一種三維地層成像的相控方位濾波方法
2023-09-13 01:29:05 4
專利名稱：一種三維地層成像的相控方位濾波方法
技術領域：
本發明屬於小型潛器的方位高分辨力陣處理領域，主要是一種三維地層成像的相控方位濾波方法。
背景技術：
目前在國際上尚無成熟的海底地層的三維成像系統，本方案採用仿醫用CT技術的海底地層聲學三維成像方法實現掩埋雷探測識別。在三維成像機理方法上，通過高分辨陣處理實現對回波不同的水平方位高分辨力，通過脈衝壓縮技術獲得深度方向距離高分辨力，通過發射換能器每一次發射得到一個橫斷面地層的二維能量分布圖，隨著聲吶平臺向前運動，獲得另一維走航方位上的合成孔徑高分辨力，連續掃描即可獲得地層地貌的三維探測成像。主要需要突破各維度成像分辨力的關鍵技術。這種小型潛器屬於物理尺寸小，集成度高，移動速度快的主動聲納系統，在水平方位維處理時，受物理尺寸限制，常規波束形成的方位分辨力遠遠不夠，而傳統的MVDR、MUSIC等高分辨算法是從信號協方差矩陣進行直接處理或者特徵分解信號子空間後處理，在處理低信噪比，快拍數足夠的不相干目標均有出色的效果，但是在處理單快拍數據下的地層分布式強相干源時，一方面強相干信號串擾畸變協方差矩陣，另一方面單快拍數據無法多次統計對信號協方差矩陣進行平滑處理， 導致這些傳統的基於估計協方差矩陣的高分辨力算法無法達到方位維分辨精度要求。
發明內容
為了解決在小型拖體中對海底地層的探測、繪製、三維成像顯示，特別是在物理尺度小的情況下解決地層中相干信號源的水平方位維的高分辨力分辨，本發明提出了一種三維地層成像的相控方位濾波方法。本發明的目的是針對相同距離，不同角度、單快拍、多相干源信號，避開傳統的估計協方差矩陣的思路，採用最大後驗概率準則獲得在空間各掃描方位上的源信號最優波形估計，根據各方位上信號的能量大小來判斷目標的方位；可應用在海洋中小型潛器的地貌、地形、地層探測，例如AUV/UUV系統中。本發明解決其技術問題採用的技術方案為了實現上述目的，本發明提供了一種仿醫用CT技術的海底地層聲學三維成像系統，在走航方位維(y軸)採用合成孔徑技術，在深度方位維(ζ軸)採用寬帶脈衝壓縮技術，在水平方位維(χ軸)採用本發明提出的相控方位濾波(簡稱PAF)方法獲得方位角度的高分辨技術。系統平臺在沿走航方位維受到運行速度的制約，需要滿足1/2空間採樣法則，系統沿著走航方位維向前直線移動，通過組合換能器發射技術產生寬帶調頻信號，布置多元呈矩形狀排列的水聽器陣。深度維度上對接收的每批回波信號進行寬帶信號脈衝壓縮技術，根據距離分辨力與信號帶寬和聲速的關係，ζ =C/2B，可以獲得海底多目標在深度維度上的分辨力參數值；水平方位維度上通過垂直於平臺運動方向安裝的多個接收水聽器組成一組物理孔徑較短的線列陣，在接收到每批次數據中，大量同時刻到達的不同方位的水體、地層的多目標、強相干、單快拍回波數據，採用常規波束形成算法獲得的波束角為θ = λ/L，λ為信號波長，一般取中心頻率的波長計算，L為線列陣物理孔徑長度，小型潛器平臺限制了線列陣物理孔徑長度，波束角太大以至於無法分辨地層「目標群」，基於經典的協方差矩陣處理或者分解子空間的處理方法在處理相干單快拍數據時性能下降嚴重，本發明採用相控方位濾波方法對數據分別採用預劃分模塊，陣列轉化模塊，MAP準則估計模塊，迭代收斂模塊，獲得「目標群」按照深度層，不同方位角度的高分辨力參數值；在走航方位維度上，平行於平臺運動方向的多接收陣接收到一定孔徑長度回波數據後，進行硬、軟體運動補償後的多子陣合成孔徑技術處理，分辨力與目標距離沒有關係， 與接收陣元物理尺寸有關，ξ =D/2，其中D為單個接收水聽器物理陣元長度，獲得走航方位維度上的目標高分辨力參數。每批次後獲得地層的「目標群」深度和水平方位的橫斷面二維能量分布圖，按照走航方位維逐次發射推進，幀數依次疊加，加入走航分辨力參數值，獲得地層的三維顯示結果。相控方位濾波方法包括以下幾個步驟一數據預處理模塊根據實際需要，設定系統參數，包括信號類型及脈寬，目標深度範圍，分層距離帶，方位角度範圍，最小方位可分辨角度，選取到達回波數據的時間樣本點，將每層到達的地層回波信號均勻分成L0個方位柵格，方位柵格集合不大於發射換能器發射指向性寬度。二陣列矩陣變換模塊包括等式方程步驟、參數關係式步驟兩部分，通過轉化獲得接收回波矩陣空間、接收回波的轉化矩陣空間、目標空間場矩陣、加權後的目標空間場矩陣、特徵空間向量、特徵值、陣列流形矩陣，建立上述參數之間方程表達式及參數關係式。三 MAP準則估計模塊以最大後驗概率準則(MAP)來估計方位上的回聲強度，根據最大後驗概率準則，建立代價函數和約束方程。四迭代收斂模塊根據代價函數和約束方程，可轉化為無約束最小化求解問題， 反覆迭代使代價函數最小，獲得分層距離帶上的方位柵格回波信號強度的最優估計值。所述陣列矩陣變換模塊上，包括等式方程步驟、參數關係式步驟兩部分。在等式方程步驟上可根據陣列處理中遠場條件下，某一分層距離上各陣元接收回波矢量與陣列流形矩陣和目標信號源矢量、噪聲矢量等式為
權利要求
1.一種三維地層成像的相控方位濾波方法，其特徵是針對相同距離，不同角度、單快拍、多相干源信號，採用最大後驗概率準則獲得在空間各掃描方位上的源信號最優波形估計，根據各方位上信號的能量大小來判斷目標的方位；包括步驟如下1)數據預處理模塊根據實際需要，設定系統參數，包括信號類型及脈寬，目標深度範圍，分層距離帶，方位角度範圍，最小方位可分辨角度，選取到達回波數據的時間樣本點，將每層到達的地層回波信號均勻分成L0個方位柵格，方位柵格集合不大於發射換能器發射指向性寬度；2)陣列矩陣變換模塊包括等式方程步驟、參數關係式步驟兩部分，通過轉化獲得接收回波矩陣空間、接收回波的轉化矩陣空間、目標空間場矩陣、加權後的目標空間場矩陣、 特徵空間向量、特徵值、陣列流形矩陣，建立上述參數之間方程表達式及參數關係式；3)MAP準則估計模塊以最大後驗概率準則來估計方位上的回聲強度，根據最大後驗概率準則，建立代價函數和約束方程；4)迭代收斂模塊根據代價函數和約束方程，轉化為無約束最小化求解問題，反覆迭代使代價函數最小，獲得分層距離帶上的方位柵格回波信號強度的最優估計值。
2.根據權利要求1所述的三維地層成像的相控方位濾波方法，其特徵是(1)地層回波信號均勻分成Lθ個方位柵格L 0 > > M陣元數目，S1 (t)，S2 (t)，. . .，sLg (O 為不同方位柵格的源信號，滿足遠場條件，e)(m_w'，me (1，2，...，Μ)，1 e (1，...，L0)為一系列的源信號，1，…，L0源信號，在各陣元，1，…M陣元，產生的相位差的頻域表達式， n,..M(t)噪聲序列為零均值高斯過程，陣元間噪聲相互獨立，陣列各傳感器為各向同性，無互耦以及通道不一致幹擾；方程等式進一步表達如下
全文摘要
本發明是一種三維地層成像的相控方位濾波方法，針對相同距離，不同角度、單快拍、多個相干信號，採用最大後驗概率準則獲得在空間各掃描方位上的源信號最優波形估計，根據各方位上信號的能量大小來判斷目標的方位。本發明有益的效果是1、無需採用協方差矩陣進行直接或者間接分解處理，不受限於快拍數量限制，可處理主動式單快拍數據。2、採用最大後驗概率準則來估計分辨相干源，無需對水體或地層中強相干信號源作解相干處理，抗相干幹擾能力強。3、可將相同距離返回的信號劃分為足夠多的方位柵格的源信號之和，利用代價函數和約束方程進行迭代收斂保證各掃描各方位上源信號最優波形估計，處理可靠性較強，性能穩定。
文檔編號G01S15/89GK102176008SQ201010619550
公開日2011年9月7日 申請日期2010年12月22日 優先權日2010年12月22日
發明者叢衛華, 傅翔毅, 張衛華, 張峰山, 朱必波, 蔣飈, 鄭樂一 申請人:中國船舶重工集團公司第七一五研究所