CN1310038C - 一种合成孔径延时相加成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种合成孔径延时相加成像方法，包括一计算成像区域内的成像点到阵元的延时值步骤，成像区域内的成像点到阵元的延时值从预先提供的延时表中提取，延时表描述了成像区域内的各个成像点相对于阵元的延时值。本发明通过延时表来获得成像区域各成像点对于阵元的延时值，与直接延时相加算法相比，不用对每个成像点都重复计算延时值，运算量要小很多，可以满足实时成像的需要。

Description

一种合成孔径延时相加成像方法

技术领域

本发明涉及合成孔径声纳领域，更具体地说，涉及一种合成孔径延时相加成像方法。

背景技术

在合成孔径声纳领域，延时相加成像算法是一种理论最优算法。延时相加算法是对图像上的每个点进行单独成像，通过计算每个成像点到接收阵元之间的距离，找到在回波信号中的对应延时位置，将接收信号对应位置的值叠加到成像点上。因此，延时相加算法是一种点到点的逐点算法，具有成像精确，原理模型简便的优点。

对回波信号作延时相加成像的处理步骤为：

1)对当前方位回波信号作预处理，包括：FIR预滤波，距离向脉冲压缩，得到脉冲压缩信号。

2)对当前方位的成像区域内每一个成像点进行如下操作：

a)根据成像点与阵元的坐标计算两者之间的距离r；

b)根据距离r计算对应的延时值t；

c)计算延时值在接收信号中对应的信号位置n；

d)将接收信号中第n点的信号值叠加到成像点上；

如图1所示，接收阵元1位于某一方位上时，其成像区域为图1中用阴影表示的区域2。

3)对下一个方位回波信号重复以上操作，直到处理完所有的方位回波信号，最后将成像结果输出得到最后的合成孔径声纳图像。

从以上处理步骤可以看出，延时相加算法的运算量绝大部分集中在步骤2)中，每次延时相加操作的计算量大概为90次浮点运算。计算每个成像点到对应阵元的距离、然后转化成在脉冲数据中的对应下标位置，几乎占了成像运算的全部运算量。如图1中，当成像区域大小为M×N、接收阵元的数目为K时，其成像运算量为W＝90K·M·N。在实时处理中，这个运算量总是显得过于巨大，不能满足实时成像的需要。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点和不足，提供一种运算量小、可满足实时合成孔径声纳***成像需要的合成孔径延时相加成像方法。

本发明人经过仔细分析，发现现有的延时相加成像方法对不同方位对应的不同成像区域的回波进行处理时都计算重复的延时。如图2(a)所示，接收阵元1随着声纳平台沿箭头3所示的方位方向运动，阵元1的方位位置不断变化，其对应的成像区域也不一样，但是成像区域的大小都保持不变，只是随着阵元T的移动而沿箭头1所示的方位方向平移，而且成像区域和阵元1的相对位置关系也基本上是一样的。这在图2(b)中看得更清楚，图2(a)中不断平移的成像区域的大小与图2(b)中的成像区域2相同，且接收阵元1与成像区域2的相对位置关系保持基本稳定。如果根据图2(b)所示的位置关系，计算出成像区域2每个成像点到阵元的延时值，将其作为标准的延时表。每次成像，各成像区域中的各成像点的延时值可以从标准延时表中的对应位置取出，无需重新计算，这样可以大大减少运算量。这就是本发明的提供的合成孔径延时相加成像方法的基本发明构思。

根据上述发明构思，本发明提供一种合成孔径延时相加成像方法，包括一计算成像区域内的成像点到阵元的延时值步骤，所述成像区域内的成像点到阵元的延时值从预先提供的延时表中提取，所述延时表描述了成像区域内的各个成像点相对于阵元的延时值。

进一步的，成像区域是离散的，如图2(b)所示，成像区域2是由离散的成像单元“格子”4组成。当阵元1处于成像区域2的方位中心对称位置时(即位于成像区域的方位对称轴5上)，以此位置关系生成的延时表称为标准延时表。事实上，由于成像区域2的离散性，阵元1并不一定处于成像区域2的方位中心对称位置，而是稍微偏离该方位中心对称位置，此时，该阵元对应的成像区域与其处在方位中心对称位置时对应的成像区域是相同的，如果此时仍然用标准延时表来提取成像点的延时值，就会产生误差。如图3所示，当阵元1位于c0、c1、c2三个位置时，对应的成像区域2是完全一样的。但只有c0处于成像区域的方位对称中心位置，c1，c2并不在方位对称中心位置。如果阵元1位于c0，直接将标准延时表中的延时值作为对应点的延时值是完全准确的，没有任何误差。如果相位中心位于c1，c2，标准延时表中的延时值和实际的延时值并不完全一致，就会产生一定的误差。一般来说，当合成孔径声纳的方位成像精度为dx时，图3所示的阵元1对应的成像区域2中的成像单元格子4的宽度即为dx，阵元1在距离其中心对称位置左右各dx/2范围内的偏移均对应相同的成像区域。因此为了减少误差，可为阵元1在距离其中心对称位置左右各dx/2范围内的多个位置分别提供延时表，以便在计算延时时选择一与阵元1的实际位置最接近的延时表。

相应于上述描述，作为本发明的进一步改进，在本发明的合成孔径延时相加成像方法中还包括：设定多个阵元参考位置，当阵元位于所述多个参考位置时具有相同的成像区域；为每个阵元参考位置提供一个延时表，该延时表描述了阵元处于该参考位置时成像区域内的各个成像点相对于阵元的延时值。

所述多个阵元参考位置的分布使得阵元的实际位置与至少一个阵元参考位置之间的间距小于或者等于一最大距离误差，以满足成像的误差要求。所述多个阵元参考位置优选等间距分布。所述成像区域具有一方位对称轴，所述成像区域关于该方位对称轴对称，所述多个阵元参考位置优选关于方位对称轴对称分布。

本发明的合成孔径延时相加成像方法还包括从多个延时表中选择一延时表的步骤，并从所选择的延时表中提取成像区域内的成像点到阵元的延时值；所选择的延时表对应的阵元参考位置与阵元的实际方位位置最接近。

本发明通过延时表来获得成像区域各成像点对于阵元的延时值，与直接延时相加算法相比，不用对每个成像点都重复计算延时值，运算量要小很多，可以满足实时成像的需要。由于从延时表中提取延时值进行成像的运算量约为5次浮点运算，在成像区域大小为M×N，接收阵元的数目为K的情况下，其成像运算量为W＝5K·M·N，仅为直接延时相加算法运算量的1/18。

附图说明

图1是合成孔径延时相加成像过程的成像区域示意图；

图2(a)是合成孔径延时相加成像过程中移动的成像区域示意图；

图2(b)是从图2(a)中分离出的成像区域示意图；

图3是处于不同位置的阵元具有相同成像区域的原理示意图；

图4是本发明的合成孔径延时相加成像方法一个优选实施例的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

以一个示例性的合成孔径声纳为例，该合成孔径声纳的相关***参数为：发射信号中心频率为f₀＝20kHz，波长λ＝75mm，采样频率f_s＝160kHz，阵元尺寸D＝0.16m，波束角α＝0.8rad，最小成像距离R_min＝120m，最大成像距离R_max＝400m，信号在水中的速度为C＝1500m/s，方位成像精度dx＝D/2＝0.08m，距离成像精度dy＝D/2＝0.08m。

用上述示例性的合成孔径声纳***采集目标信号，声纳沿着方位移动(图2(a)中的箭头3所示方向)，以固定的频率发射信号，并接收反射回来的信号。利用本发明的方法对实时采集的信号进行成像处理。

下面结合图4的流程图详细描述本发明。

在步骤101中，确定阵元参考位置的数目和分布，其中参考位置的数目也就是延时表的数目。为了保证误差要求，需要计算阵元的实际位置与阵元参考位置的最大距离。根据理论计算，得到当允许的最大距离误差为r_err时，阵元的实际位置与阵元参考位置的最大距离d_MAX关系为： $r_{\mathrm{err}}=2d_{\mathrm{MAX}}\×\tan \frac{\mathrm{\α}}{2}.$ 即，阵元的实际位置与阵元参考位置的距离 $d\≤d_{\mathrm{MAX}}=r_{\mathrm{err}}/\left(2\tan \frac{\mathrm{\α}}{2}\right).$ 由此可知，当相邻两个阵元参考位置之间的距离 $D\≤{2d}_{\mathrm{MAX}}=r_{\mathrm{err}}/\tan \frac{\mathrm{\α}}{2},$ 不论阵元的实际位置在哪儿，都会有一个阵元参考位置与其的距离d满足d≤d_MAX。作为一种优选的实施方式，多个阵元参考位置彼此等间隔分布，其间距 $D=r_{\mathrm{err}}/\tan \frac{\mathrm{\α}}{2},$ 可见该参考阵元位置之间的间距D与实际允许的最大距离误差r_err相关。

这些阵元参考位置应该分布在距离成像区域的方位对称轴(图3中的轴5)左右各dx/2范围内的偏移范围内，这样当阵元处于这些参考位置时对应相同的成像区域。在上述优选实施方式中，当阵元参考位置以等间隔方式分布时，那么阵元参考位置的数目应该为 $N=\frac{\mathrm{dx}}{D}=\frac{\tan \frac{\mathrm{\α}}{2}\×\mathrm{dx}}{r_{\mathrm{err}}}.$

一般来说，只有距离误差小于或等于λ/16时，才不会对成像质量有影响。即，当要求最大允许距离误差r_err＝λ/16时，在上述优选实施方式中， $D=\mathrm{\λ}/\left(16\tan \frac{\mathrm{\α}}{2}\right).$

相应的，多个阵元参考位置的数目 $N=\frac{\mathrm{dx}}{D}=\frac{16\tan \frac{\mathrm{\α}}{2}\×\mathrm{dx}}{\mathrm{\λ}}.$

得到阵元参考位置的数目及其间距后，即可将这些阵元参考位置对称地布置在成像区域的方位对称轴的两侧。此时，各阵元参考位置与方位对称轴的距离分别为：

$c_i=-\frac{\mathrm{dx}}{2}+\frac{\mathrm{dx}}{2N}+\frac{\mathrm{dx}}{N}i,$ 其中i＝0，1，...，N-1。

以前述示例性的声纳***中的各参数为例，当最大允许距离误差r_err＝λ/16，计算得到阵元参考位置的数目N＝7，且这七个阵元参考位置距离方位对称轴分别为c₀＝-0.0343，c₁＝-0.0229，c₂＝-0.0114，c₃＝0.0000，c₄＝0.0114，c₅＝0.0229，c₆＝0.0343。

在步骤102中，为每一个阵元参考位置都分别建立延时表。该延时表中描述了当阵元处于该阵元参考位置时，成像区域中的各个成像点相对于阵元的延时值。在前述的七个阵元参考位置的实施例中，共需要提供七个延时表，每一个延时表对应一个阵元参考位置。

在步骤103中，根据当前接收信号对应的阵元实际方位位置选择与其最近的一个阵元参考位置的延时表作为当前延时表。例如在前述实施例中，如果当前阵元的相对于方位对称轴的位置为0.0118时，与其最近的阵元参考位置为c₄＝0.0114，则选择该阵元参考位置对应的延时表作为当前延时表。

在步骤104中，从选择的当前延时表中提取成像区域中的各成像点对于阵元的延时值，对当前回波信号进行成像操作。

Claims (6)

1、一种合成孔径延时相加成像方法，包括一计算成像区域内的成像点到阵元的延时值步骤，其特征在于，所述成像区域内的成像点到阵元的延时值从预先提供的延时表中提取，所述延时表描述了成像区域内的各个成像点相对于阵元的延时值。

2、根据权利要求1所述的合成孔径延时相加成像方法，其特征在于，还包括：

设定多个阵元参考位置，当阵元位于所述多个参考位置时具有相同的成像区域；

然后为每个阵元参考位置分别提供一个延时表，该延时表描述了阵元处于该参考位置时成像区域内的各个成像点相对于阵元的延时值；根据当前接收信号对应的实际方位位置选择与其最接近的一个阵元参考位置的延时表作为当前延时表；

从选择的当前延时表中提取成像区域中的各成像点对于阵元的延时值，对当前回波信号进行成像操作。

3、根据权利要求2所述的合成孔径延时相加成像方法，其特征在于，所述多个阵元参考位置的分布使得阵元的实际位置与至少一个阵元参考位置之间的间距小于或者等于一最大距离误差。

4、根据权利要求2或3所述的合成孔径延时相加成像方法，其特征在于，所述多个阵元参考位置等间距分布。

5、根据权利要求2或3所述的合成孔径延时相加成像方法，其特征在于，所述成像区域具有一方位对称轴，所述成像区域关于该方位对称轴对称，所述多个阵元参考位置关于方位对称轴对称分布。

6、根据权利要求4所述的合成孔径延时相加成像方法，其特征在于，所述成像区域具有一方位对称轴，所述成像区域关于该方位对称轴对称，所述多个阵元参考位置关于方位对称轴对称分布。

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