[发明专利]基于目标回波多普勒特性的声纳运动目标成像方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种声纳成像方法，具体地说是基于回波多普勒特性的声纳成像方法。

背景技术

传统的二维声纳成像的方法是时延波束形成，这种方法不能把波束定义在任意方向上，如果想要把波束定义在一定的方向上，要求的ADC(即模拟信号到数字信号的转换器)的采样频率较高，需要的存储量会很大，在硬件实现上会很困难。针对时延波束形成以上的缺点，可以通过内插波束形成来避免高的采样率，如果想得到理想的内插效果，对内插滤波器的要求较高，计算量会很大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够满足系统实时成像的要求的基于目标回波多普勒特性的声纳运动目标成像方法。

本发明的目的是这样实现的：

(1)对接收基阵中各个基元的回波数据进行带通滤波；

(2)对各个频点信号进行带通滤波，获得到各频点的带通数据；

(3)对各频点带通滤波后的数据进行正交解调，获得实信号的解析信号形式；

(4)对各频点正交解调后的回波数据进行切比雪夫加权和聚焦操作；

(5)利用FFT(即快速傅立叶变换)波束形成获得各频点极坐标系下的图像数据；

(6)对各个频点FFT波束形成后的图像数据进行插值合并，并利用扇形变换，将极坐标系下的图像转成符合人们视觉习惯的直角坐标系下的图像。

本发明还可以包括：

1、所述的对接收基阵中各个基元的回波数据进行带通滤波是指对接收基阵的各个基元的回波数据进行FIR(即有限冲击响应)或者是IIR(即无限冲击响应)带通滤波处理。带通滤波器的下限频率和上限频率要根据发射信号的中心频率、目标运动所引起的回波信号的多普勒频移及接收机的带宽来确定。

2、所述的对各个频点信号进行带通滤波是指高速运动目标的回波信号已经不是单频信号而是一个宽带信号，因此窄带FFT波束形成已经不适用，需要将信号的频率范围分成M段，分别用带通滤波器滤出每段的信号，之后对每段信号分别进行窄带的FFT波束形成。

3、所述的正交解调因为实信号的傅里叶变换具有共轭对称性，因此成像时在对称的方位上会出现目标的虚影，而正交解调实质上是信号的希尔伯特变换，获得信号的解析表达式，解析信号的频谱是单边的，并能够完全描述原始信号，不会丢失任何信息。

4、所述的对正交解调后的回波数据进行切比雪夫加权是指对各个阵元接收信号的幅度进行加权，目的在于改善阵的方向性，降低旁瓣对主瓣的影响。聚焦是指正前方多点聚焦。这种方法适合声纳成像范围不是很大的情况下，设定基阵的尺度为L，目标距离为r，信号波长为λ，当r≤2L²/λ时，目标位于基阵近场，此时回波信号是按照球面波传播的，若直接对回波信号进行FFT波束形成，将会造成成像效果的恶化；此时需要对不同基元接收信号的相位进行补偿，以符合远场平面波的相位要求才能进行FFT波束形成。

5、所述的FFT波束形成的特点是能够用数字信号处理中的FFT算法实现。极坐标系下的目标图像是指图像的纵轴是距离信息R，横轴是目标的方位角度信息θ。

6、所述的插值合并是指对于512点FFT波束形成，扇面的开角为-52.8°-53.1°，将各个频点FFT波束形成后的角度索引经过线性插值到-45°-45°，0.5°间隔的范围上，之后将插值后的各个频点的成像数据在该角度范围上进行对应相加，得到总的输出的图像数据；所述的扇形变换是指极坐标与直角坐标之间的坐标转换，为了和现实的世界建立一种映射，方便人们观察，需要把图像从极坐标系下转换到直角坐标系下。

为实现本发明的目的，需要对基元数据进行带通滤波(步骤1)，带通滤波器的下限频率和上限频率要根据发射信号的中心频率、目标运动所引起的回波信号的多普勒频移及接收机的带宽来确定。例如当发射信号频率为f0，发射信号的过零点带宽为Δf，目标运动所造成的回波信号的多普勒频移为ξ(目标背向接收基阵运动时，ξ＜0；目标相向接收基阵运动时，ξ＞0)，则目标回波信号的频率变为f0+ξ，这里设定目标是背离接收基阵运动的，则ξ＜0，将各个基于的回波数据经过带通采样及量化处理后信号频率变为f₀′，目标回波信号的频率变为f₀′+|ξ|，|ξ|要满足|ξ|＞Δf，设定接收机的带宽为BW，则带通滤波器的下限频率为f₀′+Δf/2，上限频率为f₀′+BW/2。