一种基于PFA的多子阵聚束合成孔径声呐成像方法_姚永红.pdf

第 41 卷第 6 期2022 年 12 月Vol.41,No.6Dec.,2022声学技术Technical Acoustics一种基于PFA的多子阵聚束合成孔径声呐成像方法姚永红1，张 旭2(1.无锡职业技术学院，江苏无锡 214121；2.中国科学院声学研究所东海研究站，上海 201815)摘要：文章提出了一种基于极坐标格式算法(Polar Format Algorithm,PFA)进行聚束多子阵合成孔径声呐成像的改进方法，建立了非“停-走-停”条件下的斜视成像模型，推导了信号由时域到波数域的解析表达式，给出了信号处理流程。该方法首先使用场景中心点的精确距离史对平台运动误差进行补偿，并通过极坐标算法处理得到粗聚焦的图像。其次，为了解决非场景中心点的残余空变相位误差的补偿问题，对粗聚焦图像进行分块自聚焦处理，使场景边缘点的聚焦效果得到改善。最后，经过子图拼接及几何校正后得到完整的精聚焦图像。仿真及分析结果表明，该方法提高了方位向性能指标，同时也能准确补偿平台运动误差，可以很好地应用于多子阵声呐成像。该方法在大运动误差、大斜视情况下仍具有较好的鲁棒性。关键词：极坐标格式算法(PFA)；多子阵；聚束；合成孔径声呐；成像方法中图分类号：TB566 文献标志码：A 文章编号：1000-3630(2022)-06-0923-06A PFA based imaging method for multiple receiver spotlight synthetic aperture sonarYAO Yonghong1,ZHANG Xu2(1.Wuxi Institute of Technology,Wuxi,Jiangsu 214122,Jiangsu,China;2.Shanghai Acoustics Laboratory,Chinese Academy of Sciences,Shanghai 201815,China)Abstract:In this paper,an improved imaging method for multiple receiver spotlight synthetic aperture sonar(SAS)based on the polar format algorithm(PFA)is proposed,a squint imaging model under the condition of non-stop-start-stop is established,the analytical expression of the signal converted from the time domain to the wavenumber domain is derived,and the flow chart of signal processing is given.Firstly,the accurate round-trip range history of the scene center is used to compensate the platform motion error,and the coarse-focused image is obtained by PFA processing.Secondly,in order to compensate the residual phase error,the block-wise autofocus is performed in the image domain,which improves the imaging accuracy of edge points.Finally,a full fine focusing image can be obtained after sub-image mosaic and geometric correction.The simulation results show that the proposed method can improve the azimuth imaging performance effectively and compensate platform motion error accurately.The proposed method can work well for multiple receiver SAS data,even though the data has large motion error and big squint angle.Key words:polar format algorithm(PFA);multiple receiver;synthetic aperture sonar(SAS);spotlight;imaging method0引 言聚束式合成孔径声呐(Synthetic Aperture Sonar,SAS)系统在孔径合成期间，通过机械转动或者电子相控方式控制波束始终指向成像区域，可以获得比条带式SAS更长的合成孔径时间，从而能够得到更高的方位分辨率1。聚束模式在水下小目标探测、识别上具有较大的优势2-3。不同于合成孔径雷达，SAS通过多子阵4-5方法来解决探测距离和方位向同时获得高分辨率之间的矛盾，进而提高测绘效率。另外，由于水声信号的传播较电磁信号需要更长的时间，使得“停-走-停”的近似在声呐成像中不再有效。多子阵结构及非“停-走-停”传播几何增加了成像算法的复杂性，需对传统的单基算法加以适应性改进，才能将其应用于SAS成像。目前SAS成引用格式：姚永红,张旭.一种基于 PFA 的多子阵聚束合成孔径声呐成像方法J.声学技术,2022,41(6):923-928.YAO Yonghong,ZHANG Xu.A PFA based imaging method for multiple receiver spotlight synthetic aperture sonarJ.Technical Acoustics,2022,41(6):923-928.DOI:10.16300/ki.1000-3630.2022.06.019收稿日期:2021-06-30;修回日期:2021-08-25作者简介:姚永红(1984)，男，湖南邵阳人，高级工程师，研究方向为合成孔径声呐、雷达的成像及信号处理。通信作者:姚永红，E-mail:2022 年声学技术像的研究主要集中在正、侧视条带模式，斜视和聚束SAS成像也逐渐引起研究者的关注6。文献7提出了一种基于级数反演方法的中等斜视多子阵SAS距离多普勒成像算法；文献8提出了一种适用于高分辨率聚束SAS模型的调频尺度变标算法，但文中未涉及多子阵、非“停-走-停”及运动补偿的研究。因此，研究适用于大斜视、易与运动补偿相结合的多子阵聚束SAS成像方法对聚束SAS的发展及应用具有重要意义。极坐标格式算法(Polar Format Algorithm,PFA)是一种经典的聚束成像算法9-10，因其具有流程简单、高效和易于补偿平台的非共面运动等优点，一直被应用于聚束式合成孔径雷达领域。本文根据非“停-走-停”条件下多子阵合成孔径声呐的成像特点11，对PFA算法做适应性改进，提出了一种多子阵聚束式合成孔径声呐成像新方法。该方法在完成对场景中心点的精确距离史补偿的同时，完成了对平台非理想运动的补偿，并针对场景中非中心点残余的空变相位误差，采用图像分块自聚焦技术对其进行补偿。通过精确距离史运动补偿与图像域分块自聚焦的结合，使PFA算法能够有效地补偿等效相位中心假设带来的系统误差，从而能够很好地适用于多子阵聚束SAS成像。1回波信号模型多子阵SAS聚束模式数据采集几何模型如图1所示，场景中心点o定义为坐标原点，沿航迹方向定义为x方向。不失一般性，设声呐工作在斜视模式，斜视角为s，正侧视情况下s=90。假设载体沿着理想航迹以速度v匀速直线航行，u表示某个脉冲发射时刻发射换能器在方位向的坐标位置，di表示发射基元与第i个接收基元的间距。多子阵SAS等效相位中心的瞬时坐标为(xa,ya,za)，H为航迹与场景的高度差，Rref为作用距离，即孔径中心与场景中心的距离。和分别为相位中心的瞬时方位角与俯仰角，在孔径中心时刻分别为0与0。场景中有一点目标 P，其位置矢量为rt=(xt,yt,0)。Ra和Rt分别为相位中心到场景中心及目标的瞬时距离矢量，瞬时距离值为Ra和Rt，用坐标表示为 Ra=xa2+ya2+za2Rt=(xa-xt)2+(ya-yt)2+za2(1)其中：等效相位中心的瞬时坐标在平台理想运动的情况下可表示为 xa=(u+u+di)/2ya=Rrefsin(s)2-H2za=H(2)声呐发射线性调频信号s()=rect(T)exp(jK2)exp(j2fc)(3)其中：是距离向时间，K是调频斜率，T是信号的脉宽，信号带宽B=KT，rect()为信号包络，定义为rect(T)=1,|T120,其他(4)对于单位反射系数点目标P，其通过接收解调后的回波可表示为s()t,=rect(tTa)rect -(2Rt+Rerr_P)cTexpjK -1c(2Rt+Rerr_P)2exp -j2fc1c()2Rt+Rerr_P(5)其中：c为声在水中的传播速度，t为方位向时间，Ta为方位合成孔径时间。Rerr_P为“非停-走-停”模型下脉冲发射到目标P、并经反射后回到接收阵元的传播时间t*内载体的相对运动带来的距离误差，表达式为Rerr_P=ct*-2Rt=ct*-2(xa-xt)2+(ya-yt)2+za2(6)式中：ct*为声信号在发射接收期间的双程传播路程，该路程等于目标与发射阵、接收阵的实际距离之和：图1 多子阵聚束SAS成像几何模型Fig.1 Imaging geometry of the multiple receiver spot SAS924第 6 期姚永红等：一种基于PFA的多子阵聚束合成孔径声呐成像方法ct*=H2+(ya-yt)2+(u-xt)2+H2+(ya-yt)2+(u+vt*+di-xt)2(7)式(7)是关于未知数t*的一元二次方程，解方程可得到t*表达式为t*=1c2-v2cH2+(ya-yt)2+(u-xt)2+v(u+di-xt)+1c2-v2cH2+(ya-yt)2+(u-xt)2+v(u+di-xt)2+(c2-v2)2(u-xt)di+di2(8)将式(8)代入式(6)可得Rerr_P的表达式，可以看出Rerr_P与目标位置有关，是一个空变的运动误差。2基于PFA的聚束SAS成像处理2.1算法原理利用驻定相位原理，对式(5)进行距离向的傅里叶变换可得到：s()t,f=rect(tTa)rect(fKT)exp(-jf2K)exp -j41c(fc+f)(Rt+12Rerr_P)(9)对距离频域回波数据进行匹配滤波，并通过运动补偿使场景中心点回波相位为零，即对式(9)乘以式(10)的参考函数：sref()t,f=exp(jf2K)exp j2(fc+f)1c(2Ra+Rerr_O)(10)Rerr_O为“非停-走-停”模型下脉冲的双程传播距离相对“停-走-停”模型下目标与等效相位中心间双程距离的差值，2Ra+Rerr_O为场景中心点的精确距离史，通过式(8)可得到场景中心点的精确时延史，与声速相乘即可得到精确距离史。式(10)中第二个指数项即PFA算法中的运动补偿项，当平台运动偏离理想轨迹时，通过惯性测量系统能实时记录平台的位置和姿态，根据测量数据可计算出发射阵及各接收阵的实际位置，从而可计算出场景中心点精确距离史，用于运动补偿。完成距离向匹配滤波和场景中心点运动补偿后，得到方位时域距离频域信号为sB()t,f=sB()t,fsref()t,f=rect(tTa)rect(fKT)expj41c(fc+f)Ra-Rt+12(Rerr_O-Rerr_P