專利名稱：單接收陣合成孔徑聲納干涉測量方法
技術領域：
本發明屬于合成孔徑聲納干涉領域，提出了一種全新概念的單接收陣合成孔徑聲納干涉測量方法。
背景技術：
在合成孔徑聲納成像的應用中，為了實現測深的目的，需要用垂直于平臺運動方向的兩條或者多條收發射陣進行干涉處理。以往的方法是采用一條發射基陣，兩條或多條接收基陣，在同一時刻獲取兩幅或多幅合成孔徑聲納成像數據，然后對圖像進行干涉處理，得到目標的高程數據。
這種方法原理如圖1所示，信號處理時將來自兩個不同接收陣的信號分別進行合成孔徑成像，然后再對它們進行干涉處理，就可以得到一幅目標的高程數據了。從目前的應用情況來看，實現這一技術需要克服以下幾個方面的要求。
首先，在合成孔徑聲納應用中，為了克服測距模糊和空間采樣率不足之間的矛盾，往往采用多子陣接收的方法(如圖2所示)。因此實用的合成孔徑聲納，接收陣長度一般比發射陣長很多，成本也要高很多。將這一技術應用到干涉上，多出的一個或多個接收陣會進一步增加成本。
其次，由于干涉儀合成孔徑聲納接收陣元的數目大幅度增加，聲納接收機的復雜程度也會增加，信號采集設備的通道數目也將成倍增長，同時也給數據存儲和數據傳輸提出了比普通合成孔徑聲納更高的要求。
此外，干涉合成孔徑聲納對參加干涉的兩個或多個接收陣各通道的幅度和相位一致性提出了很高的要求。
發明內容
本發明的目的是為了解決上述背景技術存在的不足，提出一種利用一個接收陣接收回波信號來實現單基線或多基線的單接收陣合成孔徑聲納干涉測量方法，從而有效降低系統的復雜程度，控制設備的成本。
本發明采用兩個或兩個以上發射陣發射同頻的正交信號，采用一個接收陣接收信號回波來獲取合成孔徑成像干涉處理所需信息。
上述每個發射陣之間可以具有不同的相位中心，發射陣最好沿垂直于平臺運動的方向排列。
若信號Si(t)和Sj(t)滿足如下的關系式∫TSi(t)Sj(t-τ)dt=δ(τ),i=j∫TSi(t)Sj(t-τ)dt=0,i≠j]]>則稱Si(t)i＝1，2，…n為一組正交信號。其中，δ(τ)是沖擊函數。
理想的同頻正交信號是指頻率相同、互相關函數等于零的信號。但實際應用中難以找到這樣理想的正交信號。在本發明中只要其互相關函數的最大值遠小于自相關函數最大值的信號都可以視為正交信號。
本發明步驟為1.用上述發射陣同時發射相互正交的信號。發射陣發射的信號為Ti，經目標反射后回波信號分別為Si(τi)。式中τi是由于收發路徑不同而產生的不同延遲。
2、用一個接收陣接收這些回波，并對信號回波進行脈沖壓縮，同時將來自于不同發射陣的信號回波分離；3、分別對每個分離后的回波信號進行合成孔徑成像處理，得到Fi(T，R)，式中，T是合成孔徑成像聲納緩變時間坐標，R是聲納作用方向的坐標。
4、將合成孔徑成像的結果進行干涉處理，得到目標區域的高度信息。
上述脈沖壓縮采用匹配濾波的方法，公式為Scomi(τi)＝∫S(t)×Ti*(τi-t)dt，其中，S(t)是接收陣接收到的所有發射信號的回波之和，Ti(t)是第i個發射陣發射的信號，τi是由于收發路徑不同而產生的不同延遲，Scomi(τi)是脈沖壓縮后被分離的信號回波。
如果該方法采用兩個發射陣發射同頻的正交信號，所述干涉處理是采用上述兩個發射陣的回波合成孔徑信號F1(T，R)，F2(T，R)進行干涉、相位解卷和相位高度變換處理，得到基于單基線的目標區域高度信息。
如果該方法采用三個或三個以上發射陣發射同頻的正交信號，所述干涉處理是采用上述三個或三個以上發射陣的回波合成孔徑信號Fi1(T，R)，Fi2(T，R)，…，Fik(T，R)進行干涉、相位解卷和相位高度變換處理，得到基于多基線的目標區域高度信息。
綜上所述，本發明利用多個發射陣和一個接收陣的收發陣結構，通過對正交回波信號進行分離和分別成像處理得到多幅來自不同收發路徑的合成孔徑圖像，將這些合成孔徑圖像進行干涉處理，實現了干涉儀合成孔徑聲納。這種方法相對于以往的采用多接收陣的干涉儀合成孔徑技術主要有以下優點一、相對于以往的采用多接收陣的干涉儀合成孔徑技術，本發明大幅度地削減了聲納接收陣的成本。一般而言，同樣長度的聲納接收陣和聲納發射陣需要花費的成本大致相等，而在多子陣合成孔徑聲納技術投入應用之后，合成孔徑聲納的接收陣的長度已經遠遠大于發射陣的長度，在成本上也遠高于發射陣。按照以往的做法，如果要實現干涉或者多基線條件下的干涉測量，就有必要裝備兩條或數條成本較高的接收陣，而如果采用本發明中的辦法，我們只需要裝配多條成本比較低的發射陣，和一條成本較高的接收陣，這樣整體系統的成本也大幅度降低了。
二、相對于以往的采用多接收陣的干涉儀合成孔徑技術，本發明有效減少了接收機的通道數，降低接收系統的復雜程度。由于本發明只采用一條接收陣，多個正交信號同時接收，顯然接收機的通道數會成倍降低。
三、本發明降低了干涉儀合成孔徑聲納對原始數據采集、存儲和傳輸的要求，很大程度上降低了數據采集和存儲系統的成本。干涉儀合成孔徑聲納對于數據采集、存儲和傳輸的需求非常高，往往幾分鐘的聲納掃描，就將產生幾千兆甚至更多的原始數據，因此數據采集設備和存儲設備的成本都非常高。采用單接收陣的干涉儀合成孔徑聲納，數據量也將成倍減少，對數據采集和存儲設備的技術指標要求也會相應降低。
圖1干涉合成孔徑成像示意圖；圖2多子陣接收方法示意圖；圖3兩發射陣發射兩種正交波形T1和T2；圖4基于雙發射陣的干涉原理圖；圖5N發射陣分別發射N種正交波形T1，T2，…，TN；圖6基于N發射陣的干涉原理圖。
具體實施例方式
實施例1參見圖3，本實施例的聲納陣列由2個發射陣和1個接收陣組成。發射陣分別發送正交信號T1和T2，經目標反射后，接收陣元同時收到回波信號S1(τ1)和S2(τ2)，其中τ1，τ2分別表示經過不同收發路徑到達接收陣的信號延遲時間。利用發射信號的正交特性，在進行脈沖壓縮時將來自于不同發射陣的信號回波分離，分別對分離后的回波信號進行合成孔徑成像處理得到F1(T，R)，F2(T，R)。將兩個合成孔徑成像的結果進行干涉處理，得到兩個信號的相位差主值(T，R)＝arg(F1(T，R)×conj(F2(T，R)))，再通過二維相位解卷，得到兩個信號的真實相位差φ(T，R)＝(T，R)+2kπ。附圖4中繪出了基于雙發射陣的干涉測量原理顯然，二維相位解卷后的相位差是由信號延遲時間的差異決定的。
φ=4πλ[ρ1-ρ2]---(1)]]>其中ρ2=B2+ρ12-2Bρ1cosβ=B2+ρ12-2Bρ1sin(θ-α)---(2)]]>基于平面波(遠場)假設，(1)式可簡寫成φ=4πλBsin(θ-α)---(3)]]>定義垂直基線B⊥＝Bcos(θ-α)(4)由幾何關系可得cosθ=H-hρ1---(5)]]>利用(3)、(4)兩式即可得到場景的高度h＝H-ρ1cosθ(6)實施例2參見圖5，本實施例的聲納陣列由N個發射陣(3個或3個以上)和1個接收陣組成。參與干涉的任意兩對收發射陣相位中心之間的距離又稱為基線，包含N個發射陣和1個接收陣的干涉合成孔經聲納系統可以有 條基線。附圖6中繪出了上述情況下基線的排列情況，基線分別為B(1，2)，B(2，3)，B(1，3)，...，B(1，N)。實施例中的基線長度滿足B(1，2)＜B(2，3)＜B(1，3)＜，...，＜B(1，N)＝B0。
發射陣分別發送正交信號T1，T2，…Tn，經目標反射后，接收陣元同時收到回波信號S1(τ1)，S2(τ2)，…，Sn(τn)，其中τ1，τ2，…τn分別表示經過不同收發路徑到達接收陣的信號延遲時間。利用發射信號的正交特性，在進行脈沖壓縮時將來自于不同發射陣的信號回波分離，分別對分離后的回波信號進行合成孔徑成像處理得到F1(T，R)，F2(T，R)，…，Fn(T，R)。第i和第j個合成孔徑成像的結果的干涉相位為i，j(T，R)，第1和第N個合成孔徑成像的結果的干涉相位為0。根據干涉相位和基線的近似關系有 多基線干涉可以采用最大似然法估計干涉相位。利用多個合成孔徑成像結果構造合適的似然函數fMI(0)，求解偏微分方程 可以得到0的估計值。與實施例1中的單基線干涉處理相比，①在低信噪比條件下，多基線干涉得到的干涉圖具有更高的干涉相位估計精度。②多基線干涉的干涉相位圖具有更大的模糊基，相位解卷過程可以獲得簡化。
多基線干涉處理在相位——高度變換的過程中可以采用迭代法進行處理，先從最小的基線的干涉相位圖出發，估計地形高度，然后以此為基準解卷較大基線的干涉相位圖，依此類推直至獲得最大基線的地形高度圖。這種方法既利用了小基線相位解卷較好的優點，又獲得了大基線在高度計算時的高精度。
權利要求
1.單接收陣合成孔徑聲納干涉測量方法，其特征是該方法采用兩個或兩個以上發射陣發射同頻的正交信號，采用一個接收陣接收信號回波獲取合成孔徑成像干涉處理所需信息。
2.根據權利要求1所述的單接收陣合成孔徑聲納干涉測量方法，其特征是所述發射陣沿垂直于平臺運動的方向排列。
3.根據權利要求1或2所述的單接收陣合成孔徑聲納干涉測量方法，其特征是所述接收陣在接收信號回波后，首先對信號回波進行脈沖壓縮，同時將來自于不同發射陣的信號回波分離；然后分別對每個分離后的回波信號進行合成孔徑成像處理；最后將合成孔徑成像的結果進行干涉處理，得到目標區域的高度信息。
4.根據權利要求3所述的單接收陣合成孔徑聲納干涉測量方法，其特征是所述脈沖壓縮采用匹配濾波的方法，公式為Scomi(τi)=∫S(t)×Ti*(τi-t)dt,]]>其中，S(t)是接收陣接收到的所有發射信號的回波之和，Ti(t)是第i個發射陣發射的信號，τ，是由于收發路徑不同而產生的不同延遲，Scomi(τi)是脈沖壓縮后被分離的信號回波。
5.根據權利要求3所述的單接收陣合成孔徑聲納干涉測量方法，其特征是該方法采用兩個發射陣發射同頻的正交信號，所述干涉處理是采用上述兩個發射陣的回波合成孔徑信號F1(T，R)，F2(T，R)進行干涉、相位解卷和相位高度變換處理，得到基于單基線的目標區域高度信息。
6.根據權利要求3所述的單接收陣合成孔徑聲納干涉測量方法，其特征是該方法采用三個或三個以上發射陣發射同頻的正交信號，所述干涉處理是采用上述三個或三個以上發射陣的回波合成孔徑信號Fi1(T，R)，Fi2(T，R)，…，Fik(T，R)進行干涉、相位解卷和相位高度變換處理，得到基于多基線的目標區域高度信息。
全文摘要
本發明涉及一種單接收陣合成孔徑聲納干涉測量方法，該方法采用兩個或兩個以上發射陣發射同頻的正交信號，采用一個接收陣接收信號回波獲取合成孔徑成像干涉處理所需信息，從而有效降低系統的復雜程度，控制設備的成本。
文檔編號G01S7/02GK1996047SQ20061012534
公開日2007年7月11日 申請日期2006年12月7日 優先權日2006年12月7日
發明者唐勁松, 陳鳴, 岳軍, 鄒志農, 楊海亮, 汪銘東 申請人:中國人民解放軍海軍工程大學
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
