專利名稱：一種合成孔徑延時(shí)相加成像方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及合成孔徑聲納領(lǐng)域，更具體地說，涉及一種合成孔徑延時(shí)相加成像方法。
背景技術(shù)：
在合成孔徑聲納領(lǐng)域，延時(shí)相加成像算法是一種理論最優(yōu)算法。延時(shí)相加算法是對(duì)圖像上的每個(gè)點(diǎn)進(jìn)行單獨(dú)成像，通過計(jì)算每個(gè)成像點(diǎn)到接收陣元之間的距離，找到在回波信號(hào)中的對(duì)應(yīng)延時(shí)位置，將接收信號(hào)對(duì)應(yīng)位置的值疊加到成像點(diǎn)上。因此，延時(shí)相加算法是一種點(diǎn)到點(diǎn)的逐點(diǎn)算法，具有成像精確，原理模型簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)。
對(duì)回波信號(hào)作延時(shí)相加成像的處理步驟為1)對(duì)當(dāng)前方位回波信號(hào)作預(yù)處理，包括FIR預(yù)濾波，距離向脈沖壓縮，得到脈沖壓縮信號(hào)。
2)對(duì)當(dāng)前方位的成像區(qū)域內(nèi)每一個(gè)成像點(diǎn)進(jìn)行如下操作a)根據(jù)成像點(diǎn)與陣元的坐標(biāo)計(jì)算兩者之間的距離r；b)根據(jù)距離r計(jì)算對(duì)應(yīng)的延時(shí)值t；c)計(jì)算延時(shí)值在接收信號(hào)中對(duì)應(yīng)的信號(hào)位置n；d)將接收信號(hào)中第n點(diǎn)的信號(hào)值疊加到成像點(diǎn)上；如圖1所示，接收陣元1位于某一方位上時(shí)，其成像區(qū)域?yàn)閳D1中用陰影表示的區(qū)域2。
3)對(duì)下一個(gè)方位回波信號(hào)重復(fù)以上操作，直到處理完所有的方位回波信號(hào)，最后將成像結(jié)果輸出得到最后的合成孔徑聲納圖像。
從以上處理步驟可以看出，延時(shí)相加算法的運(yùn)算量絕大部分集中在步驟2)中，每次延時(shí)相加操作的計(jì)算量大概為90次浮點(diǎn)運(yùn)算。計(jì)算每個(gè)成像點(diǎn)到對(duì)應(yīng)陣元的距離、然后轉(zhuǎn)化成在脈沖數(shù)據(jù)中的對(duì)應(yīng)下標(biāo)位置，幾乎占了成像運(yùn)算的全部運(yùn)算量。如圖1中，當(dāng)成像區(qū)域大小為M×N、接收陣元的數(shù)目為K時(shí)，其成像運(yùn)算量為W＝90K·M·N。在實(shí)時(shí)處理中，這個(gè)運(yùn)算量總是顯得過于巨大，不能滿足實(shí)時(shí)成像的需要。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)和不足，提供一種運(yùn)算量小、可滿足實(shí)時(shí)合成孔徑聲納系統(tǒng)成像需要的合成孔徑延時(shí)相加成像方法。
本發(fā)明人經(jīng)過仔細(xì)分析，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的延時(shí)相加成像方法對(duì)不同方位對(duì)應(yīng)的不同成像區(qū)域的回波進(jìn)行處理時(shí)都計(jì)算重復(fù)的延時(shí)。如圖2(a)所示，接收陣元1隨著聲納平臺(tái)沿箭頭3所示的方位方向運(yùn)動(dòng)，陣元1的方位位置不斷變化，其對(duì)應(yīng)的成像區(qū)域也不一樣，但是成像區(qū)域的大小都保持不變，只是隨著陣元T的移動(dòng)而沿箭頭1所示的方位方向平移，而且成像區(qū)域和陣元1的相對(duì)位置關(guān)系也基本上是一樣的。這在圖2(b)中看得更清楚，圖2(a)中不斷平移的成像區(qū)域的大小與圖2(b)中的成像區(qū)域2相同，且接收陣元1與成像區(qū)域2的相對(duì)位置關(guān)系保持基本穩(wěn)定。如果根據(jù)圖2(b)所示的位置關(guān)系，計(jì)算出成像區(qū)域2每個(gè)成像點(diǎn)到陣元的延時(shí)值，將其作為標(biāo)準(zhǔn)的延時(shí)表。每次成像，各成像區(qū)域中的各成像點(diǎn)的延時(shí)值可以從標(biāo)準(zhǔn)延時(shí)表中的對(duì)應(yīng)位置取出，無需重新計(jì)算，這樣可以大大減少運(yùn)算量。這就是本發(fā)明的提供的合成孔徑延時(shí)相加成像方法的基本發(fā)明構(gòu)思。
根據(jù)上述發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明提供一種合成孔徑延時(shí)相加成像方法，包括一計(jì)算成像區(qū)域內(nèi)的成像點(diǎn)到陣元的延時(shí)值步驟，所述成像區(qū)域內(nèi)的成像點(diǎn)到陣元的延時(shí)值從預(yù)先提供的延時(shí)表中提取，所述延時(shí)表描述了成像區(qū)域內(nèi)的各個(gè)成像點(diǎn)相對(duì)于陣元的延時(shí)值。
進(jìn)一步的，成像區(qū)域是離散的，如圖2(b)所示，成像區(qū)域2是由離散的成像單元“格子”4組成。當(dāng)陣元1處于成像區(qū)域2的方位中心對(duì)稱位置時(shí)(即位于成像區(qū)域的方位對(duì)稱軸5上)，以此位置關(guān)系生成的延時(shí)表稱為標(biāo)準(zhǔn)延時(shí)表。事實(shí)上，由于成像區(qū)域2的離散性，陣元1并不一定處于成像區(qū)域2的方位中心對(duì)稱位置，而是稍微偏離該方位中心對(duì)稱位置，此時(shí)，該陣元對(duì)應(yīng)的成像區(qū)域與其處在方位中心對(duì)稱位置時(shí)對(duì)應(yīng)的成像區(qū)域是相同的，如果此時(shí)仍然用標(biāo)準(zhǔn)延時(shí)表來提取成像點(diǎn)的延時(shí)值，就會(huì)產(chǎn)生誤差。如圖3所示，當(dāng)陣元1位于c0、c1、c2三個(gè)位置時(shí)，對(duì)應(yīng)的成像區(qū)域2是完全一樣的。但只有c0處于成像區(qū)域的方位對(duì)稱中心位置，c1，c2并不在方位對(duì)稱中心位置。如果陣元1位于c0，直接將標(biāo)準(zhǔn)延時(shí)表中的延時(shí)值作為對(duì)應(yīng)點(diǎn)的延時(shí)值是完全準(zhǔn)確的，沒有任何誤差。如果相位中心位于c1，c2，標(biāo)準(zhǔn)延時(shí)表中的延時(shí)值和實(shí)際的延時(shí)值并不完全一致，就會(huì)產(chǎn)生一定的誤差。一般來說，當(dāng)合成孔徑聲納的方位成像精度為dx時(shí)，圖3所示的陣元1對(duì)應(yīng)的成像區(qū)域2中的成像單元格子4的寬度即為dx，陣元1在距離其中心對(duì)稱位置左右各dx/2范圍內(nèi)的偏移均對(duì)應(yīng)相同的成像區(qū)域。因此為了減少誤差，可為陣元1在距離其中心對(duì)稱位置左右各dx/2范圍內(nèi)的多個(gè)位置分別提供延時(shí)表，以便在計(jì)算延時(shí)時(shí)選擇一與陣元1的實(shí)際位置最接近的延時(shí)表。
相應(yīng)于上述描述，作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，在本發(fā)明的合成孔徑延時(shí)相加成像方法中還包括設(shè)定多個(gè)陣元參考位置，當(dāng)陣元位于所述多個(gè)參考位置時(shí)具有相同的成像區(qū)域；為每個(gè)陣元參考位置提供一個(gè)延時(shí)表，該延時(shí)表描述了陣元處于該參考位置時(shí)成像區(qū)域內(nèi)的各個(gè)成像點(diǎn)相對(duì)于陣元的延時(shí)值。
所述多個(gè)陣元參考位置的分布使得陣元的實(shí)際位置與至少一個(gè)陣元參考位置之間的間距小于或者等于一最大距離誤差，以滿足成像的誤差要求。所述多個(gè)陣元參考位置優(yōu)選等間距分布。所述成像區(qū)域具有一方位對(duì)稱軸，所述成像區(qū)域關(guān)于該方位對(duì)稱軸對(duì)稱，所述多個(gè)陣元參考位置優(yōu)選關(guān)于方位對(duì)稱軸對(duì)稱分布。
本發(fā)明的合成孔徑延時(shí)相加成像方法還包括從多個(gè)延時(shí)表中選擇一延時(shí)表的步驟，并從所選擇的延時(shí)表中提取成像區(qū)域內(nèi)的成像點(diǎn)到陣元的延時(shí)值；所選擇的延時(shí)表對(duì)應(yīng)的陣元參考位置與陣元的實(shí)際方位位置最接近。
本發(fā)明通過延時(shí)表來獲得成像區(qū)域各成像點(diǎn)對(duì)于陣元的延時(shí)值，與直接延時(shí)相加算法相比，不用對(duì)每個(gè)成像點(diǎn)都重復(fù)計(jì)算延時(shí)值，運(yùn)算量要小很多，可以滿足實(shí)時(shí)成像的需要。由于從延時(shí)表中提取延時(shí)值進(jìn)行成像的運(yùn)算量約為5次浮點(diǎn)運(yùn)算，在成像區(qū)域大小為M×N，接收陣元的數(shù)目為K的情況下，其成像運(yùn)算量為W＝5K·M·N，僅為直接延時(shí)相加算法運(yùn)算量的1/18。
圖1是合成孔徑延時(shí)相加成像過程的成像區(qū)域示意圖；圖2(a)是合成孔徑延時(shí)相加成像過程中移動(dòng)的成像區(qū)域示意圖；圖2(b)是從圖2(a)中分離出的成像區(qū)域示意圖；圖3是處于不同位置的陣元具有相同成像區(qū)域的原理示意圖；圖4是本發(fā)明的合成孔徑延時(shí)相加成像方法一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的流程圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
以一個(gè)示例性的合成孔徑聲納為例，該合成孔徑聲納的相關(guān)系統(tǒng)參數(shù)為發(fā)射信號(hào)中心頻率為f0＝20kHz，波長(zhǎng)λ＝75mm，采樣頻率fs＝160kHz，陣元尺寸D＝0.16m，波束角α＝0.8rad，最小成像距離Rmin＝120m，最大成像距離Rmax＝400m，信號(hào)在水中的速度為C＝1500m/s，方位成像精度dx＝D/2＝0.08m，距離成像精度dy＝D/2＝0.08m。
用上述示例性的合成孔徑聲納系統(tǒng)采集目標(biāo)信號(hào)，聲納沿著方位移動(dòng)(圖2(a)中的箭頭3所示方向)，以固定的頻率發(fā)射信號(hào)，并接收反射回來的信號(hào)。利用本發(fā)明的方法對(duì)實(shí)時(shí)采集的信號(hào)進(jìn)行成像處理。
下面結(jié)合圖4的流程圖詳細(xì)描述本發(fā)明。
在步驟101中，確定陣元參考位置的數(shù)目和分布，其中參考位置的數(shù)目也就是延時(shí)表的數(shù)目。為了保證誤差要求，需要計(jì)算陣元的實(shí)際位置與陣元參考位置的最大距離。根據(jù)理論計(jì)算，得到當(dāng)允許的最大距離誤差為rerr時(shí)，陣元的實(shí)際位置與陣元參考位置的最大距離dMAX關(guān)系為rerr=2dMAX×tanα2.]]>即，陣元的實(shí)際位置與陣元參考位置的距離d≤dMAX=rerr/(2tanα2).]]>由此可知，當(dāng)相鄰兩個(gè)陣元參考位置之間的距離D≤2dMAX=rerr/tanα2,]]>不論陣元的實(shí)際位置在哪兒，都會(huì)有一個(gè)陣元參考位置與其的距離d滿足d≤dMAX。作為一種優(yōu)選的實(shí)施方式，多個(gè)陣元參考位置彼此等間隔分布，其間距D=rerr/tanα2,]]>可見該參考陣元位置之間的間距D與實(shí)際允許的最大距離誤差rerr相關(guān)。
這些陣元參考位置應(yīng)該分布在距離成像區(qū)域的方位對(duì)稱軸(圖3中的軸5)左右各dx/2范圍內(nèi)的偏移范圍內(nèi)，這樣當(dāng)陣元處于這些參考位置時(shí)對(duì)應(yīng)相同的成像區(qū)域。在上述優(yōu)選實(shí)施方式中，當(dāng)陣元參考位置以等間隔方式分布時(shí)，那么陣元參考位置的數(shù)目應(yīng)該為N=dxD=tanα2×dxrerr.]]>一般來說，只有距離誤差小于或等于λ/16時(shí)，才不會(huì)對(duì)成像質(zhì)量有影響。即，當(dāng)要求最大允許距離誤差rerr＝λ/16時(shí)，在上述優(yōu)選實(shí)施方式中，D=λ/(16tanα2).]]>相應(yīng)的，多個(gè)陣元參考位置的數(shù)目N=dxD=16tanα2×dxλ.]]>得到陣元參考位置的數(shù)目及其間距后，即可將這些陣元參考位置對(duì)稱地布置在成像區(qū)域的方位對(duì)稱軸的兩側(cè)。此時(shí)，各陣元參考位置與方位對(duì)稱軸的距離分別為ci=-dx2+dx2N+dxNi,]]>其中i＝0，1，...，N-1。
以前述示例性的聲納系統(tǒng)中的各參數(shù)為例，當(dāng)最大允許距離誤差rerr＝λ/16，計(jì)算得到陣元參考位置的數(shù)目N＝7，且這七個(gè)陣元參考位置距離方位對(duì)稱軸分別為c0＝-0.0343，c1＝-0.0229，c2＝-0.0114，c3＝0.0000，c4＝0.0114，c5＝0.0229，c6＝0.0343。
在步驟102中，為每一個(gè)陣元參考位置都分別建立延時(shí)表。該延時(shí)表中描述了當(dāng)陣元處于該陣元參考位置時(shí)，成像區(qū)域中的各個(gè)成像點(diǎn)相對(duì)于陣元的延時(shí)值。在前述的七個(gè)陣元參考位置的實(shí)施例中，共需要提供七個(gè)延時(shí)表，每一個(gè)延時(shí)表對(duì)應(yīng)一個(gè)陣元參考位置。
在步驟103中，根據(jù)當(dāng)前接收信號(hào)對(duì)應(yīng)的陣元實(shí)際方位位置選擇與其最近的一個(gè)陣元參考位置的延時(shí)表作為當(dāng)前延時(shí)表。例如在前述實(shí)施例中，如果當(dāng)前陣元的相對(duì)于方位對(duì)稱軸的位置為0.0118時(shí)，與其最近的陣元參考位置為c4＝0.0114，則選擇該陣元參考位置對(duì)應(yīng)的延時(shí)表作為當(dāng)前延時(shí)表。
在步驟104中，從選擇的當(dāng)前延時(shí)表中提取成像區(qū)域中的各成像點(diǎn)對(duì)于陣元的延時(shí)值，對(duì)當(dāng)前回波信號(hào)進(jìn)行成像操作。
權(quán)利要求
1.一種合成孔徑延時(shí)相加成像方法，包括一計(jì)算成像區(qū)域內(nèi)的成像點(diǎn)到陣元的延時(shí)值步驟，其特征在于，所述成像區(qū)域內(nèi)的成像點(diǎn)到陣元的延時(shí)值從預(yù)先提供的延時(shí)表中提取，所述延時(shí)表描述了成像區(qū)域內(nèi)的各個(gè)成像點(diǎn)相對(duì)于陣元的延時(shí)值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的合成孔徑延時(shí)相加成像方法，其特征在于，還包括設(shè)定多個(gè)陣元參考位置，當(dāng)陣元位于所述多個(gè)參考位置時(shí)具有相同的成像區(qū)域；為每個(gè)陣元參考位置提供一個(gè)延時(shí)表，該延時(shí)表描述了陣元處于該參考位置時(shí)成像區(qū)域內(nèi)的各個(gè)成像點(diǎn)相對(duì)于陣元的延時(shí)值。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的合成孔徑延時(shí)相加成像方法，其特征在于，所述多個(gè)陣元參考位置的分布使得陣元的實(shí)際位置與至少一個(gè)陣元參考位置之間的間距小于或者等于一最大距離誤差。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的合成孔徑延時(shí)相加成像方法，其特征在于，所述多個(gè)陣元參考位置等間距分布。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的合成孔徑延時(shí)相加成像方法，其特征在于，所述成像區(qū)域具有一方位對(duì)稱軸，所述成像區(qū)域關(guān)于該方位對(duì)稱軸對(duì)稱，所述多個(gè)陣元參考位置關(guān)于方位對(duì)稱軸對(duì)稱分布。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的合成孔徑延時(shí)相加成像方法，其特征在于，所述成像區(qū)域具有一方位對(duì)稱軸，所述成像區(qū)域關(guān)于該方位對(duì)稱軸對(duì)稱，所述多個(gè)陣元參考位置關(guān)于方位對(duì)稱軸對(duì)稱分布。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的合成孔徑延時(shí)相加成像方法，其特征在于，還包括從多個(gè)延時(shí)表中選擇一延時(shí)表的步驟，并從所選擇的延時(shí)表中提取成像區(qū)域內(nèi)的成像點(diǎn)到陣元的延時(shí)值；所選擇的延時(shí)表對(duì)應(yīng)的陣元參考位置與陣元的實(shí)際方位位置最接近。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種合成孔徑延時(shí)相加成像方法，包括一計(jì)算成像區(qū)域內(nèi)的成像點(diǎn)到陣元的延時(shí)值步驟，成像區(qū)域內(nèi)的成像點(diǎn)到陣元的延時(shí)值從預(yù)先提供的延時(shí)表中提取，延時(shí)表描述了成像區(qū)域內(nèi)的各個(gè)成像點(diǎn)相對(duì)于陣元的延時(shí)值。本發(fā)明通過延時(shí)表來獲得成像區(qū)域各成像點(diǎn)對(duì)于陣元的延時(shí)值，與直接延時(shí)相加算法相比，不用對(duì)每個(gè)成像點(diǎn)都重復(fù)計(jì)算延時(shí)值，運(yùn)算量要小很多，可以滿足實(shí)時(shí)成像的需要。
文檔編號(hào)G01S13/90GK1637433SQ20041006905
公開日2005年7月13日 申請(qǐng)日期2004年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月30日
發(fā)明者劉奇勇, 劉紀(jì)元, 張春華 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所