[发明专利]一种相控阵三维摄像声纳系统换能器阵列的幅相误差校正方法

说明书

技术领域

本发明涉及相控阵三维摄像声纳系统技术领域，具体涉及一种相控阵三维摄像声纳系统换能器阵列的幅相误差校正方法。

背景技术

相控阵三维摄像声纳系统采用包含数千个阵元的二维均匀矩形换能器阵列接收回波信号，再运用波束形成技术和实时图像处理技术得到高分辨率的水下三维图像。

受到加工工艺水平限制以及实际工程应用中不可避免的温度和/或湿度变化、热效应、器件老化等因素的影响，相控阵三维摄像声纳系统中不同换能器通道的水听器和信号调理电路性能存在不一致性，从而导致阵列产生幅相误差，使得系统成像质量大大降低，严重时会造成水下目标观测和识别的失败，因此对这种大型均匀矩形阵列进行有效校正是保证相控阵三维摄像声纳系统探测性能的关键。

如果能够有效的估计阵列的幅相误差因子，并根据该估计结果，在后续波束形成处理过程中，对各换能器接收的信号进行补偿，将使相控阵三维摄像声纳系统即使在存在阵列幅相误差的条件下，仍能提供理想的成像质量。

从误差校正的方法来看，阵列误差校正技术可以分为主动校正（Active Calibration）和自动校正（Auto-calibration）两大类，其中主动校正方法需要使用若干方位精确已知的主动校正源，而自校正方法中由于校正源方位未知，通常需要同时估计校正源的方位和阵列的误差参数。由于相控阵三维摄像声纳系统的水下应用场景中很难事先获知校正源的精确方位，因此自动校正方法更适合于系统的实际应用。

常见的阵列误差自动校正方法通常采用交替迭代算法对校正源方位和阵列幅相误差进行联合估计，但是迭代算法的计算量通常很大，且全局收敛性能不易保证。

现有技术中的辅助阵元或针对部分校正阵列的阵列校正方法，能够获得良好的校正精度，但是这类方法难以适用于密封在水密机箱中的相控阵三维摄像声纳系统。

此外，还有一类针对均匀矩形阵列的幅相误差校正算法，它利用了数据协方差矩阵的Toeplitz-block结构，但是该算法的校正精度仍有待提高，而且算法适用范围有限；同时，对于相控阵三维摄像声纳系统中的大型均匀矩形换能器阵列而言，自动校正算法所需的计算量也是现场应用中需要考虑的重要问题。

发明内容

本发明提供了相控阵三维摄像声纳系统换能器阵列的幅相误差校正方法，该方法仅需要放置一个未知方位的远场校正源，不需要阵列特性的任何先验信息就能获得较高的幅相误差校正精度，而且避免了繁复的迭代和大量的矩阵运算，计算量小，适合于相控阵三维摄像声纳系统内大型换能器阵列的现场校正。

一种相控阵三维摄像声纳系统换能器阵列的幅相误差校正方法，包括以下步骤：

（1）对第k个采样快拍的二维复采样数组，利用二维快速傅里叶变换获得归一化角频率的初始估计（）。

相控阵三维摄像声纳系统的换能器阵列为一个M×N的大型二维均匀矩形阵列，矩形阵列中的各个换能器的水平间距和垂直间距都相等，M和N一般为大于40的自然数。

归一化角频率的定义为：

其中，d_x为相邻换能器间的水平间距；

d_y为相邻换能器间的垂直间距；

θ为校正源方位对应的仰视角；

为校正源方位对应的方位角；

λ为载波波长。

为了在每个采样快拍内获得对归一化角频率（u，v）的初始估计，对第k个采样快拍的二维复采样数组做二维快速傅里叶变换，搜索得到二维快速傅里叶变换频谱的最大值，将该最大值对应的角频率作为归一化角频率的初始估计（）。

为了在二维快速傅里叶变换（2D-FFT变换）计算过程中能利用快速算法获得更高的计算效率，当M或N不是2的幂时，在计算时需要对二维复采样数组进行补0操作，使其长度达到最接近的2的整数次幂，从而利于2D-FFT的快速实现，例如M为63，则补一个0，使其长度达到64，即2的6次方，因此，初始的归一化角频率（u，v）满足如下形式：u=2πp/M，v=2πq/N，其中p为小于M的自然数，q为小于N的自然数。

所述的幅相误差校正方法仅使用一个方位未知的远场校正源，且该远场校正源发射连续的窄带正弦信号。

利用一个方位未知的远场校正源，连续发射窄带正弦信号，三维摄像声纳系统在不同的时刻进行采样快拍，对每个采样时刻获得的二维复采样数组进行二维快速傅里叶变换获得归一化角频率的初始估计（）。

（2）基于初始估计（），对第k次采样快拍进行三步迭代计算，获得各个采样快拍内精度更高的归一化角频率的估计值（）。