[发明专利]一种合成孔径声纳托体速度的估计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种在合成孔径声纳(SAS)运动中基于冗余相位中心(Redundant Phase Center)的方法估计拖体航行方位向实时速度的方法。应用本方法估计的速度可直接用于合成孔径声纳成像。

背景技术

合成孔径声纳(SAS)是利用小尺寸基阵在方位向的移动，通过对不同位置接收信号的相关处理，来获得方位向(沿着声纳基阵的运动方向)上的合成孔径，从而得到高精度的方位向上的分辨率。作为一种工作于侧扫模式下的成像声纳，SAS的距离向(垂直运动方向)的分辨率采用线性调频信号(LFM)的脉冲压缩的方法得到提高的。

合成孔径成像过程中，一般情况下，托体平台的运动速度的测量是通过运动测量系统得到的。运动测量系统一般为姿态传感器或多普勒计程仪等设备，安装在托体平台上，实时记录平台的位置和姿态。但专用的水下测量设备的价格一般比较昂贵，相对价格低廉的GPS(Global Positioning System，全球卫星定位导航系统)无法应用于水下，可以测量船速，但无法准确得到托体平台的航行速度。准确、简便地测量托体平台的航向速度对于SAS成像系统是至关重要的。

传统测试声纳主要包括测量流体速度的流速剖面仪和测量载体速度的计程仪。目前大多数利用多普勒原理工作的多普勒测速声纳应用比较广泛。多普勒测速声纳使用3-4个换能器基元，向斜方向发射信号，波束开角较小，大约为3°-7°。

随着科学技术的发展，出现了相关测速声纳。相关测速声纳在相同的工作频率下，相关测速声纳的换能器阵比多普勒测速声纳换能器阵小，适合于体积小的载体或者低频工作。

发明内容

本发明将在相关原理的基础上，提出了一种基于冗余相位中心的合成孔径声纳托体速度的估计方法。

拖曳式声纳(稳定性好)的声纳基阵固定在托体平台上，工作时由拖船拖曳前进。拖拽式声纳的工作模式特征在于：拖船a，绞车b，托体平台c，声纳基阵d。其中声纳基阵d是由一个发射基元和多个接收基元组成的。

声纳基阵d首先在位置A处发射并接收数据，称为第n帧数据；然后声纳基阵d匀速运动到位置B发射并接收下一帧数据，称为第n+1帧数据。其相应的冗余相位中心示意图如图2所示。本发明的目的是估计在此期间声纳基阵的运动速度。

若声纳载体的速度测量不准确会直接造成接收信号的起伏，由此形成的相位误差将给图像数据引入误差，引起SAS成像质量的下降，造成图像的畸变、散焦，以至于不能成像。本发明的关键是选取合适的声纳基阵平台的运动速度，使得相邻两帧数据间有一个或一个以上的冗余相位中心。

由SAS方位模糊限制条件可知，声纳基阵在方位向上的速度v限制为：

v≤(G·D/2)·PRF                       (1)

其中，G为接收基元的个数，D为接收基元的直径，PRF为发射信号的脉冲频率。

由公式(1)可知，SAS的成像条件是接收前后两帧数据时，声纳基阵的运动距离要小于声纳基阵的长度一半。因此，相邻两帧间有一个或一个以上的冗余相位中心的条件在SAS基阵正常运行的条件下是可以得到满足的。

对于前后两帧的重叠接收基元来讲，因为它们对应的方位位置是相同的，则重叠部分阵元的回波信号进行互相关运算，具有最大的互相关系数。

在图2中，在A处所接收到的数据为第n帧，在B处所接收到的数据为第n+1帧。第n+1帧接收数据中的接收基元20中的数据与第n帧中接收基元4’中的数据相关系数要大于第n+1帧的接收基元20中数据与第n帧中其它接收基元中数据的相关系数。图2中共有4个冗余相位中心。

本发明是通过对接收基元的数据进行互相关计算，估计合成孔径声纳成像过程中拖体实时运动速度。为了得到托体的速度，主要采用了如下步骤：

1)、假设当前声纳基阵中的接收基元的总个数为G，其相应的编号以1到G来编号的；各个接收基元接收到的当前第N帧的数据回波信号进行脉冲压缩、存储，得数据S_N(N，J)；其中脉冲信号S_N(N，J)为一维向量，N为当前是第几帧数据，J为接收基元的编号；

2)、取当前帧的最后一个接收基元的脉压信号S_N(N，G)，按声纳基阵d中的接收基元顺序与前一帧脉压信号进行互相关运算；

3)、根据步骤2)的计算结果，得到最大相关系数时的信号S_N-1(N-1，J)(1≤J≤G)，从而求得前后两帧的重叠基阵个数m＝J；