基于惯导系统的运动补偿要求导航设备的精度足够高，其价格非常昂贵；基于图像域的运动补偿由于其运算量较大，一般作为后处理使用；基于原始回波数据的运动补偿由于仅需利用声纳回波数据获取声纳基阵的运动误差，易于实时处理，其代表为相位中心重叠算法(DPCA)。相位中心重叠算法的基本思想是利用多接收阵元的冗余信息来估计声纳基阵的运动状态。
拖体的运动运动误差主要包括3个自由度的平移和3个自由度的旋转，分别为左右移动(sway)、前后移动(surge)、上下移动(heave)和俯仰转动(pitch)、横滚转动(roll)、左右转动(yaw)。其中3个自由度的旋转主要可以通过惯导系统获得，传统的相位中心重叠算法能够较为准确的估计出拖体的sway，当重叠相位中心个数大于2时也可以估计yaw，但是其估计yaw的精度较差。通常情况下，拖体的surge较小，且拖体方位向的位置可以由声多普勒计程仪对应的瞬时前进速度较为准确的计算出来，即拖体的surge易于估计和补偿。
在补偿拖体前后移动(surge)运动误差的前提下，对应于双侧合成孔径声纳，如何充分利用其对应的双侧多接收阵元的冗余信息来实现高精度的sway和heave运动误差估计和补偿称为合成孔径声纳需要解决的关键问题之一。


发明内容
本发明的目的在于，为克服双侧多接收阵元的估计的sway和heave精度不高的缺点，从而提出一种基于双侧回波数据的合成孔径声纳运动补偿方法。
本发明提供的方法利用双侧回波数据，采用相位中心重叠算法初步估计拖体的运动误差对应的时延，在此基础上通过非线性最小二乘法进一步拟合出拖体对应的sway和heave，从而实现拖体的sway和heave更为精确的估计。
为实现上述发明，本发明的一种基于双侧回波数据的合成孔径声纳运动补偿方法，其主要技术方案包括以下几个步骤 1)针对双侧回波数据分别进行均匀分段，利用相位中心重叠算法估计出拖体运动误差对应的延时值。
2)针对各段对应的延时值，结合拖体的距底深度利用非线性模型参数的估计方法估计出拖体对应的左右运动误差值和上下运动误差值； 3)针对估计出的左右运动误差值和上下运动误差值，结合拖体的距底深度针对各段回波数据进行运动补偿； 最后，对运动补偿后的回波数据进行成像处理。
上述技术方案所述的步骤(1)中，对于回波数据的均匀分段不易过多，否则增加计算量，且当每段对应数据采样点数较少时利用相关处理估计拖体运动误差对应的延时值会出现较大偏差。
所述的使用相位中心重叠算法的前提(同时也是本发明所述方法的前提)是拖体前进速度满足相邻两帧对应的相位中心有部分重叠。设子阵个数为N，阵元孔径为D，脉冲重复周期为prt，基阵的前进速度为v，则有 具体利用相位中心重叠算法的方法如下，其中，对于基阵相邻两帧中某个重叠等效相位中心对，第n帧中相位中心位于Pn点，由于存在sway和heave，第n+1帧中相位中心位于Pn+1点，Pm为距离向上第m段中的点目标，其距离向坐标分别为Xm。记βm、Rn、Rn+1分别为目标点Pm对应的俯仰角、相对于第n帧相位中心的距离、相对于第n+1帧相位中心的距离。对于目标点Pm，由几何关系可得 Rn2＝H2+Xm2 其中H为拖体的距底深度，可以通过声多普勒计程仪获得。
目标点Pm对应的斜距向距离误差为 ΔRm＝Rn+1-Rn＝Δxsinβm+Δzcosβm 针对各段对应的延时值

它与斜距向距离误差ΔRm存在下述关系 上述技术方案的步骤2)所述的非线性模型参数估计方法包含拟似然估计、贝叶斯估计和最小二乘估计等，而作为本发明的一个改进采用最小二乘法迭代方法，具体公式为 xc＝xp-(JTJ+S)-1JTD 其中 xp＝[Δx Δz]T 其中，上式τm为各段实际的延时值；从而估计出左右运动误差之(sway)和上下运动误差值(heave)。
上述技术方案所述的步骤(3)中，针对非线性估计出的拖体sway值Δx和heave值Δz，利用图3所示几何关系计算出各段回波数据对应的更为准确的延时值，从而对回波数据进行运动补偿。对于第m段回波数据，选取其中坐标为Xm对应的点目标，可知βm满足 各段对应的时延值为 上述技术方案所述的最后的成像步骤中，对运动补偿的回波数据可以选用时域成像算法或者频域成像算法进行成像。
本发明的优点主要有 (1)对距离向进行均与分段处理，较之传统的DPC算法补偿更为准确； (2)可更为准确的估计拖体对应的左右位移(sway)和上下位移(heave)； (3)运算量适中，可以进行实时处理。



图1是本发明的基于双侧回波数据的合成孔径声纳运动补偿方法实现流程图； 图2是等效相位中心示意图； 图3是相位中心重叠算法估计运动误差对应时延的示意图； 图4是存在sway和heave运动误差下双侧合成孔径声纳对应的几何关系示意图。

具体实施例方式 下面结合附图对本发明即“一种基于双侧回波数据的合成孔径声纳运动补偿方法”进行详细的说明。
如图1所示是本发明的基于双侧回波数据的合成孔径声纳运动补偿方法实现流程图，该方法主要由以下步骤组成针对双侧回波数据分别进行均匀分段，利用相位中心重叠算法估计出拖体运动误差对应的延时值；针对各段对应的延时值，结合拖体的距底深度利用非线性最小二乘法估计出拖体对应的sway和heave运动误差；针对估计出的sway和heave，结合拖体的距底深度针对各段回波数据进行运动补偿；对运动补偿后的进行成像处理。
如图2所示，T为发射阵位置，R为接收阵元位置，其间距为D，P为远场中单点目标。对于发射阵T发射的信号，接收阵元R接收到目标P的回波相当于在D/2处以收发共置阵元接收的回波信号，这个空间位置称为等效相位中心。
拖体运动存在sway和heave误差下的双侧合成孔径声纳对应的几何关系如图4所示，X表示合成孔径声纳成像的距离向，Z为合成孔径声纳成像中拖体的垂直高度方向。对于基阵相邻两帧中某个重叠等效相位中心对，第n帧中左右舷对应的相位中心位于Ppn和Psn点，由于存在sway和heave，第n+1帧中左右舷对应的相位中心位于Ppn+1和Psn+1点，Pp1和Ps1分别为拖体左舷和右舷成像区域中的目标点位置，则其对应的时延值分别为 τp1＝2(Rn+1，p1-Rn，p1)/c τs1＝2(Rn+1，s1-Rn，s1)/c 首先针对双侧回波数据按距离向均匀分段，采用相位中心重叠算法对分段后的回波数据逐段初步估计出运动误差对应的时延值。如图2所示，T为发射阵位置，R为接收阵元位置，其间距为D，对于远场条件下的目标，等效相位中心为发射阵位置和接收阵元位置的空间中点位置。使用相位中心重叠算法进行运动误差估计拖体方位向速度必须满足 以便有重叠相位中心存在，其中N为接收阵元个数。重叠相位中心个数为 如图3所示，X表示合成孔径声纳成像的距离向，Z为合成孔径声纳成像中拖体的垂直高度方向。对于基阵相邻两帧中某个重叠等效相位中心对，第n帧中相位中心位于Pn点，由于存在sway和heave，第n+1帧中相位中心位于Pn+1点，Pm为距离向上第m段中的点目标，其距离向坐标分别为Xm。记βm、Rn、Rn+1分别为目标点Pm对应的俯仰角、相对于第n帧相位中心的距离、相对于第n+1帧相位中心的距离。对于目标点Pm由于运动误差sway和heave而造成相邻帧回波数据对应距离向分段存在时延

它与斜距向距离误差ΔRm存在下述关系 其中 ΔRm＝Rn+1-Rn 针对目标点Pm，由几何关系可得 Rn2＝H2+Xm2 其中H为拖体的距底深度，可以通过声多普勒计程仪获得。则有 ΔRm＝Δxsinβm+Δzcosβm 对应设对应各段实际的延时值为τm，实际值和估计值对应声程差误差可表示为 利用非线性最小二乘法来计算拖体的sway值Δx和heave值Δz。非线性最小二乘迭代公式为 xc＝xp-(JTJ+S)-1JTD 其中 xp＝[Δx Δz]T 在利用非线性最小二乘估计出更为精确的sway值Δx和heave值Δz后，利用下式计算各个数据段对应的斜距误差 ΔRm＝Δxsinβm+Δzcosβm 假设对于第m段回波数据可表示为ss(tm，u)，运动补偿计算如下 其中，

表示对于时间tm的傅里叶变换，

表示对于时间tm的逆傅里叶变换。对于双侧合成孔径声纳对应的回波数据按照上式分别进行分段运动补偿，针对运动补偿后的回波数据进行时域或者频域成像，最终获得运动补偿后的成像结果。
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
1.一种基于双侧回波数据的合成孔径声纳运动补偿方法，所述的方法包括以下步骤
1)针对双侧回波数据分别进行均匀分段，利用相位中心重叠算法估计出拖体运动误差对应的延时值；
2)针对各段对应的延时值，结合拖体的距底深度利用非线性模型参数的估计方法估计出拖体对应的左右运动误差值和上下运动误差值；
3)利用估计出的左右运动误差值和上下运动误差值，结合拖体的距底深度针对各段回波数据进行运动补偿，成像；
其中，所述的方法需首先满足如下公式
其中，子阵个数为N，阵元孔径为D，脉冲重复周期为prt，基阵的前进速度为v。
2.根据权利要求1所述的合成孔径声纳运动补偿方法，其特征在于，所述的步骤1)还包含如下子步骤
首先，第n帧中相位中心位于Pn点，由于存在左右运动误差值和上下运动误差值，第n+1帧中相位中心位于Pn+1点，Pm为距离向上第m段中的点目标，其距离向坐标分别为Xm；记βm、Rn、Rn+1分别为目标点Pm对应的俯仰角、相对于第n帧相位中心的距离、相对于第n+1帧相位中心的距离；对于目标点Pm，由几何关系可得
Rn2＝H2+Xm2；
其中，H为拖体的距底深度；
然后，由几何关系可知目标点Pm对应的斜距向距离误差为
ΔRm＝Rn+1-Rn＝Δxsinβm+Δzcosβm；
最后，各段对应的估计延时值
与斜距向距离误差ΔRm存在下述关系
其中，Δx为左右移动误差，Δz为上下移动误差。
3.根据权利要求1或2所述的合成孔径声纳运动补偿方法，其特征在于，步骤2)所述的非线性模型参数估计方法具体采用最小二乘法迭代方法，具体公式为
xc＝xp-(JTJ+S)-1JTD
其中
xp＝[Δx Δz]T；
其中，上式τm为各段实际的延时值。
4.根据权利要求3所述的合成孔径声纳运动补偿方法，其特征在于，所述的实际的延时值τm计算公式如下
其中，Xm为距离向坐标，βm用下式计算得到
全文摘要
本发明提出一种基于双侧回波数据的合成孔径声纳运动补偿方法，所述的方法包括以下步骤1)针对双侧回波数据分别进行均匀分段，利用相位中心重叠算法估计出拖体运动误差对应的延时值；2)针对各段对应的延时值，结合拖体的距底深度利用非线性模型参数的估计方法估计出拖体对应的左右运动误差值和上下运动误差值；3)利用估计出的左右运动误差值和上下运动误差值，结合拖体的距底深度针对各段回波数据进行运动补偿、成像；其中，所述的方法需首先拖体前进速度满足相邻两帧对应的相位中心有部分重叠。另外，所述的非线性模型参数估计方法具体采用最小二乘法迭代方法，具体公式为xc＝xp-(JTJ+S)-1JTD。本发明对距离向均匀分段比传统的DPC算法补偿更为准确。
文档编号G01S15/89GK101799537SQ20101013046
公开日2010年8月11日 申请日期2010年3月11日 优先权日2010年3月11日
发明者李保利, 江泽林, 刘维, 刘纪元, 张春华 申请人:中国科学院声学研究所