专利名称：一种基于超分辨率图像重建的合成孔径声呐成像方法
技术领域：
本发明涉及合成孔径声纳(SAS)领域，更具体的说，涉及一种基于超分辨率图像 重建技术的合成孔径声纳成像方法。
背景技术：
随着科学技术的不断发展，人类活动的范围也不断扩展，世界各国对海洋科学研 究的重视程度也越来越高。人们对水下地形地貌探测和水下物体观测的需求日益增长。海 底矿物资源开发中需要进行工程勘测和水下作业监视；在与其他国家进行海洋权益划界谈 判中，需要相应的海底地形地貌资料的支持；航道疏浚工程也需要海底地形地貌测量和工 程量的评估；还有很多重要的人类水下活动需要水下成像技术，如水下作业监测、水下打 捞、水下考古等等。水下成像设备也称为图像声呐，是人们进行水下活动和水下探测的重要 工具。合成孔径声呐(SAS)是一种新型的水下成像声纳，得益于合成孔径雷达(SAR)的 发展，在20世纪90年代进入了研究的活跃期，受到了世界各国的重视，是水 声成像技术的 重要研究方向之一。合成孔径声呐与常规图像声呐相比，它的优势在于可以利用虚拟孔径 技术，只需要使用小孔径的基阵就可以得到与探测距离和信号工作频率无关的高方位向分 辨力。合成孔径声纳(SAS)的基本原理是利用小尺寸基阵勻速直线运动来虚拟大孔径基 阵，在运动轨迹的顺序位置发射并接收回波信号，根据空间位置和相位关系对不同位置的 回波信号进行相干叠加处理，从而形成等效的大孔径，获得沿运动方向(方位向)的高分 辨力。但是SAS的分辨率的进一步提高受到了水下环境和现有仪器设备的限制，主要为以 下两点
(1)在方位向上，SAS如果提高η倍的分辨率，则声纳的真实孔径大小要变为原来的1/ η，受到水下声速的限制，声纳平台的运动速率也要变为原来的1/η，那么测绘速率也会变为 原来的1/η。为了不改变测绘速率现有的解决方案是在声纳平台后增加η个接收子阵，即多 子阵SAS技术，那么系统的体积就增加η倍，而且在多子阵SAS成像算法存在运算量大和忽 略相应误差导致的成像效果不佳等缺点。(2)在距离向上，SAS的分辨率与探测声波的脉冲宽度有关，脉冲宽度越窄(即脉冲 持续时间越短)距离向分辨率越高，但是脉冲持续时间约为脉冲带宽的倒数，即提高SAS的 距离向分辨率需要增加换能器的发射带宽，例如，脉冲持续时间每减少一半，则脉冲带宽需 要扩展为原来带宽的2倍，更高的带宽要求增加了换能器制作的难度和成本；同时，水下声 波频率越高功率衰减越快，信噪比降低，海洋噪声影响增加，成像质量也会随之而变差，如 果要维持原来的成像质量和信噪比，必须提高水声换能器探测声波的发射功率。由于目前 大功率的宽频水声换能器制作难度大、成本高，使得现有SAS距离向分辨率的进一步提高 受到了限制。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述不足，提供一种基于超分辨率图像重 建的合成孔径声纳成像方法，通过结合超分辨率图像重建技术和SAS处理技术得到更高分 辨率的声纳图像。与扩充之前的合成孔径声纳相比，扩充后的合成孔径声纳在方位向和距 离向上的分辨率均得到了提高；与孔径同等大小的常规合成孔径声纳技术相比，扩充后的 合成孔径声纳在方位向和距离向上的分辨率更高。扩充之前的合成孔径声纳(原孔径)的真实孔径方位向的分辨率为 P ,阵元的列间距为A阵元的行间距为f各阵元组合后的真实孔径形状不限；线性调频 脉冲的脉冲宽度为t，水下声波传播速率为C，距离向分辨率为σ W / 2，本发明的一种基于 超分辨率图像重建的合成孔径声纳成像方法具体步骤包括
步骤(1)根据原声纳孔径的阵列来扩充孔径。原声纳孔径的阵元行排列方向与方位 向平行，阵元列排列方向与距离向平行。由式子《■Μ,ρ和<C_i/2求得扩充孔径 的参数《和《 ( 和ffl为满足上述条件的最大正整数)。其中参数《为原孔径沿着阵列行方 向每行增加的阵元个数，参数《为原孔径沿着阵列列方向每列增加的阵元个数，根据参数 和《对原孔径进行扩充。步骤(2)对扩充后的孔径划分子孔径。子孔径的大小以及排列方式与原孔径一 样，相邻子孔径的边缘阵元之间相差一个阵元列间距而或者一个阵元行间距d根据这种 划分方式将扩充后的孔径划分出欠'=(巧+ d ·( + !)个子孔径。相邻子孔径的边缘相差一个 行间距或者列间距，那么相邻子孔径的声纳图像采样点也相差一个行间距或者列间距，结 合式子《 為和式<0· /2，可保证子孔径声纳图像的采样点的移动都在亚像素的 范围内。步骤(3):估计探测声波往返所需要的时间Τ，决定声波发射时间间隔‘w。在开始 对目标海域进行测绘之前，首先对探测声波在目标海域内的往返时间T进行估计，然后根 据估计的T来决定子孔径之间的声波发射时间间隔‘《，错开各子孔径的声波发射和接受 时间，避免相互之间的干扰。步骤(4)对发射声波进行正交编码，然后对目标水域进行探测。为每个子孔径的 发射声波进行编码，各子孔径之间的编码序列相互正交，并将子孔径和相应的编码序列的 一一对应关系记录下来。编码完成后开始对目标水域进行测绘，将目标水域分成多个测绘 带，各个子孔径相继发射自己的探测声波对测绘带进行测绘，相邻子孔径的发射间隔时间
为玄阐禺。步骤(5)对目标水域进行超分辨率成像。当一个测绘带的回波数据接收完毕后， 将回波数据送进成像处理�？椋蠸AS成像处理和超分辨率图像重建，得到该测绘带的 超分辨图像。当所有的测绘带都测绘完毕后，得到各个测绘带的超分辨图像，将所有测绘带 的图像合并则得到该目标水域的超分辨率图像。其中，步骤(1)中原孔径可以为线阵，方阵和圆阵等。步骤(1)中对原孔径进行扩充的步骤如下(1. 1)在原孔径的基础上，每一行(列)的孔径沿着同一阵元行(列)方向以阵元列(行) 间距为為Cd2)增加《 )个阵元。(1.2)在扩充后的阵元的基础上，每一列(行)的孔径沿着同一阵元列(行)方向 以阵元行(列)间距为為(<)增加M ( )个阵元。在扩充孔径的操作中，阵列的阵元列方向的阵列扩充和阵元行方向的阵列扩充的 先后顺序对扩充孔径操作没有影响。步骤(3)中，估计发射时间间隔的具体步骤分如下
(3. 1)估计探测声波的方法如下向目标水域发射k次探测声波，记录下每次声波的往
返时间，然后估计声波往返时间7=^4^。
权利要求
一种基于超分辨率图像重建的合成孔径声纳成像方法，扩充之前的合成孔径声纳的真实孔径方位向的分辨率为，阵元的列间距为，阵元的行间距为，各阵元组合后的真实孔径形状不限；线性调频脉冲的脉冲宽度为t，水下声波传播速率为C，距离向分辨率为，其特征在于所述方法包括如下步骤步骤(1)根据原声纳孔径的阵列来扩充孔径原声纳孔径的阵元行排列方向与方位向平行，阵元列排列方向与距离向平行，由式子和求得扩充孔径的参数和，和为满足上述条件的最大正整数；其中参数为原孔径沿着阵列行方向每行增加的阵元个数，参数为原孔径沿着阵列列方向每列增加的阵元个数，根据参数和对原孔径进行扩充；步骤(2)对扩充后的孔径划分子孔径子孔径的大小以及排列方式与原孔径一样，相邻子孔径的边缘阵元之间相差一个阵元列间距或者一个阵元行间距，根据这种划分方式将扩充后的孔径划分出个子孔径；相邻子孔径的边缘相差一个行间距或者列间距，那么相邻子孔径的声纳图像采样点也相差一个行间距或者列间距，结合式子和，确保子孔径声纳图像的采样点的移动都在亚像素的范围内；步骤(3)估计探测声波往返所需要的时间T，决定声波发射时间间隔在开始对目标海域进行测绘之前，首先对探测声波在目标海域内的往返时间T进行估计，然后根据估计的T来决定子孔径之间的声波发射时间间隔，错开各子孔径的声波发射和接受时间，避免相互之间的干扰；步骤(4)对发射声波进行正交编码，然后对目标水域进行探测为每个子孔径的发射声波进行编码，各子孔径之间的编码序列相互正交，并将子孔径和相应的编码序列的一一对应关系记录下来；编码完成后开始对目标水域进行测绘，将目标水域分成多个测绘带，各个子孔径相继发射自己的探测声波对测绘带进行测绘，相邻子孔径的发射间隔时间为；步骤(5)对目标水域进行超分辨率成像当一个测绘带的回波数据接收完毕后，将回波数据送进成像处理�？椋蠸AS成像处理和超分辨率图像重建，得到该测绘带的超分辨图像；当所有的测绘带都测绘完毕后，得到各个测绘带的超分辨图像，将所有测绘带的图像合并则得到该目标水域的超分辨率图像。434059dest_path_image001.jpg,478107dest_path_image002.jpg,110077dest_path_image003.jpg,761638dest_path_image004.jpg,993905dest_path_image005.jpg,389115dest_path_image006.jpg,875591dest_path_image007.jpg,963632dest_path_image008.jpg,420546dest_path_image007.jpg,619446dest_path_image008.jpg,960429dest_path_image007.jpg,406323dest_path_image008.jpg,160652dest_path_image007.jpg,835347dest_path_image008.jpg,358732dest_path_image002.jpg,975527dest_path_image003.jpg,951573dest_path_image009.jpg,429959dest_path_image005.jpg,73430dest_path_image006.jpg,595547dest_path_image010.jpg,262152dest_path_image010.jpg,340966dest_path_image010.jpg
2.根据权利要求1所述基于超分辨率图像重建的合成孔径声纳成像方法，其特征在于 步骤(1)中所述原孔径为线阵方阵和圆阵。
3.根据权利要求1所述基于超分辨率图像重建的合成孔径声纳成像方法，其特征在于 步骤(1)中对原孔径进行扩充的步骤如下(1.1)在原孔径的基础上，每一行的孔径沿着同一阵元行方向以阵元列间距为為，增 加个阵元，每一列的孔径沿着同一阵元列方向以阵元行间距为毛，增加《个阵元；(1.2)在扩充后的阵元的基础上，每一列的孔径沿着同一阵元列方向以阵元行间距为 ^，増加个阵元；每一行的孔径沿着同一阵元行方向以阵元列间距为而，增加《个阵兀。
4.根据权利要求1所述基于超分辨率图像重建的合成孔径声纳成像方法，其特征在于 步骤(3)中，估计发射时间间隔的具体步骤如下(3. 1)估计探测声波的方法如下向目标水域发射k次探测声波，记录下每次声波的往 返时间t广tk，然后估计声波往返时间1 2…k ； (3. 2)根据探测声波往返时间T来决定子孔径之间的声波发射时间间隔^^ 。
5.根据权利要求1所述基于超分辨率图像重建的合成孔径声纳成像方法，其特征在于 步骤(5)中，测绘带回波数据的SAS处理和超分辨图像重建的具体步骤如下(5. 1)为每个子孔径分配一个独立的回波数据存储区，将回波数据送到编码判决�？� 对其进行编码检测来识别出该回波对应的子孔径，并将回波数据存到相应子孔径的数据存 储区中；(5.2)当该测绘带的数据接收完毕后，将各个子孔径的回波数据送到各自的SAS处理 �？椋直鸾泻铣煽拙渡纱恚玫礁鞲鲎涌拙兜牟饣嫱枷瘢幻扛鲎涌拙锻枷竦牟裳� 间隔为d，根据<p和m 為<Cmti2 ,可知各子孔径采样点都在原合成孔径声纳的一个像素之内，符合亚像素移动的条件，因此可以使用超分辨图像重建技术；(5. 3)最后将K个子孔径的测绘图像作为低分辨率图像，在超分辨率图像重建�？橹� 使用超分辨率图像重建技术将K个低分辨率图像融合成一个高分辨率图像，得到该测绘带 的高分辨图像。
全文摘要
本发明公开了一种基于超分辨率图像重建的合成孔径声呐成像方法，包括根据原声呐孔径的阵列来扩充孔径；对扩充后的孔径划分子孔径；估计探测声波往返所需要的时间；对发射声波进行正交编码，然后对目标水域进行探测；对目标水域进行超分辨率成像。本发明通过结合超分辨率图像重建技术和SAS处理技术得到更高分辨率的声呐图像。与扩充之前的合成孔径声呐相比，扩充后的合成孔径声呐在方位向和距离向上的分辨率均得到了提高；与孔径同等大小的常规合成孔径声呐技术相比，扩充后的合成孔径声呐在方位向和距离向上的分辨率更高。
文档编号G01S15/89GK101937085SQ20101026924
公开日2011年1月5日 申请日期2010年9月1日 优先权日2010年9月1日
发明者宁更新, 张军, 程昊韡, 韦岗 申请人:华南理工大学
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