一種分塊合成孔徑聲納圖像處理方法與流程

2023-05-24 08:27:26

本發明屬於合成孔徑聲納圖像處理領域，特別是涉及一種分塊合成孔徑聲納圖像處理方法。

背景技術：

合成孔徑聲納(sas)是一種高解析度成像聲納，它具有成像解析度與成像距離和工作頻率無關的優點，可以大幅度提高水下小目標探測能力。

合成孔徑聲納高解析度成像的前提是要求載體滿足勻速直線運動這一條件，勻速直線運動是保證平臺運動穩定性的前提條件，雖然可以通過優化載體設計來提高平臺運動的穩定性，但是仍然不可能達到理想的勻速直線運動狀態。此外，為了提高合成孔徑聲納成像效率，通常採用逐線算法進行成像，不可避免需要進行原始數據分塊處理，進而帶來了相鄰數據塊的拼接問題。在合成孔徑成像過程中，為提高成像解析度，需要使用與當前數據塊相匹配的載體速度，而速度變化導致了成像結果方位向大小變化，不能採用固定截取方法。因此，如何在保持高精度成像的同時，實現相鄰數據塊的無縫拼接是一個技術難題。

技術實現要素：

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種合成孔徑聲納圖像處理方法，能夠解決合成孔徑聲納解析度成像過程中相鄰數據塊間的無縫拼接問題。

為實現上述目的，按照本發明，提供一種分塊合成孔徑聲納圖像處理方法，其特徵在於，該方法主要包括如下步驟：

分配原始數據存儲空間和傳感器數據存儲空間；所述原始數據存儲空間分配根據設定的單塊數據合成孔徑長度個數、最大採樣距離和脈衝重複間隔，所述傳感器數據分配依據獲得單塊聲納數據時間長度和傳感器數據採集頻率；

原始聲納數據和傳感器數據採集，並執行信號處理，其中所述信號處理的步驟包括：

檢測接收的脈衝數據個數，當前接收的聲納脈衝個數等於單塊數據脈衝個數，將上述接收的數據塊拷貝至待處理數據緩衝區，並修改數據標識，同時將最後一個合成孔徑長度數據搬移到下一個接收的數據塊的最前面，並修改已接收脈衝個數為一個合成孔徑長度脈衝個數；

同時從傳感器數據緩衝區中截取與當前接收的數據塊相對應的傳感器數據；

通過檢測所述數據標識發現新接收的數據塊，若發現新數據塊，首先依據傳感器數據計算出當前接收的數據塊的平均速度；

根據所述當前平均速度和脈衝間隔計算有效子陣個數，進行有效數據截取，將多子陣信號轉換為單子陣信號；

調用單子陣合成孔徑成像算法對所述單子陣信號進行合成孔徑成像，並對成像結果在距離向和方位向進行截取；所述距離向的截取為在最遠處截取一個脈衝寬度數據；所述方位向的截取為依據當前成像所用速度，在首部和尾部各截取半個合成孔徑長度數據；

將截取後的成像結果求其幅度作為最終的合成孔徑成像結果，並且將上述結果進行合成孔徑聲納圖像的顯示。

進一步地，所述單塊數據脈衝個數的計算方法為：計算合成孔徑長度其中d表示子陣長度、λ表示波長、rmax表示最大測繪距離，根據計算出單個合成孔徑長度包含的脈衝個數npluse，pri表示脈衝重複頻率、v表示設定的載體平臺運動速度，單塊原始數據包含的脈衝個數為n*npluse，這裡n表示設定的單塊數據包含的合成孔徑個數。

進一步地，所述傳感器數據空間長度為其中fsmax表示多類型傳感器中的最大傳感器數據採集頻率。

進一步地，所述載體平均速度的計算採用如下兩種方法執行計算：第一種方法為s表示當前數據塊所對應時間段內載體運動距離，t表示當前數據塊採集總時間；第二種方法為vi表示前數據塊採集時間段內，速度傳感器給出的瞬時速度，n表示採集的傳感器數據個數。

進一步地，所述有效子陣個數m1的計算方法為：pri*vc＝m1*d/2。

進一步地，所述原始聲納數據的截取方式為：

距離向截取：距離向上在最遠距離截取ceil(fr·tp)點，其中fr表示採樣頻率，tp表示脈衝寬度；

方位向截取：方位向上首尾各截取npluse/2*m1行數據，npluse表示相鄰數據塊重疊的脈衝個數，m1表示當前數據塊處理時所使用的有效子陣個數。

總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，具有以下有益效果：

(1)本發明中單塊原始數據進行合成孔徑成像時，使用當前數據塊獲取時間段內載體的平均速度，該參數的使用使得當前數據塊成像質量更高。

(2)本發明中所採用的距離向和方位向的截取，該步驟的執行，使得不同成像數據塊的拼接處理更加簡單方便，並且可實現相鄰數據塊的無縫拼接。

本發明提供了一種速度可變條件下的分塊合成孔徑聲納圖像無縫拼接方法，有效解決了高解析度合成孔徑成像與相鄰數據塊之間的無縫拼接問題，可極大提高小目標的識別能力。

附圖說明

圖1為按照本發明實現的分塊合成孔徑聲納圖像處理方法的流程示意圖；

圖2為按照本發明實現的分塊合成孔徑聲納圖像處理過程中的有效子陣數據截取示意圖；

圖3為按照本發明實現的分塊合成孔徑聲納圖像處理過程中的合成孔徑成像結果有效數據截取示意圖；

圖4為按照本發明實現的分塊合成孔徑聲納圖像處理過程中的相鄰數據塊無縫拼接示意圖。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特徵只要彼此之間未構成衝突就可以相互組合。

涉及到一種有效的合成孔徑聲納圖像處理與拼接方法。為了實現以上目的，本發明採用如下方案：

(1)分配原始數據存儲空間和傳感器數據存儲空間。原始數據存儲空間分配根據設定的單塊數據合成孔徑長度個數、最大採樣距離和脈衝重複間隔，傳感器數據分配根據獲得單塊聲納數據時間長度和傳感器數據採集頻率。

(2)原始聲納數據和傳感器數據獲取。信號處理接收端不斷接收採集到的原始聲納數據和傳感器數據，各自按照循環隊列方式存儲接收的原始數據。

(3)開始進行信號處理。在接收原始聲納數據的同時，接收端不斷記錄接收的脈衝數據個數。如果當前接收的聲納脈衝數據個數等於單塊數據脈衝個數，將當前數據塊數據拷貝至待處理數據緩衝區，並修改新數據標識，同時將最後一個合成孔徑長度數據搬移到下一個數據塊的最前面，並修改已接收脈衝個數為一個合成孔徑長度脈衝個數。在這個過程中從傳感器數據緩衝區中截取與當前數據塊相對應的傳感器數據，用於後續處理。

(4)合成孔徑成像處理線程不斷檢測數據塊標識，如果發現新數據塊，首先根據傳感器數據計算出當前數據塊的平均速度。合成孔徑成像預處理步驟根據當前速度和脈衝重複間隔計算有效子陣個數，然後進行有效數據截取，並將多子陣信號轉換為單子陣信號。

(5)調用單子陣合成孔徑成像算法對單塊數據進行合成孔徑成像，並對成像結果在距離向和方位向進行截取。距離向上，在最遠處截取一個脈衝寬度數據，方位向上根據當前成像所用速度，在首部和尾部各截取半個合成孔徑長度數據。

將截取後的成像結果求其幅度作為最終的合成孔徑成像結果，並根據設定的調色板信息生成彩色圖像，按照採集先後順序依次送入圖像顯示模塊，實現合成孔徑聲納圖像的瀑布式顯示。

本發明的流程如附圖1所示，下面結合附圖和具體實施方式對本發明做進一步的詳細說明，

(1)計算單塊數據所包含的脈衝個數。首先根據系統設定工作參數計算合成孔徑長度其中d表示子陣長度、λ表示波長、rmax表示最大測繪距離。然後根據計算出單個合成孔徑長度包含的脈衝個數npluse，pri表示脈衝重複頻率、v表示設定的載體平臺運動速度。單塊原始數據包含的脈衝個數為n*npluse，這裡n表示設定的單塊數據包含的合成孔徑個數。

(2)根據單塊數據包含的脈衝個數分配原始聲納數據存儲空間和傳感器數據存儲空間。傳感器數據空間長度為其中fsmax表示多種傳感器中最大傳感器數據採集頻率。

(3)完成單塊原始聲納數據採集後，根據這一段時間內對應的傳感器數據進行載體平均速度vc計算，載體平均速度所述載體平均速度採用如下兩種方法進行計算：第一種方法為s表示當前數據塊所對應時間段內載體運動距離，t表示當前數據塊採集總時間；第二種方法為vi表示前數據塊採集時間段內，速度傳感器給出的瞬時速度，n表示採集的傳感器數據個數。然後根據pri*vc＝m1*d/2計算出用於合成孔徑成像的有效子陣個數m1，並對原始聲納數據進行截取，其中如圖2所示，每個脈衝截取前1到m1個子陣數據，然後按照脈衝數據採集順序進行重新拼接。使得單塊原始聲納數據方位向大小由n*npluse*nr變為n*npluse*m1，其中nr表示總接收子陣個數，聲基陣設計時已確定。

(4)將截取後的多子陣回波信號轉換為單子陣回波信號，調用合成孔徑成像算法(如逐點成像算法、距離都卜勒成像算法或線頻調變標成像算法)完成單塊數據的合成孔徑成像，成像過程中速度採用獲取當前數據塊的載體平均速度vc。

(5)對原始成像結果在距離向上和方位向上進行截取，距離向上從最遠採樣點向前(即按照採樣時間最晚的點)截取ceil(fr·tp)點，其中fr表示採樣頻率，tp表示脈衝寬度，方位向上首尾各截取npluse/2*m1行數據，這裡npluse表示相鄰數據塊重疊的脈衝個數，m1表示當前數據塊處理時所使用的有效子陣個數。單塊數據合成孔徑成像結果在距離向和方位向上截取後如圖3所示，圖中陰影部分即為有效成像區域。

(6)將原始合成孔徑聲納成像結果由複數形式通過取模轉換為實數形式，並根據設定調色板生成對應的彩色圖像，送入圖像顯示模塊按照順序進行顯示。圖4為不同成像數據塊截取後的拼接示意圖，顯示過程中，下一塊數據第一行直接緊鄰在上一塊數據末尾一行。

本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。