[发明专利]大范围海底地貌遥测的双基地声学成像方法

说明书

一种大范围海底地貌遥测的双基地声学成像方法，包括以下步骤：S1、垂直阵指向性发射信号照亮预定海底，同时水平阵以垂直阵为中心按螺旋线拖曳路径行进，接收预定海底的散射信号；S2、对接收的散射信号做匹配滤波和波束形成处理，得到“时间‑角度”图像；S3、利用三维成像单元归位算法将“时间‑角度”图像映射到笛卡尔坐标系；S4、对成像单元归位结果图进行增益补偿，得到某一位置的海底散射强度分布图；S5、将多位置的海底散射强度分布图叠加、拼接，最终得到大范围海底地貌图像。该方法的优点是：可同时接收前向、后向散射信号，并保证大范围内的成像分辨力，可应用于中深度海域甚至深海，并能有效消除水平阵的锥角模糊及距离向模糊干扰。

技术领域

本发明涉及一种水下声学成像方法，具体涉及一种可以遥测大范围海底地貌的双基地声学成像方法。

背景技术

声成像方法利用声波作为载体，传递目标或地形特征的辐射或散射声场，经过转换、重建或反演处理，获得其外形或内部结构的可见像。其主要原理为主动声呐向被探测区域发射信号，由接收设备接收目标或地形特征的散射信号，通过一系列信号处理算法将回波信号转化为图像。

传统的声成像方法的基本原理为回声测深，记录声波发射到接收信号的传播时间计算水体的深度，例如多波束回声测深技术和合成孔径成像技术。前者测量速度快，精度高，但是测量范围小，每个条带仅能覆盖几公里区域。并且多波束回声测深技术多应用于单基地声呐系统，只能对目标或地形特征的后向散射进行成像，而忽略了其前向散射信息。合成孔径成像技术可应用于双基地系统，并且分辨率高，但是测量范围小，且操作难度大。

针对上述问题，本发明提供了一种用于锚定垂直发射阵和移动水平接收阵构建的双基地系统中的大范围海底地貌遥测的声学成像方法，利用数百赫兹和数千赫兹的低频声信号以探测更远距离，利用垂直发射阵指向发射分块照亮海底区域，并通过水平接收阵的移动提高成像分辨力，成像范围可达到数十公里量级，成像分辨力百米量级。该方法可通过变换照亮区域和水平接收阵位置，以综合测量海底的前向和后向散射强度，对海底地貌分析具有重要意义。

发明内容

本发明克服了现有水声成像技术中测量范围小的缺点，提供了一种大范围海底地貌遥测的双基地声学成像方法。可得到大范围海底地貌的声学图像，并同时测量目标或地形特征的前向、后向散射强度，实现海底突出特征(如海底沟、海底山丘等)的检测。包含以下步骤：

S1、垂直发射阵选择不同的指向发射角度照亮预定海底，同时水平接收阵以垂直发射阵为中心按照螺旋线拖曳路径行进，接收预定海底的散射信号；

S2、对接收到的散射信号进行信号预处理。利用匹配滤波方法估计信号的到达时间τ(传播时延)，利用波束形成方法估计信号的到达角度(波达角)，得到“时间-角度”图像；

S3、利用三维成像单元归位算法将“时间-角度”图像映射到笛卡尔坐标系，当声线与海底接触一次，求解优化方程

其中，H为海水深度，为水平接收阵的方向矢量，(xR，yR，zR)为水平接收阵参考阵元坐标，(xS，yS，zS)为垂直发射阵参考阵元坐标，(x₀，y₀，z₀)＝[(xS，yS，zS)+(xR，yR，zR)]/2为二者中点，A＝cτ，c为水中声速，

当声线与海底接触两次，则将上述方程中带有(xS，yS，zS)的值替换为(xS′，yS′，zS′)，(xS′，yS′，zS′)为(xS，yS，zS)关于海面的对称点。

求解得到的(x，y，z)是散射脚印在笛卡尔坐标系中的坐标；

S4、根据声呐方程对成像单元归位结果图进行增益补偿，可得到对应垂直发射阵-水平接收阵位置的(即某一对入射角度-散射角度的)海底散射强度分布图。海底散射强度(BSL，Bottom Scatter Level)可表示为