一種多子陣合成孔徑聲納cs成像算法

一種多子陣合成孔徑聲納cs成像算法

1等間隔勻速多子陣合成孔徑納利用小開(kāi)口噪聲矩陣的運(yùn)動(dòng)形成虛擬大開(kāi)口，并通過(guò)圖像算法獲得目標(biāo)區(qū)域的高分辨率圖像。工作狀態(tài)下,合成孔徑聲納基陣一般是做勻速直線運(yùn)動(dòng),而且多子陣合成孔徑聲納接收陣大都是等間隔排列。在這種情況下,多子陣合成孔徑聲納方位向不均勻采樣實(shí)際上是由于多子陣相位中心重疊引起的。而多子陣相位中心重疊既是保證合成孔徑聲納方位向采樣率足夠的必要條件,也是進(jìn)行合成孔徑聲納運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)男枰?因?yàn)樵诤铣煽讖铰暭{系統(tǒng)中普遍使用相位中心重疊運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法(DisplacedPhaseCenterAlgorithm,DPCA)為此,提出了一種可用于等間隔勻速多子陣合成孔徑聲納的CS成像算法。所謂等間隔是指多子陣布陣的等效相位中心之間的間隔相同,所謂勻速是指合成孔徑聲納基陣的運(yùn)動(dòng)速度保持不變。在實(shí)際應(yīng)用中,等間隔勻速多子陣合成孔徑聲納系統(tǒng)具有相當(dāng)?shù)钠毡樾?因而此算法可以很好地應(yīng)用于多子陣合成孔徑聲納成像系統(tǒng)。2多子矩陣融合孔徑噪聲算法2.1等效相位中心假設(shè)多子陣合成孔徑聲納是收發(fā)分置的,為了便于進(jìn)行頻域處理,一般采用等效相位中心假設(shè)。如圖1所示,假設(shè)發(fā)射陣為T,接收陣為R,則采用TR的中點(diǎn)C作為等效相位中心。等效相位中心假設(shè)使多子陣合成孔徑聲納成像處理得到簡(jiǎn)化,但也會(huì)引入聲程誤差,聲程誤差的大小為△r=|r2.2cs算法的簡(jiǎn)化CS算法的主要操作即復(fù)乘和傅立葉變換(由FFT和IFFT實(shí)現(xiàn)),其主要步驟如圖3所示。本文只考慮非斜視的情況,此時(shí)參考多普勒頻率為零,下文均以此為條件對(duì)CS算法進(jìn)行簡(jiǎn)化。CS算法各步驟分析如下:(1)對(duì)原始回波數(shù)據(jù)s(τ,η)進(jìn)行方位向傅立葉變換,將原始數(shù)據(jù)變換到距離多普勒域信號(hào)S(τ,f(2)對(duì)距離多普勒域信號(hào)S(τ,f式(1)~(5)中,R(3)對(duì)S(4)對(duì)二維頻域信號(hào)S(5)對(duì)S(6)對(duì)S(7)對(duì)S上述各步驟中,三個(gè)相位因子所起的作用各不同,其中相位因子m2.3相位中心方位向不均勻采樣處理如圖4所示,為了保證方位向采樣率并且進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償,多子陣合成孔徑聲納前后兩屏相位中心之間存在重疊,這就導(dǎo)致了多子陣合成孔徑聲納相位中心方位向的不均勻采樣。在這種情況下,如果直接使用FFT計(jì)算傅立葉變換將會(huì)帶來(lái)很大的誤差。因此,需要尋找一種既能利用FFT又不會(huì)帶來(lái)誤差的處理方法。假設(shè)聲納基陣個(gè)數(shù)為N假設(shè)數(shù)據(jù)屏數(shù)為P,則方位向數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)為M=N其中t則:式(11)可以分解為:其中:可以看出,在多子陣等間隔和勻速的前提條件下,式(12)將式(9)轉(zhuǎn)換為G2.4向不均勻采樣的傅立葉變換CS算法的第一步即做方位向傅立葉變換,對(duì)于多子陣合成孔徑聲納而言,由于方位向采樣不均勻,因而不能采用FFT,但可以通過(guò)文中第2.3節(jié)給出的方法將方位向不均勻采樣的傅立葉變換分解為N聲納回波數(shù)據(jù)為二維數(shù)組,假定行方向?yàn)榫嚯x向,列方向?yàn)榉轿幌?數(shù)據(jù)按照陣元編號(hào)和屏數(shù)順序排列,則方位向不均勻采樣傅立葉變換的實(shí)現(xiàn)步驟如下:(1)取距離向坐標(biāo)相同的采樣點(diǎn),即列數(shù)據(jù)f(2)將f(3)利用FFT分別計(jì)算g(4)利用式(12)計(jì)算F(k)。(5)重復(fù)上述步驟,計(jì)算所有距離采樣點(diǎn)的傅立葉變換。從圖5可以看出,g而G利用傅立葉變換的性質(zhì)其中mod表示取余運(yùn)算,G式(15)表明,G3點(diǎn)目標(biāo)仿真為了驗(yàn)證提出的多子陣合成孔徑聲納CS成像算法的有效性,進(jìn)行仿真分析。設(shè)有三個(gè)沿方位向分布的點(diǎn)目標(biāo),其中主要仿真參數(shù)如表1所列。仿真分析包括四個(gè)方面,即與單子陣CS算法對(duì)比、理想情況下算法有效性分析、算法對(duì)不均勻速度的寬容性和對(duì)面目標(biāo)成像分析。(1)多子陣cs成像多子陣造成方位向采樣不均勻,直接應(yīng)用單子陣CS算法造成方位向頻譜計(jì)算錯(cuò)誤,從而使方位向成像散焦。圖6是直接使用單子陣CS算法的成像結(jié)果。從圖6中可以看出,方位向的三個(gè)點(diǎn)目標(biāo)已經(jīng)散焦。文中提出的多子陣CS算法將方位向不均勻采樣傅立葉變換轉(zhuǎn)換為Na個(gè)均勻采樣的傅立葉變換,從而解決多子陣合成孔徑聲納的方位向不均勻采樣的問(wèn)題。圖7是使用多子陣CS算法的成像結(jié)果。從圖7中可以看出,方位向的三個(gè)點(diǎn)目標(biāo)聚焦理想。(2)合成孔徑成像算法點(diǎn)目標(biāo)的方位向和距離向剖面曲線可以很好反應(yīng)出點(diǎn)目標(biāo)的成像分辨率和旁瓣水平。圖8和圖9(a)給出了圖7中單個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的方位向和距離向剖面曲線?？梢钥闯鳇c(diǎn)目標(biāo)成像距離向旁瓣和方位向旁瓣水平都比較低。距離向分辨率依靠脈沖壓縮獲得,其主要影響因素為信號(hào)的帶寬。合成孔徑聲納成像算法主要關(guān)注點(diǎn)目標(biāo)的方位向分辨率(一般用方位向剖面曲線-3dB處的寬度來(lái)表示)。圖9(b)給出了放大的方位向剖面曲線,3dB分辨率的測(cè)量結(jié)果為9cm,理論分辨率為8cm,考慮到測(cè)量誤差(方位向單像素尺度本例中為0.0448cm),點(diǎn)目標(biāo)成像結(jié)果接近理論分辨率。(3)非均勻速度對(duì)比文中提出的多子陣CS算法利用了聲納基陣的勻速直線運(yùn)動(dòng)假設(shè)。實(shí)際應(yīng)用中,受各種因素的影響,合成孔徑聲納基陣方位向的運(yùn)動(dòng)速度很難保持絕對(duì)勻速,會(huì)有一定的速度誤差。為了驗(yàn)證多子陣CS算法對(duì)速度不均勻的寬容性,進(jìn)行了仿真。仿真場(chǎng)景與上述相同,但生成仿真數(shù)據(jù)時(shí)采用了非均勻速度(最大誤差為±0.1m/s),非均勻速度如圖10所示。對(duì)非均勻速度仿真數(shù)據(jù)的成像結(jié)果如圖11所示,目標(biāo)聚焦良好,可以看出多子陣CS算法對(duì)速度不均勻有很好的寬容度。另外,圖12給出了均勻速度和非均勻速度點(diǎn)目標(biāo)方位向剖面曲線的對(duì)比。對(duì)比結(jié)果表明,一定范圍內(nèi)速度的非均勻性對(duì)合成孔徑成像方位向分辨率和旁瓣水平影響很小。對(duì)于非均勻速度,多子陣CS成像算法仍采用勻速運(yùn)動(dòng)假設(shè),并采用平均速度作為成像速度,這便會(huì)在方位向引入一定的相位誤差。圖12中,峰值在方位向發(fā)生了微小移位,正是這種原因。(4)圓柱體目標(biāo)成像合成孔徑聲納實(shí)際成像場(chǎng)景的大部分目標(biāo)為面目標(biāo),為了驗(yàn)證多子陣CS算法對(duì)面目標(biāo)成像的有效性,對(duì)圓柱體目標(biāo)(如圖13所示)的仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行了成像,成像結(jié)果如圖14所示。多子陣CS算法對(duì)圓柱體目標(biāo)的成像結(jié)果陰影清晰,聚焦良好,說(shuō)明此算法可以很好的應(yīng)用于合成孔徑聲納面目標(biāo)成像。4方位向非均勻采樣的算法為了提高測(cè)繪效率,大多數(shù)合成孔徑聲納系統(tǒng)都是多子陣系統(tǒng),文中提出了一種可用于方位向非均勻采樣多子陣合成孔徑聲納系統(tǒng)的CS成像算法。此方法將非均勻采樣數(shù)據(jù)的方位向傅立葉變換分解為均勻采樣數(shù)據(jù)的傅立葉變換,從而可以使用FFT提高方位向傅立葉變換的計(jì)算效率,解決了方位向不均勻采樣多子陣系統(tǒng)應(yīng)用CS算法的問(wèn)題。通過(guò)點(diǎn)目標(biāo)和面目標(biāo)仿真數(shù)據(jù)的成像結(jié)果分析可以看出,目標(biāo)成像質(zhì)量較好,