专利名称：一种三维地层成像的相控方位滤波方法
技术领域：
本发明属于小型潜器的方位高分辨力阵处理领域，主要是一种三维地层成像的相控方位滤波方法。
背景技术：
目前在国际上尚无成熟的海底地层的三维成像系统，本方案采用仿医用CT技术的海底地层声学三维成像方法实现掩埋雷探测识别。在三维成像机理方法上，通过高分辨阵处理实现对回波不同的水平方位高分辨力，通过脉冲压缩技术获得深度方向距离高分辨力，通过发射换能器每一次发射得到一个横断面地层的二维能量分布图，随着声呐平台向前运动，获得另一维走航方位上的合成孔径高分辨力，连续扫描即可获得地层地貌的三维探测成像。主要需要突破各维度成像分辨力的关键技术。这种小型潜器属于物理尺寸�。啥雀撸贫俣瓤斓闹鞫上低常谒椒轿晃硎保芪锢沓叽缦拗疲９娌ㄊ纬傻姆轿环直媪υ对恫还唬车腗VDR、MUSIC等高分辨算法是从信号协方差矩阵进行直接处理或者特征分解信号子空间后处理，在处理低信噪比，快拍数足够的不相干目标均有出色的效果，但是在处理单快拍数据下的地层分布式强相干源时，一方面强相干信号串扰畸变协方差矩阵，另一方面单快拍数据无法多次统计对信号协方差矩阵进行平滑处理， 导致这些传统的基于估计协方差矩阵的高分辨力算法无法达到方位维分辨精度要求。
发明内容
为了解决在小型拖体中对海底地层的探测、绘制、三维成像显示，特别是在物理尺度小的情况下解决地层中相干信号源的水平方位维的高分辨力分辨，本发明提出了一种三维地层成像的相控方位滤波方法。本发明的目的是针对相同距离，不同角度、单快拍、多相干源信号，避开传统的估计协方差矩阵的思路，采用最大后验概率准则获得在空间各扫描方位上的源信号最优波形估计，根据各方位上信号的能量大小来判断目标的方位；可应用在海洋中小型潜器的地貌、地形、地层探测，例如AUV/UUV系统中。本发明解决其技术问题采用的技术方案为了实现上述目的，本发明提供了一种仿医用CT技术的海底地层声学三维成像系统，在走航方位维(y轴)采用合成孔径技术，在深度方位维(ζ轴)采用宽带脉冲压缩技术，在水平方位维(χ轴)采用本发明提出的相控方位滤波(简称PAF)方法获得方位角度的高分辨技术。系统平台在沿走航方位维受到运行速度的制约，需要满足1/2空间采样法则，系统沿着走航方位维向前直线移动，通过组合换能器发射技术产生宽带调频信号，布置多元呈矩形状排列的水听器阵。深度维度上对接收的每批回波信号进行宽带信号脉冲压缩技术，根据距离分辨力与信号带宽和声速的关系，ζ =C/2B，可以获得海底多目标在深度维度上的分辨力参数值；水平方位维度上通过垂直于平台运动方向安装的多个接收水听器组成一组物理孔径较短的线列阵，在接收到每批次数据中，大量同时刻到达的不同方位的水体、地层的多目标、强相干、单快拍回波数据，采用常规波束形成算法获得的波束角为θ = λ/L，λ为信号波长，一般取中心频率的波长计算，L为线列阵物理孔径长度，小型潜器平台限制了线列阵物理孔径长度，波束角太大以至于无法分辨地层“目标群”，基于经典的协方差矩阵处理或者分解子空间的处理方法在处理相干单快拍数据时性能下降严重，本发明采用相控方位滤波方法对数据分别采用预划分模块，阵列转化�？椋琈AP准则估计�？椋樟材？椋竦谩澳勘耆骸卑凑丈疃炔悖煌轿唤嵌鹊母叻直媪Σ问担辉谧吆椒轿晃壬希叫杏谄教ㄔ硕较虻亩嘟邮照蠼邮盏揭欢ǹ拙冻ざ然夭ㄊ莺螅杏�、软件运动补偿后的多子阵合成孔径技术处理，分辨力与目标距离没有关系， 与接收阵元物理尺寸有关，ξ =D/2，其中D为单个接收水听器物理阵元长度，获得走航方位维度上的目标高分辨力参数。每批次后获得地层的“目标群”深度和水平方位的横断面二维能量分布图，按照走航方位维逐次发射推进，帧数依次叠加，加入走航分辨力参数值，获得地层的三维显示结果。相控方位滤波方法包括以下几个步骤一数据预处理�？楦菔导市枰瓒ㄏ低巢问ㄐ藕爬嘈图奥隹恚勘晟疃确段В植憔嗬氪轿唤嵌确段В钚》轿豢煞直娼嵌龋∪〉酱锘夭ㄊ莸氖奔溲镜悖坎愕酱锏牡夭慊夭ㄐ藕啪鶆蚍殖蒐0个方位栅格，方位栅格集合不大于发射换能器发射指向性宽度。二阵列矩阵变换�？榘ǖ仁椒匠滩街�、参数关系式步骤两部分，通过转化获得接收回波矩阵空间、接收回波的转化矩阵空间、目标空间场矩阵、加权后的目标空间场矩阵、特征空间向量、特征值、阵列流形矩阵，建立上述参数之间方程表达式及参数关系式。三 MAP准则估计�？橐宰畲蠛笱楦怕首荚�(MAP)来估计方位上的回声强度，根据最大后验概率准则，建立代价函数和约束方程。四迭代收敛�？楦荽酆驮际匠蹋勺拊际钚』蠼馕侍猓� 反复迭代使代价函数最�。竦梅植憔嗬氪系姆轿徽じ窕夭ㄐ藕徘慷鹊淖钣殴兰浦�。所述阵列矩阵变换�？樯希ǖ仁椒匠滩街�、参数关系式步骤两部分。在等式方程步骤上可根据阵列处理中远场条件下，某一分层距离上各阵元接收回波矢量与阵列流形矩阵和目标信号源矢量、噪声矢量等式为
权利要求
1.一种三维地层成像的相控方位滤波方法，其特征是针对相同距离，不同角度、单快拍、多相干源信号，采用最大后验概率准则获得在空间各扫描方位上的源信号最优波形估计，根据各方位上信号的能量大小来判断目标的方位；包括步骤如下1)数据预处理�？楦菔导市枰瓒ㄏ低巢问ㄐ藕爬嘈图奥隹恚勘晟疃确段В植憔嗬氪轿唤嵌确段В钚》轿豢煞直娼嵌龋∪〉酱锘夭ㄊ莸氖奔溲镜悖坎愕酱锏牡夭慊夭ㄐ藕啪鶆蚍殖蒐0个方位栅格，方位栅格集合不大于发射换能器发射指向性宽度；2)阵列矩阵变换�？榘ǖ仁椒匠滩街琛⒉问叵凳讲街枇讲糠郑ü竦媒邮栈夭ň卣罂占洹⒔邮栈夭ǖ淖卣罂占洹⒛勘昕占涑【卣�、加权后的目标空间场矩阵、 特征空间向量、特征值、阵列流形矩阵，建立上述参数之间方程表达式及参数关系式；3)MAP准则估计�？橐宰畲蠛笱楦怕首荚蚶垂兰品轿簧系幕厣慷龋葑畲蠛笱楦怕首荚颍⒋酆驮际匠蹋�4)迭代收敛�？楦荽酆驮际匠蹋拊际钚』蠼馕侍猓锤吹勾酆钚。竦梅植憔嗬氪系姆轿徽じ窕夭ㄐ藕徘慷鹊淖钣殴兰浦怠�
2.根据权利要求1所述的三维地层成像的相控方位滤波方法，其特征是(1)地层回波信号均勻分成Lθ个方位栅格L 0 > > M阵元数目，S1 (t)，S2 (t)，. . .，sLg (O 为不同方位栅格的源信号，满足远场条件，e)(m_w'，me (1，2，...，Μ)，1 e (1，...，L0)为一系列的源信号，1，…，L0源信号，在各阵元，1，…M阵元，产生的相位差的频域表达式， n,..M(t)噪声序列为零均值高斯过程，阵元间噪声相互独立，阵列各传感器为各向同性，无互耦以及通道不一致干扰；方程等式进一步表达如下
全文摘要
本发明是一种三维地层成像的相控方位滤波方法，针对相同距离，不同角度、单快拍、多个相干信号，采用最大后验概率准则获得在空间各扫描方位上的源信号最优波形估计，根据各方位上信号的能量大小来判断目标的方位。本发明有益的效果是1、无需采用协方差矩阵进行直接或者间接分解处理，不受限于快拍数量限制，可处理主动式单快拍数据。2、采用最大后验概率准则来估计分辨相干源，无需对水体或地层中强相干信号源作解相干处理，抗相干干扰能力强。3、可将相同距离返回的信号划分为足够多的方位栅格的源信号之和，利用代价函数和约束方程进行迭代收敛保证各扫描各方位上源信号最优波形估计，处理可靠性较强，性能稳定。
文档编号G01S15/89GK102176008SQ201010619550
公开日2011年9月7日 申请日期2010年12月22日 优先权日2010年12月22日
发明者丛卫华, 傅翔毅, 张卫华, 张峰山, 朱必波, 蒋飚, 郑乐一 申请人:中国船舶重工集团公司第七一五研究所
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