基于空時頻聯合處理的水下目標寬帶聲成像

杜金香, 許恒博

基于空時頻聯合處理的水下目標寬帶聲成像

杜金香, 許恒博

(西北工業大學 航海學院, 陜西 西安, 710072)

寬帶信號的聲成像方法需要在距離維度和時間尺度維度進行掃描, 運算量巨大。同時, 對于水下目標探測和識別, 往往希望發射信號具有較好的多普勒寬容性, 在時間尺度維度具有較低的分辨力, 并且對于空間體目標而言, 其回波中不同波形分量對應的尺度差異較小, 因此難以準確估計目標速度, 進而去除聲成像過程中由于目標運動產生的距離維誤差, 從而導致成像畸變的問題。為了解決以上2個問題, 文中采用發射雙向調頻多普勒寬容信號的策略, 無需尺度搜索, 可以準確估計目標速度, 消除聲圖像在距離維度上的誤差, 提高寬帶信號聲成像的準確性。對多亮點模型的運動目標聲成像仿真結果證實了雙向調頻波形策略具有更好的成像性能。

水下目標; 聲成像; 空時頻聯合處理; 寬帶

0 引言

近年來水下探測技術得到了飛速發展, 人們已能成功地利用聲吶完成導航、測距和定位等一系列任務。成像聲吶也已取得了較多的研究成果和實際應用, 如用于描繪海底地貌、探測海底沉船和飛機殘骸的側掃聲吶, 用于導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機制多為線性調頻信號或單頻信號, 頻率較高, 可達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], 當目標距離較遠時, 回波信噪比較低, 波束輸出的旁瓣抬高, 會導致圖像質量變差, 因此不適用于遠距離的目標探測和識別。雖然合成孔徑聲吶利用虛擬的擴展陣列可以獲得更高的空間增益, 進而提高圖像分辨率和成像作用距離, 但是對于載體的運動姿態要求較高, 限制了其在水下航行器上的應用。

對水下遠距離運動目標的準確定位、姿態判斷和正確識別主要依賴于對目標距離、方位和速度等參數的估計和高分辨能力, 進而形成目標的聲圖像[4-11]。與一般聲吶成像在近距離條件下即可獲得很精細的目標分辨率不同, 水下遠距離成像的目的在于在相對較遠距離條件下有效提取目標物理結構的空間分布特征。根據主動聲吶方程可知, 系統工作頻率越高, 在水中的衰減越大, 系統的探測距離就會受到更大的限制。因此水下遠距離目標探測主要采用相對較低的頻段, 以達到較遠的探測距離。

主動系統通過匹配濾波、相關等手段實現目標回波的檢測, 同時可利用回波信號與發射信號之間的時延和多普勒伸縮因子來估計目標距離和相對徑向速度。國內對于水下較遠距離非合作目標成像的研究取得了一些很有意義的成果。一類是結合波束形成和距離估計, 獲得目標的方位-距離像[4-6], 但是未考慮目標與成像基陣之間的相對運動情況。另外一類是基于寬帶信號回波的目標亮點距離速度聯合估計形成距離-速度像, 如文獻[7]利用交互小波變換完成體目標的聲成像, 得到了目標獨立散射點在距離-速度平面上的分布情況; 文獻[8]利用Wigner-Ville分布和Radon聯合變換技術, 提取線性調頻信號在時-頻分布上的距離和速度參數, 獲得了較為清晰的目標距離-速度像; 文獻[9]針對低速運動目標提出利用廣義崔-威廉斯分布(Choi-Williams distribution, CWD)-Hough變換生成目標的時延-時間伸縮像。以上方法考慮了寬帶目標回波信號由于目標與觀測基陣相對運動造成的距離和速度耦合問題, 生成距離-速度像的過程實際是估計目標在距離維度和時間伸縮維度的分布情況, 運算量大。目標的距離-速度像(或者時延-尺度/時間伸縮像)雖然在一定程度上反映了目標的特征, 但是無法體現目標的幾何尺寸和輪廓。文獻[10]和[11]通過對多個連續脈沖的時延-時間伸縮像之間的關系進行處理, 得到了運動目標亮點在距離和方位維的信息, 能夠反映目標的幾何尺寸。此類方法借鑒合成孔徑聲吶的思想, 要求在多個連續脈沖期間載體運動姿態穩定。

為了避免寬帶回波信號距離-時間伸縮成像過程中的較大運算量, 文中采用正反雙向調頻信號相關處理的方法, 僅需一組(或少量幾組)副本信號就可以準確估計目標相對速度, 無需形成目標在時間伸縮維度的分布情況, 修正由目標相對運動造成的圖像距離徙動問題, 利用單脈沖獲得目標的角度-距離圖像, 能夠有效反映目標的空間尺寸和姿態。

1 水下主動聲吶系統目標寬帶回波模型

當目標中含有多個反射點或目標為體目標時, 回波信號應表示為加權積分形式, 即

若目標位于觀測基陣的遠場, 其回波由個反射點的回波構成, 即

式中

則有

通過空時頻域聯合處理獲得目標的速度信息后, 可以形成目標的距離-角度像。為了更好地進行目標識別, 可以進一步通過空間轉換將距離-角度像變換為目標在三維空間中的三維點云像。

2 水下空時頻聯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可以表示為

以發射信號作為副本, 對寬帶波束輸出信號進行互相關, 則有

將式(11)代入式(13), 整理得到

常用的調頻信號中雙曲調頻信號具有良好的多普勒寬容性, 其寬帶模糊度函數的峰脊軌跡為

由此可根據正反調頻信號輸出峰值位置消除模糊, 獲得時延和速度估值, 即

獲得目標尺度因子估計量后, 可通過式(16)對相關結果進行修正, 得到準確的距離維輸出。

采用正反雙向調頻信號的寬帶聲成像處理流程如圖1所示。

圖1 雙向調頻信號寬帶聲成像處理流程

3 計算機仿真

3.1 基于正反調頻信號的速度-距離解模糊

僅發射正雙曲調頻信號時, 帶寬10 kHz, 時寬100 ms, 假設回波信號中心時延1 s, 速度5 m/s, 對應尺度因子0.9934, 點目標的寬帶相關輸出的尺度-時延圖像如圖2所示。由圖2可以看出, 采用單向調頻信號獲得的相關圖像在一定范圍內是模糊的。

圖2 點目標單向調頻信號寬帶時延-時間伸縮像

若發射信號為正反雙曲調頻信號, 帶寬10 kHz, 時寬100 ms, 假設回波信號中心時延為1 s, 速度5 m/s, 采用尺度因子為1的副本信號進行互相關處理, 得到此時尺度因子失配條件下互相關輸出結果如圖3所示。

圖3 副本信號與回波信號互相關輸出

圖中, 紅色虛線和藍色實線分別對應負調頻和正調頻脈沖的輸出結果。由于尺度失配, 2個峰值均與真實時延值1 s有一定差別, 但通過正負調頻雙脈沖的時延估計值可以得到消除速度距離模糊后的時延估計值0.9997 s, 此時尺度估計值為0.9931, 速度估計值為5.1622 m/s。對相關輸出修正后的結果如圖3中黑色實線所示。

3.2 調頻信號互相關法聲成像

考慮空間中一定長度的運動目標具有3個較強的反射點, 以均勻線列陣陣列中心為坐標原點, 其法線方向為軸建立坐標系, 陣列與目標相對位置關系如圖4所示。

圖4 目標與基陣相對位置關系

假設基陣靜止不動, 目標以10 m/s沿著軸負方向運動, 回波時間尺度因子為1.01。設回波信噪比-10 dB, 對該目標進行成像, 為了獲得準確的尺度因子估計值, 需要在尺度因子維度進行細掃描, 采用掃描步長為0.005, 掃描范圍[0.980, 1.045], 經過正向雙曲調頻信號回波處理獲得的目標時延-尺度像如圖5所示, 計算機完成以上掃描耗時0.1126 s。以時延-尺度圖像中最強點對應的尺度因子對回波進行二維成像, 得到的聲圖像如圖6所示(其中, 紅色圓點為3個反射亮點的真實位置, 灰色區域為目標的像)。

圖5 正向調頻信號目標時延-尺度像

采用尺度因子為1的雙向雙曲調頻信號進行處理, 獲得的寬帶相關輸出如圖7所示, 根據圖7中正反調頻結果求得目標回波時間尺度因子為1.0103, 與回波時間尺度因子1.01的誤差僅有0.0003, 計算機完成以上相關輸出并求解回波時間尺度因子耗時0.0223 s。根據該時間尺度因子估值調整副本信號, 對波束輸出信號進行寬帶相關處理, 獲得的二維聲圖像如圖8所示(其中, 紅色圓點為3個反射亮點的真實位置, 灰色區域為目標的像)。

圖6 正向調頻信號目標方位-距離像

圖7 雙向調頻信號寬帶互相關輸出

圖8 雙向調頻信號目標方位-距離像

比較圖6和圖8可以看出, 采用正反調頻信號機制與采用單向調頻信號機制的寬帶方位-距離像非常接近。采用單向調頻信號機制時, 需要在時間尺度維度進行掃描才能獲得目標回波時間尺度因子的較準確估計, 而采用正反雙向調頻信號機制時, 無需在時間尺度維度進行掃描即可獲得較為準確的目標回波時間尺度因子估計值, 因此運算量大大降低。

4 結束語

文中采用正反雙向調頻信號體制, 利用正、反調頻副本信號與回波寬帶相關輸出之間的對稱性, 準確估計目標的相對運動速度(回波時間尺度因子), 無需在速度維(時間尺度維)進行掃描, 并進一步利用該速度估計值消除單向調頻信號處理獲得聲圖像在距離維上的誤差, 提高目標圖像的準確度。計算機仿真試驗證實, 文中方法與速度維搜索方法相比, 運算復雜度降低, 且速度估計值較準確, 修正后的圖像與真實仿真條件具有較高的契合度。后續工作需要進行水池試驗和湖海試驗, 以進一步驗證方法的有效性。

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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. 基于空時頻聯合處理的水下目標寬帶聲成像[J]. 水下無人系統學報, 2019, 27(4): 392-397.

2018-11-22;

2019-01-07.

國家自然基金項目資助(61301197); 西北工業大學中央高校基本科研業務費基礎研究基金(1069920140011).

杜金香(1977-), 女, 博士, 副教授, 主要研究方向為陣列信號處理、目標定位以及水下聲成像.

(責任編輯: 陳 曦)