水下小目标合成孔径声呐层析成像技术研究.pdf
《水下小目标合成孔径声呐层析成像技术研究.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《水下小目标合成孔径声呐层析成像技术研究.pdf(6页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第 42 卷第 4 期2023 年 8 月Vol.42,No.4Aug.,2023声学技术Technical Acoustics水下小目标合成孔径声呐层析成像技术研究陈敬军1,曾 赛2(1.海军装备部驻上海地区第七军事代表室,上海 201108;2.上海船舶电子设备研究所,上海 201108)摘要:水下小目标精细成像对于正确识别水下目标具有重要意义。目前,多波束成像声呐和条带合成孔径声呐是获取水下小目标图像的主要手段。水下目标的判别主要利用了目标图像的亮点特征,即使是同一目标从不同方位观测时得到的结果也可能差异较大,这给快速识别确认目标带来了困难。为解决该问题,提出了利用圆周合成孔径声呐对水下
2、小目标进行水声层析成像信号处理方法,提高了声呐的多角度融合观测能力。仿真及试验数据处理结果表明,合成孔径声呐层析成像方法能够获得目标外形轮廓精细特征,有利于水下小目标的正确识别。关键词:层析成像;合成孔径;目标识别中图分类号:TB566 文献标志码:A 文章编号:1000-3630(2023)-04-0440-06Research on synthetic aperture sonar tomographic imaging for small underwater targetsCHEN Jingjun1,ZENG Sai2(1.The Seventh Military Representa
3、tive Office of Naval Equipment Department in Shanghai,Shanghai 201108,China;2.Shanghai Marine electronic equipment research institute,Shanghai 201108,China)Abstract:Fine imaging of target is significant for the identification of underwater targets.At present,the multi-beam imaging sonar and strip sy
4、nthetic aperture sonar are the main methods to obtain images of small underwater targets.The target images are mainly characterized by highlight spots,and the results of observing the target from different directions are different,which brings difficulties to the identification and confirmation of t
5、argets.In order to solve this problem,a signal processing method using circular synthetic aperture sonar for underwater acoustic tomography of small underwater targets is proposed for improving the multi-angle fusion observation ability of sonar.The simulation and experimental data processing result
6、s show that the tomographic synthetic aperture sonar(SAR)imaging method can obtain the fine contour features of the target,which is conducive to the accurate identification of underwater small targets.Key words:tomography;synthetic aperture;object identification0引 言水雷是现代海战中舰艇面临的主要水下威胁之一,主要包括锚雷、沉底雷、掩
7、埋雷等类型。提高对水雷的探测识别能力一直是浅海或浅水环境下舰艇反水雷作战的重要需求之一。由于水介质对于电磁信号的吸收较强,使得声信号成为水雷目标探测的首选手段。目前,水雷探测识别依然面临许多挑战,存在许多技术难点。一方面,水雷具有目标尺度小、目标强度弱、目标散射声场空间指向不均匀性等特性,远距离小目标检测困难,需要解决在远距离上提高目标检测概率的问题。另一方面,水雷所处的水下环境干扰小目标多,即使同一目标从不同方位观测时得到的结果也可能差异较大,水雷容易与自然目标或民用目标混淆,提高水雷识别性能需要解决可疑威胁小目标的识别确认问题。提供更加精确的目标回波图像是显著提高图像探测声呐识别性能的重要
8、手段。图像声呐的分辨率是衡量图像声呐性能优劣的重要技术指标,一般分为距离分辨率和方位分辨率。距离分辨率是指声波传播方向的分辨率,方位分辨率是指垂直于声传播方向的分辨率。距离分辨率由信号的脉冲宽度或者带宽决定,可以通过增加信号的带宽来提高距离分辨率。方位分辨率与声呐基阵的大小有关,在实际工程应用中,利用增加基阵的大小来提高方位分辨率的方法受到了成本、安装空间等现实条件的制约。采用合成孔径的方法是提高声呐方位分辨率的一种可行方案,并已经在工程应用中得到检验。与引用格式:陈敬军,曾赛.水下小目标合成孔径声呐层析成像技术研究J.声学技术,2023,42(4):440-445.CHEN Jingjun,
9、ZENG Sai.Re-search on synthetic aperture sonar tomographic imaging for small underwater targetsJ.Technical Acoustics,2023,42(4):440-445.DOI:10.16300/ki.1000-3630.2023.04.005收稿日期:2023-05-31;修回日期:2023-07-25作者简介:陈敬军(1971),男,山东费县人,博士、高级工程师,研究方向为信号与信息处理、人工智能。通信作者:陈敬军,E-mail:cjj_第 4 期陈敬军等:水下小目标合成孔径声呐层析成像技
10、术研究单波束声呐、多波束声呐和侧扫声呐相比,合成孔径声呐在水下目标探测成像和识别方面具有显著的优势1。根据成像的原理,可以将合成孔径声呐分为条带合成孔径声呐和干涉合成孔径声呐,其中干涉合成声呐比条带合成孔径声呐多一条接收阵,其结构更为复杂。与多波束声呐和侧扫声呐类似,无论是条带合成孔径声呐还是干涉合成孔径声呐,其运动轨迹均为直线,对于水中观测场景中的待观察目标而言,直线轨迹决定了声呐波束只能在有限角度内观测到目标。从目标特性的角度分析,对于各向异性目标,不同方位的散射特性是不同的,有限的观测角带来了目标信息缺失的问题2,最终会影响图像声呐的探测识别性能的提高。层析(Tomography)成像技
11、术是一种波数谱分析方法,其本质是通过圆形测量孔径获得关于目标的全方位散射信息,然后基于全方位散射信息反演重建得到目标的外形轮廓(声学层析)或内部精细结构(医学层析)3,层析成像技术已经成功应用于多个领域4-7。利用层析手段获得的目标回波信号波数结构呈现“圆台”结构。圆台中空结构的大小与发射信号的带宽相关,当发射信号带宽较大时,圆台中空结构小,波数谱包含的信息量大8。“圆台”形的三维波数谱结构使得层析成像技术可以获得目标图像的高度向分辨率,有利于提高目标成像质量,提高目标识别概率9。将合成孔径体制与层析手段相结合,通过构造观测场景的全方位观察态势,能够克服各向异性目标不同方位散射特性各异的困难,
12、获得全方位散射信息,使得成像矩阵的可解性更强。从傅里叶成像的角度而言,层析合成孔径扩展了波束谱域的有效带宽,从而能够达到或者接近图像理论分辨率的极限,而且具备了三维成像能力9。本文研究了水下目标层析成像技术,首先系统分析了现有成像技术手段的技术特征,并与层析合成孔径技术手段进行了比较。其次,介绍了层析反演的基本原理,进行了层析成像的仿真,并通过水池试验和湖上试验验证了层析成像技术的可行性。1层析合成孔径声呐系统理论模型1.1层析合成孔径声呐分辨率模型本节通过与多波束声呐、条带合成孔径声呐比较,分析层析合成孔径声呐成像分辨率特性。多波束声呐采用实孔径成像,慢时间维(方位向)分辨率x和快时间维(距
13、离向)分辨率y分别为10 x=R0Day=c2B(1)式中:Da为声呐沿方位向的孔径,为发射信号中心频率对应的波长,R0为径向距离,c为水中声速,B为发射信号带宽。式(1)表明多波束声呐的快时间维分辨率y取决于主动发射信号的频率带宽,多波束声呐的慢时间维成像分辨率x随着距离的增大而变差。条带合成孔经声呐慢时间维分辨率x和快时间维分辨率y分别为 x=R02Lsay=c2B(2)式中:方位向分辨率公式分母中的2倍是由双程传播产生的。波束指向角可以近似为0/Da(3 dB角为0.886/Da),条带合成孔径的长度为Lsa=R00=R0/Da,将合成孔径长度代入式(2),则有x=Da/2。这说明条带合
14、成孔径声呐的快时间维分辨率取决于主动发射信号的频率带宽,慢时间维分辨率与发射阵物理孔径相关。若把合成孔径角sa2asin(12Lsa/R0)代入式(2),则有x=/4sin(12sa),这说明条带合成孔径声呐慢时间维分辨率由中心频率波长和视角确定。层析合成孔径声呐的几何模型如图1所示。以目标中心为圆心建立直角坐标系,图1中的O为观测目标,S为围绕目标做圆周运动的阵元,当垂直阵做圆周运动时,S阵元形成的观测平面z=H,Rs为观测平面的半径,参考点与S阵元之间的距离为R0。实际声呐系统需要考虑工作频率带宽的影响,现以位于中心点O的点目标为例分析给定带宽条件图1 层析合成孔径声呐系统成像几何模型Fi
15、g.1 Imaging geometry model of the tomography-synthetic aperture sonar system4412023 年声学技术下水声层析成像的分辨率。设主动发射采用宽带信号,中心频率为f0、带宽为B,则点目标的空间频率波数谱为 Q(kxky)=1kmink2x+k2ykmaxQ(kxky)=0k2x+k2ykmax或k2x+k2ykmin(3)对式(3)所示波数谱进行二维傅里叶变换并引入极坐标变换,即可以得到点目标的成像结果。由此可以得到层析合成孔径声呐成像系统点扩散函数:h(r)=12 2kmaxJ1(2kmaxr)r-2kminJ1(2k
16、minr)r(4)式中:最小波数kmin=2(f012B)/c,最大波数kmax=2(f0+12B)/c;J1(x)是第一阶贝塞尔特殊函数;r=(x2+y2)-1/2。由式(4)可知,h(r)仅是r的函数,与无关,这说明对于场景中心的点目标,其(Point Spread Function,PSF)是关于坐标轴圆周对称的,因此其慢时间维分辨率x和快时间维分辨率y相等。对式(4)进行简化可以得到:x=ykmax-kmin=c2B(5)式(5)为发射信号为宽带信号时层析合成孔径声呐的分辨率表达式。式(5)表明,水声层析成像系统的慢时间维分辨率与快时间维分辨率基本相当,慢时间维和快时间维分辨率由工作带
17、宽决定,与距离无关。当发射信号为单频窄带时,分辨率为y=/(2Kmaxsin),其中为波数圆锥角的一半,Kmax为单频信号波数。由此可以看出,发射信号为单频信号时,分辨率由频率决定,频率越大分辨率越高。条带合成孔径的慢时间维成像分辨率仅取决于声呐实孔径长度Da,还不能达到宽带发射条件下的快时间维成像分辨能力,因此层析合成孔径声呐的分辨率优于多波束声呐和条带合成孔径声呐。1.2层析成像理论层析合成孔径声呐成像是通过测量空间目标图像的波数谱或空间频率谱(与目标图像互为傅里叶变换对)数据实现成像的,其理论基础是空域傅里叶变换11-15。图2给出了水声层析成像原理的示意图。假设被测目标分布在两维平面内
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 水下 目标 合成 孔径 声呐 层析 成像 技术研究
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。