專利名稱：一種基于超分辨率圖像重建的合成孔徑聲吶成像方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及合成孔徑聲納(SAS)領(lǐng)域，更具體的說，涉及一種基于超分辨率圖像 重建技術(shù)的合成孔徑聲納成像方法。
背景技術(shù)：
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人類活動的范圍也不斷擴展，世界各國對海洋科學(xué)研 究的重視程度也越來越高。人們對水下地形地貌探測和水下物體觀測的需求日益增長。海 底礦物資源開發(fā)中需要進行工程勘測和水下作業(yè)監(jiān)視；在與其他國家進行海洋權(quán)益劃界談 判中，需要相應(yīng)的海底地形地貌資料的支持；航道疏浚工程也需要海底地形地貌測量和工 程量的評估；還有很多重要的人類水下活動需要水下成像技術(shù)，如水下作業(yè)監(jiān)測、水下打 撈、水下考古等等。水下成像設(shè)備也稱為圖像聲吶，是人們進行水下活動和水下探測的重要 工具。合成孔徑聲吶(SAS)是一種新型的水下成像聲納，得益于合成孔徑雷達(SAR)的 發(fā)展，在20世紀(jì)90年代進入了研究的活躍期，受到了世界各國的重視，是水 聲成像技術(shù)的 重要研究方向之一。合成孔徑聲吶與常規(guī)圖像聲吶相比，它的優(yōu)勢在于可以利用虛擬孔徑 技術(shù)，只需要使用小孔徑的基陣就可以得到與探測距離和信號工作頻率無關(guān)的高方位向分 辨力。合成孔徑聲納(SAS)的基本原理是利用小尺寸基陣勻速直線運動來虛擬大孔徑基 陣，在運動軌跡的順序位置發(fā)射并接收回波信號，根據(jù)空間位置和相位關(guān)系對不同位置的 回波信號進行相干疊加處理，從而形成等效的大孔徑，獲得沿運動方向(方位向)的高分 辨力。但是SAS的分辨率的進一步提高受到了水下環(huán)境和現(xiàn)有儀器設(shè)備的限制，主要為以 下兩點
(1)在方位向上，SAS如果提高η倍的分辨率，則聲納的真實孔徑大小要變?yōu)樵瓉淼?/ η，受到水下聲速的限制，聲納平臺的運動速率也要變?yōu)樵瓉淼?/η，那么測繪速率也會變?yōu)?原來的1/η。為了不改變測繪速率現(xiàn)有的解決方案是在聲納平臺后增加η個接收子陣，即多 子陣SAS技術(shù)，那么系統(tǒng)的體積就增加η倍，而且在多子陣SAS成像算法存在運算量大和忽 略相應(yīng)誤差導(dǎo)致的成像效果不佳等缺點。(2)在距離向上，SAS的分辨率與探測聲波的脈沖寬度有關(guān)，脈沖寬度越窄(即脈沖 持續(xù)時間越短)距離向分辨率越高，但是脈沖持續(xù)時間約為脈沖帶寬的倒數(shù)，即提高SAS的 距離向分辨率需要增加換能器的發(fā)射帶寬，例如，脈沖持續(xù)時間每減少一半，則脈沖帶寬需 要擴展為原來帶寬的2倍，更高的帶寬要求增加了換能器制作的難度和成本；同時，水下聲 波頻率越高功率衰減越快，信噪比降低，海洋噪聲影響增加，成像質(zhì)量也會隨之而變差，如 果要維持原來的成像質(zhì)量和信噪比，必須提高水聲換能器探測聲波的發(fā)射功率。由于目前 大功率的寬頻水聲換能器制作難度大、成本高，使得現(xiàn)有SAS距離向分辨率的進一步提高 受到了限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種基于超分辨率圖像重 建的合成孔徑聲納成像方法，通過結(jié)合超分辨率圖像重建技術(shù)和SAS處理技術(shù)得到更高分 辨率的聲納圖像。與擴充之前的合成孔徑聲納相比，擴充后的合成孔徑聲納在方位向和距 離向上的分辨率均得到了提高；與孔徑同等大小的常規(guī)合成孔徑聲納技術(shù)相比，擴充后的 合成孔徑聲納在方位向和距離向上的分辨率更高。擴充之前的合成孔徑聲納(原孔徑)的真實孔徑方位向的分辨率為 P ,陣元的列間距為A陣元的行間距為f各陣元組合后的真實孔徑形狀不限；線性調(diào)頻 脈沖的脈沖寬度為t，水下聲波傳播速率為C，距離向分辨率為σ W / 2，本發(fā)明的一種基于 超分辨率圖像重建的合成孔徑聲納成像方法具體步驟包括
步驟(1)根據(jù)原聲納孔徑的陣列來擴充孔徑。原聲納孔徑的陣元行排列方向與方位 向平行，陣元列排列方向與距離向平行。由式子《■Μ,ρ和<C_i/2求得擴充孔徑 的參數(shù)《和《 ( 和ffl為滿足上述條件的最大正整數(shù))。其中參數(shù)《為原孔徑沿著陣列行方 向每行增加的陣元個數(shù)，參數(shù)《為原孔徑沿著陣列列方向每列增加的陣元個數(shù)，根據(jù)參數(shù) 和《對原孔徑進行擴充。步驟(2)對擴充后的孔徑劃分子孔徑。子孔徑的大小以及排列方式與原孔徑一 樣，相鄰子孔徑的邊緣陣元之間相差一個陣元列間距而或者一個陣元行間距d根據(jù)這種 劃分方式將擴充后的孔徑劃分出欠'=(巧+ d ·( + !)個子孔徑。相鄰子孔徑的邊緣相差一個 行間距或者列間距，那么相鄰子孔徑的聲納圖像采樣點也相差一個行間距或者列間距，結(jié) 合式子《 為和式<0· /2，可保證子孔徑聲納圖像的采樣點的移動都在亞像素的 范圍內(nèi)。步驟(3):估計探測聲波往返所需要的時間Τ，決定聲波發(fā)射時間間隔‘w。在開始 對目標(biāo)海域進行測繪之前，首先對探測聲波在目標(biāo)海域內(nèi)的往返時間T進行估計，然后根 據(jù)估計的T來決定子孔徑之間的聲波發(fā)射時間間隔‘《，錯開各子孔徑的聲波發(fā)射和接受 時間，避免相互之間的干擾。步驟(4)對發(fā)射聲波進行正交編碼，然后對目標(biāo)水域進行探測。為每個子孔徑的 發(fā)射聲波進行編碼，各子孔徑之間的編碼序列相互正交，并將子孔徑和相應(yīng)的編碼序列的 一一對應(yīng)關(guān)系記錄下來。編碼完成后開始對目標(biāo)水域進行測繪，將目標(biāo)水域分成多個測繪 帶，各個子孔徑相繼發(fā)射自己的探測聲波對測繪帶進行測繪，相鄰子孔徑的發(fā)射間隔時間
為玄闡禺。步驟(5)對目標(biāo)水域進行超分辨率成像。當(dāng)一個測繪帶的回波數(shù)據(jù)接收完畢后， 將回波數(shù)據(jù)送進成像處理模塊，進行SAS成像處理和超分辨率圖像重建，得到該測繪帶的 超分辨圖像。當(dāng)所有的測繪帶都測繪完畢后，得到各個測繪帶的超分辨圖像，將所有測繪帶 的圖像合并則得到該目標(biāo)水域的超分辨率圖像。其中，步驟(1)中原孔徑可以為線陣，方陣和圓陣等。步驟(1)中對原孔徑進行擴充的步驟如下(1. 1)在原孔徑的基礎(chǔ)上，每一行(列)的孔徑沿著同一陣元行(列)方向以陣元列(行) 間距為為Cd2)增加《 )個陣元。(1.2)在擴充后的陣元的基礎(chǔ)上，每一列(行)的孔徑沿著同一陣元列(行)方向 以陣元行(列)間距為為(<)增加M ( )個陣元。在擴充孔徑的操作中，陣列的陣元列方向的陣列擴充和陣元行方向的陣列擴充的 先后順序?qū)U充孔徑操作沒有影響。步驟(3)中，估計發(fā)射時間間隔的具體步驟分如下
(3. 1)估計探測聲波的方法如下向目標(biāo)水域發(fā)射k次探測聲波，記錄下每次聲波的往
返時間，然后估計聲波往返時間7=^4^。
權(quán)利要求
一種基于超分辨率圖像重建的合成孔徑聲納成像方法，擴充之前的合成孔徑聲納的真實孔徑方位向的分辨率為，陣元的列間距為，陣元的行間距為，各陣元組合后的真實孔徑形狀不限；線性調(diào)頻脈沖的脈沖寬度為t，水下聲波傳播速率為C，距離向分辨率為，其特征在于所述方法包括如下步驟步驟(1)根據(jù)原聲納孔徑的陣列來擴充孔徑原聲納孔徑的陣元行排列方向與方位向平行，陣元列排列方向與距離向平行，由式子和求得擴充孔徑的參數(shù)和，和為滿足上述條件的最大正整數(shù)；其中參數(shù)為原孔徑沿著陣列行方向每行增加的陣元個數(shù)，參數(shù)為原孔徑沿著陣列列方向每列增加的陣元個數(shù)，根據(jù)參數(shù)和對原孔徑進行擴充；步驟(2)對擴充后的孔徑劃分子孔徑子孔徑的大小以及排列方式與原孔徑一樣，相鄰子孔徑的邊緣陣元之間相差一個陣元列間距或者一個陣元行間距，根據(jù)這種劃分方式將擴充后的孔徑劃分出個子孔徑；相鄰子孔徑的邊緣相差一個行間距或者列間距，那么相鄰子孔徑的聲納圖像采樣點也相差一個行間距或者列間距，結(jié)合式子和，確保子孔徑聲納圖像的采樣點的移動都在亞像素的范圍內(nèi)；步驟(3)估計探測聲波往返所需要的時間T，決定聲波發(fā)射時間間隔在開始對目標(biāo)海域進行測繪之前，首先對探測聲波在目標(biāo)海域內(nèi)的往返時間T進行估計，然后根據(jù)估計的T來決定子孔徑之間的聲波發(fā)射時間間隔，錯開各子孔徑的聲波發(fā)射和接受時間，避免相互之間的干擾；步驟(4)對發(fā)射聲波進行正交編碼，然后對目標(biāo)水域進行探測為每個子孔徑的發(fā)射聲波進行編碼，各子孔徑之間的編碼序列相互正交，并將子孔徑和相應(yīng)的編碼序列的一一對應(yīng)關(guān)系記錄下來；編碼完成后開始對目標(biāo)水域進行測繪，將目標(biāo)水域分成多個測繪帶，各個子孔徑相繼發(fā)射自己的探測聲波對測繪帶進行測繪，相鄰子孔徑的發(fā)射間隔時間為；步驟(5)對目標(biāo)水域進行超分辨率成像當(dāng)一個測繪帶的回波數(shù)據(jù)接收完畢后，將回波數(shù)據(jù)送進成像處理模塊，進行SAS成像處理和超分辨率圖像重建，得到該測繪帶的超分辨圖像；當(dāng)所有的測繪帶都測繪完畢后，得到各個測繪帶的超分辨圖像，將所有測繪帶的圖像合并則得到該目標(biāo)水域的超分辨率圖像。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.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于超分辨率圖像重建的合成孔徑聲納成像方法，其特征在于 步驟(1)中所述原孔徑為線陣方陣和圓陣。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于超分辨率圖像重建的合成孔徑聲納成像方法，其特征在于 步驟(1)中對原孔徑進行擴充的步驟如下(1.1)在原孔徑的基礎(chǔ)上，每一行的孔徑沿著同一陣元行方向以陣元列間距為為，增 加個陣元，每一列的孔徑沿著同一陣元列方向以陣元行間距為毛，增加《個陣元；(1.2)在擴充后的陣元的基礎(chǔ)上，每一列的孔徑沿著同一陣元列方向以陣元行間距為 ^，増加個陣元；每一行的孔徑沿著同一陣元行方向以陣元列間距為而，增加《個陣兀。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于超分辨率圖像重建的合成孔徑聲納成像方法，其特征在于 步驟(3)中，估計發(fā)射時間間隔的具體步驟如下(3. 1)估計探測聲波的方法如下向目標(biāo)水域發(fā)射k次探測聲波，記錄下每次聲波的往 返時間t廣tk，然后估計聲波往返時間1 2…k ； (3. 2)根據(jù)探測聲波往返時間T來決定子孔徑之間的聲波發(fā)射時間間隔^^ 。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于超分辨率圖像重建的合成孔徑聲納成像方法，其特征在于 步驟(5)中，測繪帶回波數(shù)據(jù)的SAS處理和超分辨圖像重建的具體步驟如下(5. 1)為每個子孔徑分配一個獨立的回波數(shù)據(jù)存儲區(qū)，將回波數(shù)據(jù)送到編碼判決模塊 對其進行編碼檢測來識別出該回波對應(yīng)的子孔徑，并將回波數(shù)據(jù)存到相應(yīng)子孔徑的數(shù)據(jù)存 儲區(qū)中；(5.2)當(dāng)該測繪帶的數(shù)據(jù)接收完畢后，將各個子孔徑的回波數(shù)據(jù)送到各自的SAS處理 模塊，分別進行合成孔徑聲納處理，得到各個子孔徑的測繪圖像；每個子孔徑圖像的采樣點 間隔為d，根據(jù)<p和m 為<Cmti2 ,可知各子孔徑采樣點都在原合成孔徑聲納的一個像素之內(nèi)，符合亞像素移動的條件，因此可以使用超分辨圖像重建技術(shù)；(5. 3)最后將K個子孔徑的測繪圖像作為低分辨率圖像，在超分辨率圖像重建模塊中 使用超分辨率圖像重建技術(shù)將K個低分辨率圖像融合成一個高分辨率圖像，得到該測繪帶 的高分辨圖像。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于超分辨率圖像重建的合成孔徑聲吶成像方法，包括根據(jù)原聲吶孔徑的陣列來擴充孔徑；對擴充后的孔徑劃分子孔徑；估計探測聲波往返所需要的時間；對發(fā)射聲波進行正交編碼，然后對目標(biāo)水域進行探測；對目標(biāo)水域進行超分辨率成像。本發(fā)明通過結(jié)合超分辨率圖像重建技術(shù)和SAS處理技術(shù)得到更高分辨率的聲吶圖像。與擴充之前的合成孔徑聲吶相比，擴充后的合成孔徑聲吶在方位向和距離向上的分辨率均得到了提高；與孔徑同等大小的常規(guī)合成孔徑聲吶技術(shù)相比，擴充后的合成孔徑聲吶在方位向和距離向上的分辨率更高。
文檔編號G01S15/89GK101937085SQ20101026924
公開日2011年1月5日 申請日期2010年9月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月1日
發(fā)明者寧更新, 張軍, 程昊韡, 韋崗 申請人:華南理工大學(xué)