一種基于頻分MIMO的合成孔徑聲納成像系統及方法技術方案

本發明專利技術設計了一種基于頻分MIMO的合成孔徑聲納成像方法及系統，所述方法包含：步驟101）在N個接收陣前后兩端各放置一個發射陣列，所述前后發射陣列共包含M個發射陣，所述發射陣同時向水下待成像目標發射信號，其中M取大于或等于2的整數；步驟102）將N個接收陣的每個陣元接收到的M個發射信號在頻域分離，得到M元信號，再將所有接收陣陣元的M元信號用頻譜搬移的方法移到一個共同的頻帶，得到N*M元的回波信號；步驟103）對得到的N*M元回波信號在方位向進行重排，分別對應到等效單波束合成孔徑聲納的采樣位置，最后對等效單波束信號，進行聚焦成像。所述發射陣隨著基陣的移動，不同發射陣陣元所發射的信號的頻帶可根據運動補償的需要交替變化。本發明專利技術可以在保持方位分辨率的情況下，進一步展寬測繪帶從而提高測繪效率。

【技術實現步驟摘要】
一種基于頻分MIMO的合成孔徑聲納成像系統及方法
本專利技術屬于水聲成像和聲納信號處理領域。本專利技術設計了一種基于頻分MMO的合成孔徑聲納成像方法，該方法采用多收多發的成像體制，即本專利技術提供了一種基于頻分MIMO的合成孔徑聲納成像系統及方法。
技術介紹
合成孔徑聲納(Synthetic Aperture Sonar:SAS)是一種先進的高分辨率水聲成像聲納，其基本原理是利用小孔徑基陣在方位向的移動形成虛擬大孔徑，通過對不同位置的聲納回波進行相干處理，從而獲得方位向的高分辨率。高分辨率成像聲納的成像效率是決定聲納能否實際應用的決定因素之一。比如，傳統的合成孔徑聲納在實際作業時，在一定的測繪帶寬(比如單側測繪帶寬為150米)要求下，由于受到聲納體積的限制(作業時接收陣陣長通常不能超過1.6米)，使得航行速度限制在6節以內。這往往很難滿足探測任務的航行速度要求。比如艦船編隊的航行速度通常達到18節，機載聲納的航行速度更快，這時，進行合成孔徑成像時為滿足方位向不丟幀，接收陣長要達到5米以上，顯然這樣的設備適裝性很差，水下拖行的穩定性也很差，很難滿足合成孔徑成像的平臺運動穩定性的要求。這就要求對傳統的高分辨率成像聲納體制進行改進，在小孔徑聲納約束下，在滿足測繪帶寬和成像分辨率的前提下，提高成像聲納的拖曳速度，滿足探測使命要求。在高分辨率成像聲納領域，為了提高成像質量，上世紀九十年代國外出現了稱為多發射的合成孔徑聲納系統。Thomson Marconi Sonar公司的一款合成孔徑聲納IMBAT3000以及隨后iXSea公司的Shadows合成孔徑聲納均采用了這種多發射/接收合成孔徑技術。這兩套合成孔徑聲納系統有三套分置的發射陣，三套發射陣工作在不同頻帶。兩側發射陣發射信號的頻帶在不同信號幀時是交替變化的，這樣可以增加相鄰幀的重復陣元數，將可以進行DPC運動補償的基陣最大運動速度由每幀1/4陣長變為每幀1/2陣長。但這兩種合成孔徑聲納，只利用了多發射合成孔徑體制進行DPC運動補償，并未用該體制進行合成孔徑成像，即并未解決成像系統的測繪效率問題。在合成孔徑雷達(SAR)領域，近年來多輸入多輸出即MMO技術逐漸受到重視，是解決功率孔徑積的約束和提高成像系統測繪效率的新途徑。G.Krieger等提出了基于多發射陣的多維波形編碼SAR技術，同時利用了時間和空間維度獲取了高功率孔徑積。目前國內現有的合成孔徑聲納系統都是采用單發射陣多接收陣來進行成像，本專利技術首次采用頻分MIMO的思想設計了一種多收多發的合成孔徑聲納系統，該技術方案能夠在小孔徑聲納約束下，在滿足測繪帶寬和成像分辨率的前提下，提高成像聲納的拖曳速度，滿足探測使命要求。本專利技術相比于傳統的單發多收系統，可以在保持方位分辨率的情況下，進一步展寬測繪帶從而提高測繪效率，或在保持測繪帶寬的情況下得到更高的方位分辨率。
技術實現思路
本專利技術的目的在于，為了提高合成孔徑聲納成像時的測繪效率問題，本專利技術提供了一種基于頻分MMO的高測繪效率的合成孔徑聲納成像方法及系統。為了實現上述目的，本專利技術提供了一種基于頻分MMO的合成孔徑聲納成像方法，所述方法包含:步驟101)在N個接收陣前后兩端各放置一個發射陣列，所述前后發射陣列共包含M個發射陣，所述發射陣同時向水下待成像目標發射信號，其中M取大于或等于2的整數；步驟102)將各個接收陣元接收到的M個不同頻帶的發射信號在頻域分離，得到M元信號，再采用頻譜搬移的方法移到一個共同的頻帶，得到N*M元的回波信號；步驟103)對得到的N*M元回波信號在方位向進行重排，分別對應到等效單波束SAS的采樣位置，最后對等效單波束信號，進行聚焦成像。上述技術方案中，所述發射陣隨著基陣的移動，不同發射陣陣元所發射的信號的頻帶可根據運動補償需要交替變化。上述技術方案中，步驟103 )對等效單波束信號采用ω -k或CS算法進行聚焦成像。基于上述方法本專利技術還提供了一種基于頻分MMO的合成孔徑聲納成像系統，該系統包含多個接收陣，其特征在于，所述系統包含:分別設置于多個接收陣的前后兩端的多個發射陣和成像處理單元；所述發射陣包含若干個陣元數，且各個陣元同時向水底待成像目標發射頻帶不同的信號；所述接收陣用于接收待成像目標反射后的回波信號；所述成像處理單元，先將各個接收陣元收到的M個不同頻帶的發射信號在頻域分離，得到M元信號，再采用頻譜搬移的方法移到一個共同的頻帶，得到N*M元的回波信號；然后在方位向進行重排，分別對應到等效單波束SAS的采樣位置，最后對等效單波束信號進行聚焦成像。上述技術方案中，所述發射陣隨著基陣的移動，不同發射陣陣元所發射的信號的頻帶可根據運動補償需要交替變化。上述技術方案中，對等效單波束信號采用ω-k或CS算法進行聚焦成像。本專利技術所述的MMO-SAS指多個陣元同時發射和接收信號，且通過基陣自身運動進行孔徑合成的聲納成像體制。頻分MIMO-SAS高分辨成像系統，通常配置成接收陣為等間隔分布的線陣，發射陣分為兩組分別放置在接收陣的前后兩端，每個發射陣發射的信號分別處于不同的頻帶，每組發射陣包含的發射陣元數量為I個到數個。假設頻分MMO-SAS系統有M個發射陣，N個接收陣。在進行成像處理時，先將N元接收陣接收到的M個不同頻帶的發射信號在頻域分離，并用頻譜搬移的方法移到一個共同的頻帶，得到N*M元的回波信號。通過合理的選擇信號的頻帶，可以使目標的散射特性在各發射信號的頻譜間變化不大，該頻帶的具體選擇可根據實驗和相關文獻資料確定。然后在方位向進行信號重排，分別對應到等效單波束合成孔徑聲納的采樣位置。最后對等效單波束信號，采用ω-k算法等進行聚焦成像。與現有技術相比，本專利技術的技術優勢在于:現有的合成孔徑聲納系統都是采用單發射陣多接收陣來進行成像。本專利技術采用頻分MIMO的思想，設計了一種多收多發的合成孔徑聲納成像系統及方法，它在接收陣的兩端配置多個發射陣元，相比于傳統的單發多收系統，可以在保持方位分辨率的情況下，進一步展寬測繪帶從而提高測繪效率，或在保持測繪帶寬的情況下得到更高的方位分辨率。【附圖說明】圖1為本專利技術采用的頻分MMO-SAS發射信號序列循環圖以及等效相位中心圖；圖2為本專利技術實施例提供的一種雙發多收的頻分MIMO-SAS系統及其等效相位中心不意圖；圖3為本專利技術提供的頻分MIMO-SAS高分辨成像流程圖。【具體實施方式】下面結合附圖，對本專利技術基于頻分MIMO的高測繪效率的合成孔徑聲納進行進一步的說明。圖1是本專利技術提供的頻分MIMO-SAS的發射陣由兩組構成，每組又有兩個密排的發射陣。工作時，每個發射陣陣元發射的信號的頻帶互不相同，各個發射陣前一幀發射的信號與后一幀發射信號的頻帶的組成順序按照基陣的移動如圖1所示規律交替變化。圖1描述的是一個四幀發射過程的發射信號序列交替變化圖，圖中每行四個的矩形表示4個發射陣陣元，每個發射陣陣元下的字母Α、B、C、D代表各個陣元發射的不同的頻帶的信號；接下來每行三個的矩形表示接收陣陣元，接收陣陣元接收信號的相應的等效相位中心用小圓圈表/Jn ο圖2是一種雙發多收的頻分MIMO-SAS系統及其等效相位中心。它采用兩個發射機(即發射陣陣元)進行信號發射，而兩個發射機之間通過布放16個陣元進行信號接收。這種多發多本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于頻分MIMO的合成孔徑聲納成像方法，所述方法包含：步驟101）在N個接收陣前后兩端各放置一個發射陣列，所述前后發射陣列共包含M個發射陣，所述發射陣同時向水下待成像目標發射信號，其中M取大于或等于2的整數；步驟102）將各個陣元接收到的M個不同頻帶的發射信號在頻域分離，得到M元信號，再將所有接收陣陣元的M元信號用頻譜搬移的方法移到一個共同的頻帶，得到N*M元的回波信號；步驟103）對得到的N*M元回波信號在方位向進行重排，分別對應到等效單波束SAS的采樣位置，最后對等效單波束信號，進行聚焦成像。

【技術特征摘要】
1.一種基于頻分MIMO的合成孔徑聲納成像方法，所述方法包含: 步驟101)在N個接收陣前后兩端各放置一個發射陣列，所述前后發射陣列共包含M個發射陣，所述發射陣同時向水下待成像目標發射信號，其中M取大于或等于2的整數； 步驟102)將各個陣元接收到的M個不同頻帶的發射信號在頻域分離，得到M元信號，再將所有接收陣陣元的M元信號用頻譜搬移的方法移到一個共同的頻帶，得到Ν*Μ元的回波信號； 步驟103)對得到的Ν*Μ元回波信號在方位向進行重排，分別對應到等效單波束SAS的采樣位置，最后對等效單波束信號，進行聚焦成像。2.根據權利要求1所述的基于頻分MIMO的合成孔徑聲納，其特征在于，所述發射陣隨著基陣的移動，不同發射陣陣元所發射的信號的頻帶根據運動補償的需要交替變化。3.根據權利要求1所述的基于頻分MIMO的合成孔徑聲納，其特征在于，步驟103)對等效單波束信號采用ω -k或CS算法進行...

【專利技術屬性】
技術研發人員：段江濤，黃勇，劉紀元，
申請(專利權)人：中國科學院聲學研究所，
類型：發明
國別省市：