[发明专利]一种基于双侧回波数据的合成孔径声纳运动补偿方法

说明书

技术领域

本发明属于声纳信号处理领域，特别涉及一种基于双侧回波数据的合成孔径声 纳运动补偿方法。

背景技术

合成孔径声纳(Synthetic Aperture Sonar：SAS)是一种先进的高分辨率水声成 像声纳，其基本原理是利用小孔径基阵在方位向的移动形成虚拟大孔径，通过对不 同位置的声纳回波进行相干处理，从而获得方位向的高分辨率。

合成孔径声纳成像中，拖体由于受到海浪、水下海流、拖曳系统的影响难以保 持匀速直线运动，从而偏离了理想航迹造成运动误差，为得到高分辨率的成像结果 必须进行运动补偿。目前对于合成孔径声纳运动补偿主要分为基于惯导系统的运动 补偿、基于原始回波数据的运动补偿和基于图像域的运动补偿。基于惯导系统的运 动补偿要求导航设备的精度足够高，其价格非常昂贵；基于图像域的运动补偿由于 其运算量较大，一般作为后处理使用；基于原始回波数据的运动补偿由于仅需利用 声纳回波数据获取声纳基阵的运动误差，易于实时处理，其代表为相位中心重叠算 法(DPCA)。相位中心重叠算法的基本思想是利用多接收阵元的冗余信息来估计声纳 基阵的运动状态。

拖体的运动运动误差主要包括3个自由度的平移和3个自由度的旋转，分别为 左右移动(sway)、前后移动(surge)、上下移动(heave)和俯仰转动(pitch)、横 滚转动(roll)、左右转动(yaw)。其中3个自由度的旋转主要可以通过惯导系统获 得，传统的相位中心重叠算法能够较为准确的估计出拖体的sway，当重叠相位中心 个数大于2时也可以估计yaw，但是其估计yaw的精度较差。通常情况下，拖体的 surge较小，且拖体方位向的位置可以由声多普勒计程仪对应的瞬时前进速度较为准 确的计算出来，即拖体的surge易于估计和补偿。

在补偿拖体前后移动(surge)运动误差的前提下，对应于双侧合成孔径声纳， 如何充分利用其对应的双侧多接收阵元的冗余信息来实现高精度的sway和heave运 动误差估计和补偿称为合成孔径声纳需要解决的关键问题之一。

发明内容

本发明的目的在于，为克服双侧多接收阵元的估计的sway和heave精度不高的 缺点，从而提出一种基于双侧回波数据的合成孔径声纳运动补偿方法。

本发明提供的方法利用双侧回波数据，采用相位中心重叠算法初步估计拖体的 运动误差对应的时延，在此基础上通过非线性最小二乘法进一步拟合出拖体对应的 sway和heave，从而实现拖体的sway和heave更为精确的估计。

为实现上述发明，本发明的一种基于双侧回波数据的合成孔径声纳运动补偿方 法，其主要技术方案包括以下几个步骤：

1)针对双侧回波数据分别进行均匀分段，利用相位中心重叠算法估计出拖体运 动误差对应的延时值。

2)针对各段对应的延时值，结合拖体的距底深度利用非线性模型参数的估计方 法估计出拖体对应的左右运动误差值和上下运动误差值；

3)针对估计出的左右运动误差值和上下运动误差值，结合拖体的距底深度针对 各段回波数据进行运动补偿；

最后，对运动补偿后的回波数据进行成像处理。

上述技术方案所述的步骤(1)中，对于回波数据的均匀分段不易过多，否则增加 计算量，且当每段对应数据采样点数较少时利用相关处理估计拖体运动误差对应的 延时值会出现较大偏差。

所述的使用相位中心重叠算法的前提(同时也是本发明所述方法的前提)是拖 体前进速度满足相邻两帧对应的相位中心有部分重叠。设子阵个数为N，阵元孔径 为D，脉冲重复周期为prt，基阵的前进速度为v，则有：

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