多子阵合成孔径声纳脉内多普勒频移补偿逐线成像方法
阅读说明：本技术 多子阵合成孔径声纳脉内多普勒频移补偿逐线成像方法 (Multi-subarray synthetic aperture sonar intra-pulse Doppler frequency shift compensation line-by-line imaging method ) 是由 唐劲松 马梦博 钟何平 徐魁 张嘉峰 于 2021-06-23 设计创作，主要内容包括：本发明属于合成孔径声纳成像算法技术领域,公开了一种多子阵合成孔径声纳脉内多普勒频移补偿逐线成像方法,采用二维频域的相位相乘处理或距离多普勒域的插值处理校正脉内多普勒频移导致的额外的距离徙动。通过数据预处理,将多接收子阵回波数据转换为收发合置形式的回波数据；对收发合置形式的回波数据进行二维傅里叶变换,将其变换到二维频域；在二维频域通过相位相乘校正额外的距离徙动；对额外的距离徙动校正后的回波数据采用传统收发合置成像算法进行成像处理。本发明有效解决了合成孔径声纳在高测绘速率(和)高方位分辨率情形下成像质量下降问题,且算法运算量的增加极小。(The invention belongs to the technical field of synthetic aperture sonar imaging algorithms, and discloses a multi-subarray synthetic aperture sonar intra-pulse Doppler frequency shift compensation line-by-line imaging method. Through data preprocessing, converting the echo data of the multiple receiving subarrays into echo data in a receiving and sending combined mode; performing two-dimensional Fourier transform on the echo data in the receiving and transmitting combined form, and transforming the echo data into a two-dimensional frequency domain; correcting for additional range migration by phase multiplication in a two-dimensional frequency domain; and performing imaging processing on the echo data subjected to the additional range migration correction by adopting a traditional transceiving combined imaging algorithm. The invention effectively solves the problem that the imaging quality of the synthetic aperture sonar is reduced under the condition of high surveying and mapping speed (and) high azimuth resolution, and the increase of the arithmetic operation amount is very small.)
技术领域
本发明属于合成孔径声纳成像算法技术领域，尤其涉及多子阵合成孔径声纳脉内多普勒频移补偿逐线成像方法。
背景技术
合成孔径成像利用多普勒频移得到高方位分辨率图像，现有的多子阵逐线成像算法仅考虑脉间多普勒频移，忽略脉内多普勒频移。然而，脉内多普勒频移会导致线性调频信号匹配滤波输出中产生时移[1]，从而导致额外的距离徙动。随着合成孔径声纳在民用和军事中应用范围的拓宽，测绘速率(平台速度和最大作用距离的乘积)和分辨率不断提高，导致额外的距离徙动变大。当额外的距离徙动超过距离分辨单元时，或等价于声纳平台脉内的移动距离(平台速度和脉冲宽度的乘积)超过方位分辨单元，成像处理时必须对额外的距离徙动进行校正。因此多子阵合成孔径声纳在高测绘速率希望得到高方位分辨率图像时，脉内多普勒频移不能忽略。采用现有的多子阵逐线成像算法，得到的图像将出现分辨率下降甚至散焦问题。
高测绘速率高方位分辨率合成孔径成像，必须重新建立脉内多普勒频移的成像信号模型，并推导多子阵合成孔径声纳脉内多普勒频移补偿逐线成像方法。Hayes等人[2-4]对从理论上对单子阵合成孔径声纳的脉内多普勒效应进行了分析，但并没有建立考虑脉内多普勒频移的信号模型；Pailhas等人[5]考虑声纳平台的脉内运动建立了近似的信号模型，但由于信号模型复杂，只实现了利用逐点算法补偿脉内多普勒频移，难以应用于逐线算法中。
多子阵合成孔径声纳脉内多普勒频移补偿逐线成像方法可以通过二维频域的相位相乘处理或距离多普勒域的插值处理校正脉内多普勒频移导致的额外的距离徙动，从而实现高测绘速率高方位分辨率成像。相位相乘所需运算量极少，而距离多普勒域的插值处理可以与距离-多普勒算法中的距离徙动校正插值处理结合，因此校正额外的距离徙动引起的运算量的增加极小。高测绘速率合成孔径声纳不仅可以提升作业效率，而且平台速度快有助于保持平台稳定性，从而减少运动误差对成像的不良影响。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提出了多子阵合成孔径声纳脉内多普勒频移补偿逐线成像方法，有效解决了合成孔径声纳在高测绘速率高方位分辨率情形下成像质量下降问题，运算量增加很小。
本发明基于二维频域的相位相乘处理，对脉内多普勒频移导致的额外的距离徙动进行校正，从而实现脉内多普勒频移的补偿。
进一步，所述多子阵合成孔径声纳脉内多普勒频移补偿逐线成像方法包括以下步骤：
步骤一，通过数据预处理，将多接收子阵回波数据转换为收发合置形式的回波数据；
步骤二，对收发合置形式的回波数据进行二维傅里叶变换，将其变换到二维频域；
步骤三，在二维频域通过相位相乘校正额外的距离徙动；
步骤四，对额外的距离徙动校正后的回波数据采用传统收发合置成像算法进行成像处理。
进一步，步骤二中，所述对收发合置形式的回波数据进行二维傅里叶变换可以通过一次距离傅里叶变换和一次方位傅里叶变换实现，距离与方位傅里叶变换的顺序可进行调整，且可根据需要在两次傅里叶变换之间进行距离压缩或线频调变标处理。
进一步，步骤三中，所述相位相乘公式如下：
其中fr和fa分别表示距离向和方位向频率；Kr表示发射信号调频斜率。
进一步，所述脉内多普勒频移补偿方法还可为：
在距离多普勒域进行插值处理，并与距离-多普勒算法中的距离徙动校正插值处理相结合，从而实现脉内多普勒频移导致的额外的距离徙动的校正。距离多普勒域的插值处理需要校正的额外的距离徙动量公式如下：
其中c表示水中声速。
进一步，所述逐线成像算法可以是：距离-多普勒算法、线频调变标算法、Chirp-z算法、波束域算法及它们的改进算法。
本发明另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行所述多子阵合成孔径声纳脉内多普勒频移补偿逐线成像方法。
本发明另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行所述多子阵合成孔径声纳脉内多普勒频移补偿逐线成像方法。
本发明基于二维频域的相位相乘处理或距离多普勒域的插值处理，对脉内多普勒频移导致的额外的距离徙动进行校正，并将这一步骤与现有的多子阵合成孔径声纳逐线成像算法结合，以达到高测绘速率高方位分辨率成像，从而有效避免了图像分辨率下降或散焦问题，且算法运算量增加很小。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的多子阵合成孔径声纳脉内多普勒频移补偿逐线成像方法原理图。
图2是本发明实施例提供的传统的多子阵距离-多普勒算法成像结果示意图。
图3是本发明实施例提供的成像结果示意图。
图4是图2与图3中距离剖面对比示意图。
图5是图2与图3中方位剖面对比示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提出了多子阵合成孔径声纳脉内多普勒频移补偿逐线成像方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提出的多子阵合成孔径声纳脉内多普勒频移补偿逐线成像方法包括以下步骤：
步骤一，通过数据预处理，将多接收子阵回波数据转换为收发合置形式的回波数据；
步骤二，对收发合置形式的回波数据进行二维傅里叶变换，将其变换到二维频域；
步骤三，在二维频域通过相位相乘校正额外的距离徙动；
步骤四，对额外的距离徙动校正后的回波数据采用传统收发合置成像算法进行成像处理。
进一步，步骤三中，所述相位相乘公式如下：
其中fr和fa分别表示距离向和方位向频率；Kr表示发射信号调频斜率。
下面结合具体实施例对本发明的技术效果作进一步描述。
实施例1：
本实施案例所述的多子阵合成孔径声纳脉内多普勒频移补偿逐线成像方法，其特征在于，包含如下步骤：
1、对多接收子阵回波数据进行数据预处理，补偿距离史误差项对应的时延与相位误差，并将多接收子阵回波数据转换为收发合置形式的回波数据；
2、将收发合置形式的回波数据通过二维傅里叶变换变换到二维频域形，然后通过相位相乘进行距离压缩、二次距离压缩与额外的距离徙动校正，其中校正额外的距离徙动时的相位相乘参考函数的计算公式如下：
其中fr和fa分别表示距离向和方位向频率；Kr表示发射信号调频斜率。
3、对额外的距离徙动校正后的回波数据进行方位向逆傅里叶变换，将其变变换到距离多普勒域，并通过插值处理进行距离徙动校正。
4、对距离徙动校正后的回波数据进行方位向脉压，并补偿方位向走动，完成成像处理。
下面给出一组高测绘速率下典型的合成孔径声纳系统参数：
中心频率
150kHz
发射阵宽度
8cm
信号带宽
40kHz
接收阵宽度
4cm
脉冲宽度
20ms
接收阵个数
50
脉冲重复周期
0.2s
平台速度
5m/s
根据以上给出的声纳系统参数，考虑脉内多普勒频移进行回波信号仿真，然后采用传统的多子阵距离-多普勒算法和本实施案例所述的算法进行成像处理，成像结果分别如图2和图3所示，对比两幅图像可以发现，补偿脉内多普勒频移后图像的聚焦效果得到显著提高。两幅图像中间点目标的距离、方位剖面图对比分别如图4、图5所示，其中虚线为采用传统算法的结果，实线为采样本实施案例所述算法的结果。从剖面图中可以清晰看到，补偿脉内多普勒频移前图像的距离和方位向主瓣都存在不同程度展宽，中间点目标的聚焦性能指标参数如下表所示。
分析上表中各项参数可以发现，相比于采用本实施案例所述的算法，采用传统算法得到的点目标图像的IRW在距离向和方位向均出现展宽，展宽倍数都约为1.5倍，其PSLR和ISLR值的下降也是由于主瓣严重展宽导致的。因此采样本实施案例所述算法得到的点目标图像聚焦效果明显优于采用传统算法的。
本发明中涉及的文献有：
[1]Cook C E,Bernfeld M.Radar Signals:An Introduction to Theory andApplication[M].New York London:Academic Press,1967.
[2]Hayes M P.A CTFM synthetic aperture sonar[D].New Zealand:University of Canterbury,1989.
[3]Hayes M P,Gough P T.Broad-band Synthetic Aperture Sonar[J].IEEEJournal of Oceanic Engineering,1992,17(1):80-94.
[4]Gough P T,Hayes M P.Fast Fourier techniques for SAS imagery[C].Oceans-Europe 2005:563-568Vol.561.
[5]Capus Y P S D C.Impact of temporal Doppler on synthetic aperturesonar imagery[J].The Journal of the Acoustical Society of America,2018,143(1):317-329.
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
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