杜金香, 許恒博

基于空時(shí)頻聯(lián)合處理的水下目標(biāo)寬帶聲成像

杜金香, 許恒博

(西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院, 陜西 西安, 710072)

寬帶信號(hào)的聲成像方法需要在距離維度和時(shí)間尺度維度進(jìn)行掃描, 運(yùn)算量巨大。同時(shí), 對(duì)于水下目標(biāo)探測(cè)和識(shí)別, 往往希望發(fā)射信號(hào)具有較好的多普勒寬容性, 在時(shí)間尺度維度具有較低的分辨力, 并且對(duì)于空間體目標(biāo)而言, 其回波中不同波形分量對(duì)應(yīng)的尺度差異較小, 因此難以準(zhǔn)確估計(jì)目標(biāo)速度, 進(jìn)而去除聲成像過程中由于目標(biāo)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的距離維誤差, 從而導(dǎo)致成像畸變的問題。為了解決以上2個(gè)問題, 文中采用發(fā)射雙向調(diào)頻多普勒寬容信號(hào)的策略, 無需尺度搜索, 可以準(zhǔn)確估計(jì)目標(biāo)速度, 消除聲圖像在距離維度上的誤差, 提高寬帶信號(hào)聲成像的準(zhǔn)確性。對(duì)多亮點(diǎn)模型的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)聲成像仿真結(jié)果證實(shí)了雙向調(diào)頻波形策略具有更好的成像性能。

水下目標(biāo); 聲成像; 空時(shí)頻聯(lián)合處理; 寬帶

0 引言

近年來水下探測(cè)技術(shù)得到了飛速發(fā)展, 人們已能成功地利用聲吶完成導(dǎo)航、測(cè)距和定位等一系列任務(wù)。成像聲吶也已取得了較多的研究成果和實(shí)際應(yīng)用, 如用于描繪海底地貌、探測(cè)海底沉船和飛機(jī)殘骸的側(cè)掃聲吶, 用于導(dǎo)航和避碰的前視聲吶, 以及聲透鏡聲吶和合成孔徑聲吶等。但是成像聲吶采用的信號(hào)機(jī)制多為線性調(diào)頻信號(hào)或單頻信號(hào), 頻率較高, 可達(dá)幾百千赫茲甚至兆赫茲, 因此作用距離較近, 從幾米到幾十米[1-3], 當(dāng)目標(biāo)距離較遠(yuǎn)時(shí), 回波信噪比較低, 波束輸出的旁瓣抬高, 會(huì)導(dǎo)致圖像質(zhì)量變差, 因此不適用于遠(yuǎn)距離的目標(biāo)探測(cè)和識(shí)別。雖然合成孔徑聲吶利用虛擬的擴(kuò)展陣列可以獲得更高的空間增益, 進(jìn)而提高圖像分辨率和成像作用距離, 但是對(duì)于載體的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)要求較高, 限制了其在水下航行器上的應(yīng)用。

對(duì)水下遠(yuǎn)距離運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的準(zhǔn)確定位、姿態(tài)判斷和正確識(shí)別主要依賴于對(duì)目標(biāo)距離、方位和速度等參數(shù)的估計(jì)和高分辨能力, 進(jìn)而形成目標(biāo)的聲圖像[4-11]。與一般聲吶成像在近距離條件下即可獲得很精細(xì)的目標(biāo)分辨率不同, 水下遠(yuǎn)距離成像的目的在于在相對(duì)較遠(yuǎn)距離條件下有效提取目標(biāo)物理結(jié)構(gòu)的空間分布特征。根據(jù)主動(dòng)聲吶方程可知, 系統(tǒng)工作頻率越高, 在水中的衰減越大, 系統(tǒng)的探測(cè)距離就會(huì)受到更大的限制。因此水下遠(yuǎn)距離目標(biāo)探測(cè)主要采用相對(duì)較低的頻段, 以達(dá)到較遠(yuǎn)的探測(cè)距離。

主動(dòng)系統(tǒng)通過匹配濾波、相關(guān)等手段實(shí)現(xiàn)目標(biāo)回波的檢測(cè), 同時(shí)可利用回波信號(hào)與發(fā)射信號(hào)之間的時(shí)延和多普勒伸縮因子來估計(jì)目標(biāo)距離和相對(duì)徑向速度。國內(nèi)對(duì)于水下較遠(yuǎn)距離非合作目標(biāo)成像的研究取得了一些很有意義的成果。一類是結(jié)合波束形成和距離估計(jì), 獲得目標(biāo)的方位-距離像[4-6], 但是未考慮目標(biāo)與成像基陣之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)情況。另外一類是基于寬帶信號(hào)回波的目標(biāo)亮點(diǎn)距離速度聯(lián)合估計(jì)形成距離-速度像, 如文獻(xiàn)[7]利用交互小波變換完成體目標(biāo)的聲成像, 得到了目標(biāo)獨(dú)立散射點(diǎn)在距離-速度平面上的分布情況; 文獻(xiàn)[8]利用Wigner-Ville分布和Radon聯(lián)合變換技術(shù), 提取線性調(diào)頻信號(hào)在時(shí)-頻分布上的距離和速度參數(shù), 獲得了較為清晰的目標(biāo)距離-速度像; 文獻(xiàn)[9]針對(duì)低速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)提出利用廣義崔-威廉斯分布(Choi-Williams distribution, CWD)-Hough變換生成目標(biāo)的時(shí)延-時(shí)間伸縮像。以上方法考慮了寬帶目標(biāo)回波信號(hào)由于目標(biāo)與觀測(cè)基陣相對(duì)運(yùn)動(dòng)造成的距離和速度耦合問題, 生成距離-速度像的過程實(shí)際是估計(jì)目標(biāo)在距離維度和時(shí)間伸縮維度的分布情況, 運(yùn)算量大。目標(biāo)的距離-速度像(或者時(shí)延-尺度/時(shí)間伸縮像)雖然在一定程度上反映了目標(biāo)的特征, 但是無法體現(xiàn)目標(biāo)的幾何尺寸和輪廓。文獻(xiàn)[10]和[11]通過對(duì)多個(gè)連續(xù)脈沖的時(shí)延-時(shí)間伸縮像之間的關(guān)系進(jìn)行處理, 得到了運(yùn)動(dòng)目標(biāo)亮點(diǎn)在距離和方位維的信息, 能夠反映目標(biāo)的幾何尺寸。此類方法借鑒合成孔徑聲吶的思想, 要求在多個(gè)連續(xù)脈沖期間載體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)穩(wěn)定。

為了避免寬帶回波信號(hào)距離-時(shí)間伸縮成像過程中的較大運(yùn)算量, 文中采用正反雙向調(diào)頻信號(hào)相關(guān)處理的方法, 僅需一組(或少量幾組)副本信號(hào)就可以準(zhǔn)確估計(jì)目標(biāo)相對(duì)速度, 無需形成目標(biāo)在時(shí)間伸縮維度的分布情況, 修正由目標(biāo)相對(duì)運(yùn)動(dòng)造成的圖像距離徙動(dòng)問題, 利用單脈沖獲得目標(biāo)的角度-距離圖像, 能夠有效反映目標(biāo)的空間尺寸和姿態(tài)。

1 水下主動(dòng)聲吶系統(tǒng)目標(biāo)寬帶回波模型

當(dāng)目標(biāo)中含有多個(gè)反射點(diǎn)或目標(biāo)為體目標(biāo)時(shí), 回波信號(hào)應(yīng)表示為加權(quán)積分形式, 即

若目標(biāo)位于觀測(cè)基陣的遠(yuǎn)場(chǎng), 其回波由個(gè)反射點(diǎn)的回波構(gòu)成, 即

式中

則有

通過空時(shí)頻域聯(lián)合處理獲得目標(biāo)的速度信息后, 可以形成目標(biāo)的距離-角度像。為了更好地進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別, 可以進(jìn)一步通過空間轉(zhuǎn)換將距離-角度像變換為目標(biāo)在三維空間中的三維點(diǎn)云像。

2 水下空時(shí)頻聯(lián)合處理的寬帶聲成像

在平面陣條件下, 基陣的二維指向性函數(shù)可以表示為

以發(fā)射信號(hào)作為副本, 對(duì)寬帶波束輸出信號(hào)進(jìn)行互相關(guān), 則有

將式(11)代入式(13), 整理得到

常用的調(diào)頻信號(hào)中雙曲調(diào)頻信號(hào)具有良好的多普勒寬容性, 其寬帶模糊度函數(shù)的峰脊軌跡為

由此可根據(jù)正反調(diào)頻信號(hào)輸出峰值位置消除模糊, 獲得時(shí)延和速度估值, 即

獲得目標(biāo)尺度因子估計(jì)量后, 可通過式(16)對(duì)相關(guān)結(jié)果進(jìn)行修正, 得到準(zhǔn)確的距離維輸出。

采用正反雙向調(diào)頻信號(hào)的寬帶聲成像處理流程如圖1所示。

圖1 雙向調(diào)頻信號(hào)寬帶聲成像處理流程

3 計(jì)算機(jī)仿真

3.1 基于正反調(diào)頻信號(hào)的速度-距離解模糊

僅發(fā)射正雙曲調(diào)頻信號(hào)時(shí), 帶寬10 kHz, 時(shí)寬100 ms, 假設(shè)回波信號(hào)中心時(shí)延1 s, 速度5 m/s, 對(duì)應(yīng)尺度因子0.9934, 點(diǎn)目標(biāo)的寬帶相關(guān)輸出的尺度-時(shí)延圖像如圖2所示。由圖2可以看出, 采用單向調(diào)頻信號(hào)獲得的相關(guān)圖像在一定范圍內(nèi)是模糊的。

圖2 點(diǎn)目標(biāo)單向調(diào)頻信號(hào)寬帶時(shí)延-時(shí)間伸縮像

若發(fā)射信號(hào)為正反雙曲調(diào)頻信號(hào), 帶寬10 kHz, 時(shí)寬100 ms, 假設(shè)回波信號(hào)中心時(shí)延為1 s, 速度5 m/s, 采用尺度因子為1的副本信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)處理, 得到此時(shí)尺度因子失配條件下互相關(guān)輸出結(jié)果如圖3所示。

圖3 副本信號(hào)與回波信號(hào)互相關(guān)輸出

圖中, 紅色虛線和藍(lán)色實(shí)線分別對(duì)應(yīng)負(fù)調(diào)頻和正調(diào)頻脈沖的輸出結(jié)果。由于尺度失配, 2個(gè)峰值均與真實(shí)時(shí)延值1 s有一定差別, 但通過正負(fù)調(diào)頻雙脈沖的時(shí)延估計(jì)值可以得到消除速度距離模糊后的時(shí)延估計(jì)值0.9997 s, 此時(shí)尺度估計(jì)值為0.9931, 速度估計(jì)值為5.1622 m/s。對(duì)相關(guān)輸出修正后的結(jié)果如圖3中黑色實(shí)線所示。

3.2 調(diào)頻信號(hào)互相關(guān)法聲成像

考慮空間中一定長(zhǎng)度的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)具有3個(gè)較強(qiáng)的反射點(diǎn), 以均勻線列陣陣列中心為坐標(biāo)原點(diǎn), 其法線方向?yàn)檩S建立坐標(biāo)系, 陣列與目標(biāo)相對(duì)位置關(guān)系如圖4所示。

圖4 目標(biāo)與基陣相對(duì)位置關(guān)系

假設(shè)基陣靜止不動(dòng), 目標(biāo)以10 m/s沿著軸負(fù)方向運(yùn)動(dòng), 回波時(shí)間尺度因子為1.01。設(shè)回波信噪比-10 dB, 對(duì)該目標(biāo)進(jìn)行成像, 為了獲得準(zhǔn)確的尺度因子估計(jì)值, 需要在尺度因子維度進(jìn)行細(xì)掃描, 采用掃描步長(zhǎng)為0.005, 掃描范圍[0.980, 1.045], 經(jīng)過正向雙曲調(diào)頻信號(hào)回波處理獲得的目標(biāo)時(shí)延-尺度像如圖5所示, 計(jì)算機(jī)完成以上掃描耗時(shí)0.1126 s。以時(shí)延-尺度圖像中最強(qiáng)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的尺度因子對(duì)回波進(jìn)行二維成像, 得到的聲圖像如圖6所示(其中, 紅色圓點(diǎn)為3個(gè)反射亮點(diǎn)的真實(shí)位置, 灰色區(qū)域?yàn)槟繕?biāo)的像)。

圖5 正向調(diào)頻信號(hào)目標(biāo)時(shí)延-尺度像

采用尺度因子為1的雙向雙曲調(diào)頻信號(hào)進(jìn)行處理, 獲得的寬帶相關(guān)輸出如圖7所示, 根據(jù)圖7中正反調(diào)頻結(jié)果求得目標(biāo)回波時(shí)間尺度因子為1.0103, 與回波時(shí)間尺度因子1.01的誤差僅有0.0003, 計(jì)算機(jī)完成以上相關(guān)輸出并求解回波時(shí)間尺度因子耗時(shí)0.0223 s。根據(jù)該時(shí)間尺度因子估值調(diào)整副本信號(hào), 對(duì)波束輸出信號(hào)進(jìn)行寬帶相關(guān)處理, 獲得的二維聲圖像如圖8所示(其中, 紅色圓點(diǎn)為3個(gè)反射亮點(diǎn)的真實(shí)位置, 灰色區(qū)域?yàn)槟繕?biāo)的像)。

圖6 正向調(diào)頻信號(hào)目標(biāo)方位-距離像

圖7 雙向調(diào)頻信號(hào)寬帶互相關(guān)輸出

圖8 雙向調(diào)頻信號(hào)目標(biāo)方位-距離像

比較圖6和圖8可以看出, 采用正反調(diào)頻信號(hào)機(jī)制與采用單向調(diào)頻信號(hào)機(jī)制的寬帶方位-距離像非常接近。采用單向調(diào)頻信號(hào)機(jī)制時(shí), 需要在時(shí)間尺度維度進(jìn)行掃描才能獲得目標(biāo)回波時(shí)間尺度因子的較準(zhǔn)確估計(jì), 而采用正反雙向調(diào)頻信號(hào)機(jī)制時(shí), 無需在時(shí)間尺度維度進(jìn)行掃描即可獲得較為準(zhǔn)確的目標(biāo)回波時(shí)間尺度因子估計(jì)值, 因此運(yùn)算量大大降低。

4 結(jié)束語

文中采用正反雙向調(diào)頻信號(hào)體制, 利用正、反調(diào)頻副本信號(hào)與回波寬帶相關(guān)輸出之間的對(duì)稱性, 準(zhǔn)確估計(jì)目標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度(回波時(shí)間尺度因子), 無需在速度維(時(shí)間尺度維)進(jìn)行掃描, 并進(jìn)一步利用該速度估計(jì)值消除單向調(diào)頻信號(hào)處理獲得聲圖像在距離維上的誤差, 提高目標(biāo)圖像的準(zhǔn)確度。計(jì)算機(jī)仿真試驗(yàn)證實(shí), 文中方法與速度維搜索方法相比, 運(yùn)算復(fù)雜度降低, 且速度估計(jì)值較準(zhǔn)確, 修正后的圖像與真實(shí)仿真條件具有較高的契合度。后續(xù)工作需要進(jìn)行水池試驗(yàn)和湖海試驗(yàn), 以進(jìn)一步驗(yàn)證方法的有效性。

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Wideband Acoustic Imaging of Underwater Target Using Spatial Time-Frequency Analysis

DU Jin-xiang, XU Heng-bo

(School of Marine Science and Technology, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China)

Wideband acoustic imaging for moving target needs a large amount of computation because the scan is conducted in both range dimension and time scale dimension. On the other aspect, the waveforms with Doppler tolerance for underwater target detection have low resolution in time scale dimension, which leads to poor speed estimation, as a result, the range error during the acoustic imaging cannot be eliminated effectively and the image will be distorted. To solve these two problems, positive and negative frequency modulation(FM) pulses strategy is utilized in acoustic imaging of underwater target, and the spatial time-frequency analysis, which combines beamforming in spatial domain with wideband cross-correlation in time-frequency domain, is used to analyze the echo signals. Better speed estimation can be achieved without need for scanning in time scale dimension, so the computational load is decreased and better range migration correction performance is obtained. The better performance of the positive and negative FM pulses strategy is verified by simulation results of moving target with multiple highlights.

acoustic imaging; spatial time-frequency analysis; wideband

TJ630.34; TN911.7

A

2096-3920(2019)04-0392-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2019.04.005

杜金香, 許恒博. 基于空時(shí)頻聯(lián)合處理的水下目標(biāo)寬帶聲成像[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2019, 27(4): 392-397.

2018-11-22;

2019-01-07.

國家自然基金項(xiàng)目資助(61301197); 西北工業(yè)大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)基礎(chǔ)研究基金(1069920140011).

杜金香(1977-), 女, 博士, 副教授, 主要研究方向?yàn)殛嚵行盘?hào)處理、目標(biāo)定位以及水下聲成像.

(責(zé)任編輯: 陳 曦)