CN100419455C - 合成孔径声纳运动误差和水声信道相位误差的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于合成孔径声纳信号处理领域，主要涉及合成孔径声纳运动误差和水声信道误差的测量方法。本发明采用沿平台轨迹排列的、不同相位中心的发射阵，同时发射多个同频正交的信号。其优点是在重叠部分尺寸相同的情形下，可以缩减接收阵的尺寸。与多频发射体制的专利相比，设备可以充分利用水声换能器的带宽，提高距离分辨率；由于采用同频发射信号，可以提高水声信道相位误差的测量精度；同时无需为合成孔径成像增加额外的发射阵。

Description

合成孔径声纳运动误差和水声信道相位误差的测量方法

技术领域

本发明属于合成孔径声纳信号处理领域，主要涉及合成孔径声纳运动误差和水声信道相位误差的测量方法。

背景技术

合成孔径声纳要求平台作匀速直线运动且水声信道没有相位误差，但实际上平台总会存在运动误差，水声信道也会存在相位误差，两者严重影响了成像的清晰度。因此合成孔径声纳***必须作运动补偿和信道补偿。运动补偿第一种方法是利用运动传感器对运动误差进行测量，并在信号处理中对运动误差进行运动补偿。这种方法需要高精度的运动传感器，价格比较昂贵，且无法补偿水声信道带来的相位误差；另一种方法是利用冗余阵技术或DPCA技术，进行运动补偿。它利用相邻两个脉冲接收阵相位中心重叠部分波形不变原理进行工作。但单发射阵DPCA需要的接收阵长，不利于缩减拖体的长度，设备复杂性也高。Thomson-CSF公司的专利(美国专利号5886950)提出多发射阵技术可以克服缺点。该技术采用至少两个发射阵，发射不同频率的信号，通过对回波的处理来获得运动补偿所需的信息。Thomson-CSF公司产品IMBAT-3000即采用了这个专利技术。

该专利要求不同相位中心的发射阵同时发射两种以上频率用于运动补偿，而且还另加一个用于合成孔径成像的频率。我们知道换能器的绝对带宽难以提高(Q值通常很难达到1.5以下)。上述多频发射方式显然限制了合成孔径声纳距离分辨率的提高。

就水声信道相位误差补偿而言，由于测量所用的频率和成像所用的频率不完全相同(尽管非常接近)，信道的误差特性是有差异的。

同时采用的多个频率间隔非常小，对信号处理的滤波器提出了很高的要求。

为了合成孔径成像而另加的发射阵也增加了设备的复杂性。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述背景技术存在的不足，提出一种可以充分利用水声换能器的带宽，提高距离分辨率的合成孔径声纳运动误差和水声信道相位误差的测量方法。

本发明采用不同相位中心的发射阵发射两个或以上同频的正交信号(以下称正交信号)来获取运动补偿所需信息。

若信号S_i(t)和S_j(t)满足如下的关系式：

$\left\{\begin{array}{cc}\underset{T}{\∫}{S}_i\left(t\right)S_j(t-\mathrm{\τ})\mathrm{dt}=\mathrm{\δ}\left(\mathrm{\τ}\right),& i=j\\ \underset{T}{\∫}{S}_i\left(t\right)S_j(t-\mathrm{\τ})\mathrm{dt}=0,& i\≠j\end{array}\right.$ 则称S_i(t)i＝1，2，Λn为一组正交信号。其中，δ(τ)是冲击函数。

理想的同频正交信号是指频率相同、互相关函数等于零的信号。但实际应用中难以找到这样理想的正交信号。在本发明中只要其互相关函数的最大值远小于自相关函数最大值的信号都可以视为正交信号。

本发明所述合成孔径声纳运动误差和水声信道相位误差的测量方法，包括如下步骤：(1)在一个脉冲周期内，用至少两个沿平台轨迹排列的发射阵发射同频正交的信号；用至少一个沿平台轨迹排列的接收阵分别接收每个发射阵发射信号的目标反射的回波；(2)在以后的至少一个脉冲周期内，用上述发射阵分别发射同频正交信号；用上述接收阵接收目标反射的回波信号；(3)求上述两个脉冲重叠相位中心的回波信号或经脉冲压缩后的回波信号的互相关函数的幅度，测量该互相关函数幅度的最大值所对应的延时，得出平台沿径向的运动误差和水声信道的相位误差。

如果重叠相位中心对应的发射阵在前后脉冲发射完全相同的信号，则通过直接测量上述前后脉冲回波信号的互相关函数幅度最大值点所对应的延时，得到平台沿径向的运动误差和水声信道的相位误差。

如果重叠相位中心对应的发射阵前后脉冲发射不同的同频正交信号，则先对上述前后脉冲回波信号进行脉冲压缩，再测量脉冲压缩信号互相关函数幅度最大值点所对应的延时，得到平台沿径向的运动误差和水声信道的相位误差。

本发明具体步骤为：

(1)在一个脉冲周期内，用至少两个沿平台轨迹排列的发射阵发射同频正交的信号T₁(k，t)、T₂(k，t)...T_n(k，t)，其中k为脉冲序号，t为快变时间，下标i表示第i种发射信号。如图2、图3、图4和图5所示。

用至少一个沿平台轨迹排列的接收阵分别接收每个发射阵发射信号的目标反射的回波信号S_1，1(k，t)、S_1，2(k，t)...S_1，n(k，t)...S_m，1(k，t)、S_m，2(k，t)...S_m，n(k，t)，其中k为脉冲序号，t为快变时间，第一下标i表示第i个接收阵接收到的发射信号的回波，第二下标j表示接收阵接收到的第j个发射信号的回波。经脉冲压缩后，信号为S_com1，1(k，t)、S_com1，2(k，t)...S_com1，n(k，t)...S_comm，1(k，t)、S_comm，2(k，t)...S_comm，n(k，t)。脉冲压缩一般采用匹配滤波的方法，公式为： $S_{\mathrm{comi},j}(k,\mathrm{\τ})=\∫S_i(k,t)\×T_j^{*}(k,\mathrm{\τ}-t)\mathrm{dt},$ 其中，S_i(k，t)是第i个接收阵接收到的所有发射信号的回波之和。

为了分析方便，我们引入相位中心的概念，定义第j个发射阵和第i个接收阵中点位置有相位中心(i，j)_k，它的物理意义是，在第k个周期中第i个接收阵接收的来自第j个发射阵的发射信号回波等同于位于相位中心(i，j)_k的收发双工阵元自发自收的信号。由声纳原理可以推出相位中心(i，j)_k接收的发射信号回波脉冲压缩后S_comi，j(k，t)仅与相位中心的位置有关，与具体的发射信号的序号是无关的。

(2)在以后的第l(l≥1)个脉冲周期内，随着声纳拖体的运动，相位中心的位置也发生了变化，如图2、图3、图4和图5所示(图中只画出l＝1的情况)。

在这一脉冲内，用n个发射阵分别发射同频正交的信号T_e1(k+l，t)、T_e2(k+l，t)...T_en(k+l，t)，(e1≠e2Λ≠en且e1，e2，Λen∈{1，2，Λn})。

用接收阵接收目标反射的回波信号S_1，e1(k，t)、S_1，e2(k+l，t)...S_1，en(k+l，t)...S_m，e1(k+l，t)、S_m，e2(k+l，t)...S_m，en(k+l，t)。经脉冲压缩后，信号为S_com1，e1(k+l，t)、...S_com1，en(k+l，t)...S_comm，e1(k+l，t)、S_comm，e2(k+l，t)、...S_comm，en(k+l，t)。

以图2为例，e1＝1，e2＝2。随着声纳平台的运动，在k+1脉冲周期，相位中心(i，2)_k的位置与相位中心(i，1)_k+1的位置基本重叠。如果平台没有径向运动误差，水声信道也没有误差，那么近似有S_com1～8，2(k，t)≈S_com1～8，1(k+1，t)。但如果平台沿径向有运动误差或水声信道有误差，那么近似有S_com1～8，2(k，t)≈S_com1～8，1(k+1，t-τ₀)。

(3)求重叠相位中心的脉冲压缩后信号S_comi，j(k，t)和S_comei，ej(k+l，t)的互相关函数的幅度 $\left|R\left(\mathrm{\τ}\right)\right|=|\∫S_{\mathrm{comi},j}(k,t)\×S_{\mathrm{comei},\mathrm{ej}}^{*}(k+l,t-\mathrm{\τ})\mathrm{dt}|.$ 由于S_comi，j(k，t)≈S_comei，ej(k+l，t-τ₀)，因此，当τ＝τ₀时，函数|R(τ)|取得最大值，由此，我们可以确定时延的估值

。根据这个时延估值即可补偿该误差。

如果重叠相位中心对应的发射阵在前后脉冲发射完全相同的信号，则可以直接通过测量回波信号互相关函数幅度最大值点得到τ₀的估值。

如果重叠相位中心有多个，可以将这些相位中心加窗相加，合成一个相位中心，也可以采用如下步骤同时估计出时延和偏航。

(4)如果重叠部分有多个的相位中心，那么还可以根据不同相位中心估计出偏航角。如图7所示(图中只画出l＝1的情况)，假定第k个脉冲，从左到右的8个重叠相位中心接收到第2个发射信号的回波分别为S_1，2(k，t)、S_2，2(k，t)...S_8，2(k，t)，经脉冲压缩后，信号为S_com1，2(k，t)、S_com2，2(k，t)...S_com8，2(k，t)其中下标i,j表示第i个重叠的相位中心接收到的第j种发射波形的回波信号。那么第k+1个脉冲，相应的第ei个重叠相位中心接收到第1个发射信号的回波经脉冲压缩后的信号为

其中d为相位中心之间的间隔，τ₀为时延，

为偏航角(右舷为正，左舷为负)，C为声速。利用互相关函数，可以估计每个相位中心的时延，采用一阶线性多项式最小二乘拟合，可以估计出

和

(5)合成孔径成像可以用任何一个发射阵进行，这样可以不用再增加发射阵用于合成孔径成像。也可以增加一幅发射阵，发射用于合成孔径成像的信号。

本发明具有如下效果：

相对于Thomson-CSF公司的多频合成孔径声纳自动聚焦技术而言，本方法在具备其缩短阵长，提升速度等优点的同时，提高了声纳换能器的频带利用率，进而提高了合成孔径声纳的距离分辨率。

由于合成孔径声纳的距离分辨率有如下的公式确定： ${\mathrm{\ρ}}_r=\frac{C}{2B},$ 式中C表示水中声速，B表示信号带宽。

显而易见，距离分辨率是与发射信号的带宽成反比的，假设声纳换能器的频带宽度是30kHz，水中声速是1500m/s，如果采用多频技术，只能将部分频带用来进行合成孔径成像，假设用于合成孔径成像的频带宽度是15kHz，我们可以算出此时的距离分辨率理论值是0.05m。如果采用本发明中的技术，全部频带都可以用来进行合成孔径成像，此时的距离分辨率理论值是0.025m。

附图说明

图1是图例说明；

图2是实施例1示意图。

图3是实施例2示意图。

图4是实施例3示意图。

图5是实施例4示意图。

图6是相关函数估计时延τ₀波形图。

图7是实施例5的示意图。

具体实施方式

以下结合附图进行详细说明。

实施例1：参见图2，本实施例的声纳阵列由2个发射阵元和8个接收阵元组成，发射阵元在不同的脉冲周期固定发送同频正交信号。在前一脉冲周期，发射阵元发出同频正交的信号T₁(k，t)和T₂(k，t)，经目标反射后，接收阵元收到回波信号为S_i，1(k，t)和S_i，2(k，t)，经脉冲压缩后，信号为S_comi，1(k，t)和S_comi，2(k，t)。在图中绘出的两组目标反射回波分别有16个相位中心，即8个接收阵元与两个发射阵元连线的中点位置接收。下一个脉冲周期到来时，两发射阵元分别发射信号波形T₁(k+1，t)和T₂(k+1，t)，由于声纳载体的运动，相位中心1～8已经到达上一周期相位中心9～16的位置，这一周期中接收阵元收到回波信号为S_i，1(k+1，t)和S_i，2(k+1，t)，经脉冲压缩后，信号为S_comi，1(k+1，t)和S_comi，2(k+1，t)。此时S_com1～8，2(k，t)和S_com1～8，1(k+1，t)是重叠的相位中心的回波脉冲压缩信号，如果平台没有径向运动误差且信道没有误差，那么近似有S_com1～8，2(k，t)≈S_com1～8，1(k+1，t)。但如果平台沿径向有运动误差或信道有误差，那么近似有S_com1～8，2(k，t)≈S_com1～8，1(k+1，t-τ0)。通过求S_com1～8，2(k，t)和S_com1～8，1(k+1，t)的互相关函数，可以确定时延的估值

在这一实施例中，声纳上相邻收发阵元之间的距离都为d，相邻相位中心之间的距离为0.5×d，声纳平台运动速度为v＝(4.5×d)/T。

实施例2：参见图3，本实施例的发射阵元在不同脉冲周期轮流发送同频正交信号。在前一脉冲周期，发射阵元发出同频正交的信号T₁(k，t)和T₂(k，t)，经目标反射后，接收阵元收到回波信号S_i，1(k，t)和S_i，2(k，t)。图中绘出的两组目标反射回波分别由16个相位中心接收。下一个脉冲两个发射阵分别发射T₂(k+1，t)和T₁(k+1，t)，由于声纳载体的运动，相位中心1～8已经到达上一周期相位中心9～16的位置，这一周期中接收阵元收到回波信号S_i，2(k+1，t)和S_i，1(k+1，t)。由于S_i，2(k，t)和S_i，2(k+1，t)是重叠的相位中心接收的回波信号，而且它们是同一种发射信号的回波，因此如果平台没有径向运动误差且信道没有误差，近似有S_1～8，2(k，t)≈S_1～8，2(k+1，t)。如果平台沿径向有运动误差或信道有误差，近似有S_1～8，2(k，t)≈S_1～8，2(k+1，t-τ₀)。通过求S_i，2(k，t)和S_i，2(k+1，t)的互相关函数，可以确定时延的估值

。同理，我们也可以通过求脉冲压缩后的信号S_comi，2(k，t)和S_comi，2(k+1，t)的互相关函数确定时延的估值

。在这一实施例中，声纳上相邻收发阵元之间的距离都为d，相邻相位中心之间的距离为0.5×d，声纳平台运动速度为v＝(4.5×d)/T。

实施例3：参见图4，本实施例中的声纳阵列由9个阵元组成，其中3个阵元即作为发射阵元又作为接收阵元，6个阵元只能工作在接收状态。发射阵元在不同脉冲周期任意发送同频正交信号。在前一脉冲周期，发射阵元发出同频正交的信号T₁(k，t)、T₂(k，t)和T₃(k，t)，经目标反射后，接收阵元收到回波信号S_i，1(k，t)、S_i，2(k，t)和S_i，3(k，t)，经脉冲压缩后，信号为S_comi，1(k，t)、S_comi，2(k，t)和S_comi，3(k，t)。图中绘出了目标反射回波分别由17个相位中心接收。下一个脉冲三个发射阵分别发射T_e1(k+1，t)、T_e2(k+1，t)和T_e3(k+1，t)，(e1≠e2≠e3且e1，e2，e3∈{1，2，3})。由于声纳载体的运动，相位中心1～12已经到达上一周期相位中心6～17的位置，这一周期中接收阵元收到回波信号S_i，e1(k+1，t)、S_i，e2(k+1，t)和S_i，e3(k+1，t)，经脉冲压缩后，信号为S_comi，e1(k+1，t)、S_comi，e2(k+1，t)和S_comi，e3(k+1，t)。从图中可以看到，S_comi，2(k，t)和S_comi，e1(k+1，t)、S_comi，3(k，t)和S_comi，e2(k+1，t)是重叠的相位中心的回波脉冲压缩信号。通过分别求S_comi，2(k，t)和S_comi，e1(k+1，t)、S_comi，3(k，t)和S_comi，e2(k+1，t)的互相关函数，可以确定时延的估值

。在这一实例中，声纳上相邻收发阵元之间的距离都为d，相邻相位中心之间的距离为0.5×d，声纳平台运动速度为v＝(2×d)/T。

实施例4：参见图5，本实施例的声纳阵列由N个发射阵元和N个接收阵元组成，N个发射阵分别发射N种正交波形T₁、T₂......T_N，相关处理方法与实施例1相同。在这一实施例中，声纳上相邻收发阵元之间的距离都为d，相邻相位中心之间的距离为0.5×d，声纳平台运动速度为v＝(2.5×d)/T。

附图6给出了相关处理的波形图。由于前一脉冲周期的相位中心(i，j)_k与后一脉冲周期的相位中心(ei，ej)_k+1在载体运动方向上重合，它们接收到的是不同时间同一目标区域的反射回波，经过处理后，可以得到脉冲压缩后重叠相位中心的接收信号S_comi，j(k，t)和S_comei，ej(k+1，t)，如a图和b图所示。由于载体在径向方向上的无规则运动，S_comi，j(k，t)和S_comei，ej(k+1，t)在波束方向上并不完全重合。将两个信号进行相关，则最大值位置就是在这段时间内声纳载体在波束方向上的位移。

实施例5：参见图7，本实施例给出了利用多个重叠相位中心估计时延τ₀和偏航角

的方法。图7中重叠部分有8个的相位中心，假定第k个脉冲，从左到右的8个重叠相位中心接收的回波信号经脉冲压缩后分别S_com1，2(k，t)、S_com2，2(k，t)...S_com8，2(k，t)，那么第k+1个脉冲，相应的8个重叠相位中心接收的回波信号经脉冲压缩后近似分别为

其中d为相邻接收阵元之间的间隔。利用互相关函数，可以估计每个相位中心的时延，采用一阶线性多项式最小二乘拟合，可以估计出

和

它们分别是一阶线性多项式的常数项和一次项的系数。例如：利用互相关函数，求出这八个相位中心的时延分别为τ₁，τ₂，...，τ₈，满足最小二乘拟合的线性多项式是τ_ei＝a-(ei-1)b，则估计值

综上所述，本发明采用沿平台轨迹排列的、不同相位中心的发射阵，同时发射多个同频正交的信号。使其在重叠部分尺寸相同的情形下，可以缩减接收阵的尺寸，与多频发射体制的专利相比，设备可以充分利用水声换能器的带宽，提高距离分辨率；由于采用同频发射信号，可以提高水声信道相位误差的测量精度；同时无需为合成孔径成像增加额外的发射阵。本方法可以应用于合成孔径声纳和干涉合成孔径声纳的运动补偿和水声信道相位误差补偿，也可以用于合成孔径雷达和干涉合成孔径雷达的运动补偿。

Claims (7)

1. 合成孔径声纳运动误差和水声信道相位误差的测量方法，包括如下步骤：(1)在一个脉冲周期内，用至少两个沿平台轨迹排列的发射阵发射同频正交的信号；用至少一个沿平台轨迹排列的接收阵分别接收每个发射阵发射信号的目标反射的回波；(2)在以后的至少一个脉冲周期内，用上述发射阵分别发射同频正交信号；用上述接收阵接收目标反射的回波信号；(3)求上述两个脉冲重叠相位中心的回波信号或经脉冲压缩后的回波信号的互相关函数的幅度，测量该互相关函数幅度的最大值所对应的延时，得出平台沿径向的运动误差和水声信道的相位误差。

2. 如权利要求1所述合成孔径声纳运动误差和水声信道相位误差的测量方法，其特征是重叠相位中心对应的发射阵在前后脉冲发射完全相同的信号，通过直接测量上述前后脉冲回波信号的互相关函数幅度最大值点所对应的延时，得到平台沿径向的运动误差和水声信道的相位误差。

3. 如权利要求1所述合成孔径声纳运动误差和水声信道相位误差的测量方法，其特征是重叠相位中心对应的发射阵前后脉冲发射不同的同频正交信号，则先对上述前后脉冲回波信号进行脉冲压缩，再测量脉冲压缩信号互相关函数幅度最大值点所对应的延时，得到平台沿径向的运动误差和水声信道的相位误差。

4. 如权利要求1至3中任一权利要求所述合成孔径声纳运动误差和水声信道相位误差的测量方法，其特征是所述发射阵既作为发射阵元又作为接收阵元，接收阵只能工作在接收状态。

5. 如权利要求1至3中任一权利要求所述合成孔径声纳运动误差和水声信道相位误差的测量方法，其特征是所述发射阵在不同脉冲周期固定发送同频正交信号。

6. 如权利要求1至3中任一权利要求所述合成孔径声纳运动误差和水声信道相位误差的测量方法，其特征是所述发射阵在不同脉冲周期轮流发送同频正交信号。

7. 如权利要求1至3中任一权利要求所述合成孔径声纳运动误差和水声信道相位误差的测量方法，其特征是所述发射阵在不同脉冲周期任意发送同频正交信号。

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