（信号与信息处理专业论文）干涉合成孔径声纳三维成像研究.pdf

生些削k 人学预上学位论文 摘要 摘要 干涉合成孔径声纳( i n t e r f e r o m e t i cs y n t h e t i ca p e r t u r es o n a r i n s a s ) 是在合成 j l 径声纳( s y n t h e t i ca p e r t u r es o n a r s a s ) 基础上垂真航迹方向增加- 哥l j ( 或多副) 接 收基阵，通过比相测高的方法得到场景的高度信息，从而得到场景的三维图像。 可用于航道测量、地形地貌测绘、水下考古、打捞和石油工业以及识别水雷等， 研究干涉s a s 对于我国国民经济建设和国防具有重要意义。 本文首先从s a s 二维成像技术研究入手，给出了点目标s a s 回波数据计算 机仿真过程，并重点介绍了s a s 二维成像算法和基于回波信号的s a s 运动补偿 偏置相何中心方法( d i s p l a c e dp h a s ec e n t e r l 。 论文对于涉合成孔径声纳信号处理进行了全面的论述和深入的研究，对其中 的关键技术如复图像配准算法、干涉图降噪滤波以及干涉幽二维相位展开进行了 逐一重点分析。 论文主要讨论了基丁二几何形变和基j 二相关系数的两种配准方法，并通过仿真 数据验证了复图像配准的f 确性。 论文分析了干涉相他图的相位特性，并对像素甲均法、条件邻域均值法、模 糊中值法和矢量滤波法四种降噪方法进行比较分析。 论文对二维相位展开问题进行全面和详细的沦述，重点分析了分支截断算 法、质量图路径跟随法、最小不连续性算法、非加权和加权n d , - - 乘算法的原理 与实际应用。最后对各种算法的有效性、运算时问等性能指标进行了综合比较， 并给出了比较结果。 最后，论文对全文工作进行了总结，并指出有待进一步研究和解决的问题。 关键字：s a si n s a s 运动补偿图像配准干涉图降噪二维相位解卷残斟点 西北工业大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t i n t e r f e r o m e t r i cs y n t h e t i ca p e r t u r es o n a rp r o v i d e sa3 - d i m e n s i o n a li m a g eo ft h e t a r g e ta r e at h r o u g ht h ep h a s ed i f f e r e n c eb e t w e e nt w o2 - d i m e n s i o n a li m a g e so b t a i n e d b yt h es a sp r o c e s s i n g ，w h i c hi sh e l p f u la n dm e a n i n g f u lt o s e a r o u t em e a s u r e m e n t ， t e r r a i n m a p p i n g ，u n d e r w a t e ra r c h a e o l o g y , s a l v a g e ，t h e o i l i n d u s t r ya n dt h e i d e n t i f i c a t i o no ft h em i n e s oi tw i l lb es i g n i f i c a n tt ot h ee c o n o m i cc o n s t r u c t i o na n d n a t i o n a ld e f e n s eo fo u rc o u n t r yt or e s e a r c ht h el n s a s a tt h eb e g i n n i n g ，t h es a si m a g ep r o c e s s i n gt e c h n i q u eh a sb e e na d d r e s s e d ，t h e n t h es a se c h om o d e lo fp o i n tt a r g e ti si n t r o d u c e da n dt h e i m a g i n ga l g o r i t h m s i n c l u d i n gb e a m f o r m i n ga l g o r i t h m ，r a n g e d o p p l e ra l g o r i t b m a n dw a v e n u m b e r a l g o r i t h ma r ed e e p l yd i s c u s s e d t h ed i s p l a c e dp h a s ec e n t e rm o t i o nc o m p e n s a t i o n m e t h o db a s e do nt h ee c h od a t ai sa l s oa n a l y z e d t h eh _ 1 t e r f e r o m e t r i cs i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n i q u ei sc o n l p r e h e n s i v e i ys t u d i e d t h e i m a g er e g i s t r a t i o n ，t h en o i s e f i l t e r i n go ft h ei n t e r f e r o g r a ma n dt h e2 - d i m e n s i o n a l p h a s eu n w r a p p i n go ft h ei n t e r f e r o g r a ma r ef u l l yi n v e s t i g a t e ds t e pb ys t e p t w oi m a g ea l g o r i t h m s ，t h e g e o m e t r y - b a s e da l g o r i t h ma n dc o e f f i c i e n t - b a s e d a l g o r i t h ma r ed i s c u s s e d ，a n dt h ea c c u r a c yo ft h e s et w oa l g o r i t h m si sv a l i d a t e dt h r o u g h t h es i m u l a t e dd a t a t h ep h a s ec h a r a c t e r i s t i co ft h ep h a s ei m a g ei sa n a l y z e d t h ep i x e l a v e r a g e a l g o r i t h m ，t h ec o n d i t i o n a ln e i g h b o r h o o d a v e r a g i n ga l g o r i t h m ，t h em o r p h o l o g i c a la n d m o d i f i e dm e d i a nf i l t e r i n ga l g o r i t h ma n dt h ev e c t o r - f i l t e r i n ga l g o r i t h ma r ei n t r o d u c e d a n dc o m p a r e d t h e2 - d i m e n s i o n a lp h a s eu n w r a p p i n gp r o b l e mi sc o m p r e h e n s i v e l ya d d r e s s e d ， a n dt h eg o l d s t e i n sb r a n c h c u ta l g o r i t h m ，t h eq u a l i t y - g u i d e da l g o r i t h m ，m i n i m u m d i s c o n t i n u i t ya l g o r i t h ma n dl e a s ts q u a r ea l g o r i t h m a r es t r e s s e d f i n a l l y , t h e p e r f o r m a n c ec o m p a r i s o no ft h e s ep h a s e u n w r a p p i n ga l g o r i t h m si sg i v e n i nt h ee n d ，t h ew h o l ew o r ki sc o n c l u d e da n dt h ei m p l i c a t i o n sf o rf u t u r er e s e a r c h a r ed i s c u s s e d k e y w o r d s ：s a s ，i n s a s ，m o t i o nc o m p e n s a t i o n ，i m a g er e g i s t r a t i o n ，t h en o i s e f i l t e r i n g o f t h ei n t e r f e r o g r a m ，t h e2 - d i m e n s i o n a lp h a s eu n w r a p p i n g ，r e s i d u e s 荫北一i 业大学硕十学位论文第章绪论 第一章绪论 1 1 合成孔径声纳和干涉合成孔径声纳概要 根据1 9 9 4 年生效的联合田海洋法公约，我国管辖的海洋专署经济区有 3 6 0 力平方公里，拥有1 1 8 万公罩长的海岸线，沿海岛屿星岁棋布，大约有6 5 0 0 个。全刨有4 亿人口生活在2 0 0 公单范围内的沿海地带。沿海地区国民经济总产 值占全国闰民经济总产值的6 0 ，我国足个名副其实的海洋大国，但目前还不 是一个海洋强围。可以说发展声纳技术是维护海洋权益，保障围家安全、开发海 洋资源、保护海洋环境的重要战略。 声波是人类迄今为止所知道的惟一能在海水中远距离传播的能量形式，其 他的能量辐射形式，如光波和电磁波都不能存海水巾远距离传播。海水作为声波 的传播介质，i 海而和海底一起构成了声传播通道，有时候称为水声信道，这个 传播通道具有非常复杂的特性，研究声波存水下的产生、传播和接收的规律，在 理论和实践中都具有很重要的意义。作为这利，应用的一个主要领域就是声纳。声 纳就是利用声波对水下目标进行探测、定位利通信的电子设备。由于声纳是一种 特殊的水声设备，一部分存水中，部分不在水中，所以整个系统可以分为两个 部分，刊惯卜称为湿端和干端。 由j ：传统的侧扫声纳成像分辨率受发射阵尺寸、发射信号频率以及作用距离 等限制，成像精度不是很高，在一些高分辨应用中不能达到要求，囚此人们将合 成孔径雷达原理推广到水声领域，就m 现了合成孔径声f n ( s y n t h e t i ca p e r t u r e s o n a r s a s ) 。s a s 是一利t 新型高分辨水下成像声绌，可以用_ 丁水卜- 军事目标的探 测和识别，最直接的应用就是对沉底水雷和掩埋水雷的高分辨探测和识别。在国 民经济方面，可以用_ 丁海底测量、水下考古和搜寻水下失落物体等，尤其可以进 行高分辨海底测绘，对数字地球研究具有重要意义。 s a s 基本原理【2j 是利用小孔径基阵的移动，通过对不同位置接收信号的相关 处理，米获得移动方向f 方位方向) 上大的合成7 l 径，从而得到方位向的高分辨力。 从理论上讲，这利；分辨力和探测距离无关。直观地说，距离越大，合成孔径长度 就越长，合成阵的角分辨率就越高，从而抵消了距离增大的影响，保持了方位向 分辨力不变。 文献 1 给出了一个e f 中科院声学研究所和船舶重工集团杭州应用声学研究 所联合研制的实验s a s 系统，并指出合成孔径声纳系统一般由三个分系统组成： 1 ) 声纳分系统，由合成孔径声纳基阵、发射机、接收机、数据采集、传输和存储 西北i ：! l k 人学硕士学位论文筇一章绪论 子系统、声纳信号处理机和显控台等组成；2 ) 姿态与位移测量分系统，由姿态、 位移测量系统和g p s 等组成；3 ) 拖曳分系统，由绞车、拖缆和拖体等组成。 合成孔径声纳自2 0 世纪5 0 年代出现以来，至今己获得飞跃式发展。w a l s h 在1 9 6 9 年第一次对s a s 进行了描述。1 9 7 3 年，s a t o ，u e d a 和f u k o d a 给出了第一 次进行实验的结果。在1 9 7 6 年，l j c u t r o n a 发表论文对使用真实孔径的声纳和 使用合成孔径的声纳成像性能进行了比较，得出的结论是s a s 系统可以在很低 的频率下进行工作，并具有较少的衰减和较少的功耗。从此以后，s a s 技术才变 得慢慢成熟起来，但由于介质的不稳定性、拖体速度的限制以及平台运动误差的 影响，s a s 发展相当缓慢。7 0 年代和8 0 年代由于相关性研究的发展减轻了人们 对海洋媒质的担心，并且发现其他问题也不是不可能逾越的。1 9 9 0 年，由欧共 体资助欧洲开始进行实时s a s 系统的研究工作。目前，他们开发的a c i d 系统口】 及其改进的s a m i 系统【4 l 成功地进行了海试，获得了相当好的合成孔径声纳地貌 图像。美国r a y t h e o n 公司组织研制的d a r p a s a s 系统p 1 应用于对水雷进行探测 和以别，在l k m 的距离上分辨率能达到1 0 c m 。还有新西兰c a n t e r b u r y 大学研制 的k i w i s a s 系统等，一些在公丌文献上发表的实时s a s 系统如表1 1 所示。 。d 嚣k i a w s i - s s a m 。 c e s a r s 0 8 净m c m u c s bs asss a s s aa s s a s 曩墨鬻豢曩+ 5 。0 。3 0 7 “0 、8 ，、 i 1 2 5 薹5 i 。i 够j ；誊6 孽0 0 7 ：i 拖体述度( ”e ) l 0 2 5 - 0 - 51 5l 52 o ，l ， 一”：i 璋- k f m ) 纛 + 1 5 “，“，0 3 。? ；2 0 1 5 。 j 。一0 5 。0 ：2 5 方位守盆辨率一：一一1 1 1 5j - 1 5 0 。0 3 ，1 2 5 - ? 1 _ 2 5 1 i 。? ；5 黪嚣黎熟? 。参7 5 。薹薯5 ，i 童；_ 蕊l 。j 遴? i 毒0 i 7 蓑5 蓉。薹豢篡1 9 誊 发射单元 l 。j 一1 _ - - 、 l 。l +_ 。；1 07 。+ l j 接收单零“”。+ 0 67 “j l 。 ；+ ，? 一l 4 。z _ 1 6 ；1 ： + f 。型t 6 _ 誊i 1 1 1 i j “1 0 一i 测距( m ) 1 0 0 1 0 0 2 5 0 0 一 5 0 1 | 1 0 0 ：i t o o 夸菇萄箍誊瀑拳，j墨黪芸姜诔”“。摹誉黎|菇：n瓣orthraytheon c a n t e r b u r 娄蒸冀瓣 主要研制萍位i 冀j 欧共体5 雾警? 积n ，。妇n ；j 囊；i i 菇霉爹 。_ “ 一 = 公_ 。碗y 灭学+ 、 ；7o ；? ：? 1 1 _ 7 。粤岔曩二 但合成孔径声纳作为一种水f 成像设备，受水下复杂条件的影响，有不同于 合成孔径雷达( s y n t h e t i ca p e r t u r er a d a r s a r ) i j 勺特点。首先是声传播信道的非理 想性比合成i l 径雷达中电磁波传播的严重：其次是声纳拖体的运动稳定性比合成 孔径霄达要差得多：再者，因为声速大人低于电磁波在空间的传播速度，从而大 大限制了拖体运动的速度；最后，由于声纳中常采用宽带信号而使雷达中的一些 西北上业大学硕士学位论文第一章绪论 窄带信号处理方法在合成孔径声纳中不再适用，需对已有的算法进行改进或研究 新的算法。这正是合成孔径声纳研究极富挑战性之所在。 干涉合成孔径声纳( i n t e r f e r o m e t r i es y n t h e t i ca p e r t u r es o n a r - l n s a s ) 6 - 11 是在 s a s 基础上在垂直方向上增加一副( 或多副) 接收基阵，通过比相测高的方法得到 场景的高度信息，从而得到场景的三维图像。h l s a s 兼备了s a s 分辨率与成像 距离和工作频率无关的优点以及干涉测深精度高的优点，近年来在国际上发展迅 速。 i n s a s 一直是s a s 研究人员追求的目标。1 9 9 2 年l e e 雷达与声纳杂志就有 i n s a s 的水池试验结果报道。1 9 9 8 年美国研制的d a r p a 合成孔径声纳具各干涉 测深的功能，2 0 0 0 年法国t h o m s o n m a r c o n i 公司研制的i m b a t 3 0 0 0 也有i n s a s 功能。近年国外还报道了许多轨道i n s a s 。文献 2 介绍对b a n k s 和g r i f f t h s 报道 的英国防务评估和研究机构( d e r a ) 轨道i n s a s 进行了介绍，其轨道长1 0 米， 成像距离大于1 5 米。p i n t o 等报道的轨道l n s a s 带宽达6 0 k h z 。 图1 1 给出了挪威困防研究组织( n o r w e g i a nd e f e n s er e s e a r c he s t a b l i s h m e n t ) 年1 k o n g s b e r gs i m r a d 共同研制的基于水下机器人的干涉s a s 系统i n s a s 2 0 0 0 t 1 2 】， 左边为拖体运行轨道，右图为发射阵和接收阵的布放位置，t x 表示发射单元， r x l 和r x 2 表示两个垂直方向的接收阵列。i m u ( i n e r t i a lm e a s u r e m e n t u n i t ) 代表惯 导测量单元，用于进行运动补偿。m a m a ( m u l t i p l ea x i sm o t i o na c t u a t o r ) 表示多 轴运动激励器，可用来强加某种特定的运动。图1 2 ( a ) 显示系统对一个梯子目标 的s a s 成像结果。罔1 2 ( b ) 显示了系统对一个位于水底的自行车进 t s a s 成像结 果。可以看到成像结果可以分辨出预定目标形状。图1 3 ( a ) 为系统对意大f f l j e l b a 岛海底五日标二维显示结果图，( b ) 为其下面三个目标对应的三维显示结果。 n1li n s a s 2 0 0 0 外形幽 两北丁= 业大学硕士学位论文 第一章绪论 ( b ) 图1 2 ( a ) 左边：目标梯子中、右边：s a s 成像结果图 ( b ) 左边：白行车目标中、右边：s a s 成像结果图 ( a )( b ) 幽1 3 ( a ) 意大利e l b a 岛海底成像结果图 ( b ) 对应于( a ) 图中下三个目标的干涉s a s 三维成像结果 我国海洋测绘方面只开展过多波束测深研究，精度不高。基于干涉测深的研 究仅限于水池实验，但没有涉及到相位卷绕问题，因此尚不能实用。 中国科学院声学所联合船舶重工集团杭州7 15 所在国家海洋8 6 3 项目的支持 下已经完成了湖试样机。本论文基于此研究基础之上对干涉s a s 三维成像信号 处理展丌深入的理论和实验研究，对推动我国干涉合成孔径声纳信号处理技术的 研究具有参考意义。 1 _ 2 干涉合成子l 径基本原理 干涉处理系统是基于两个独立的合成孔径成像的，其几何结构如图1 4 所示。 4 p q j p , 3 4 业大学硕士学位论文第一章绪论 图1 4 干涉合成孔径声纳示意剀 对于两个合成孑l 径声纳同时固定在同一系统中对目标区域进行成像的系统 我们称之为单过次系统( o n e p a s ss y s t e m ) ，而同一合成孑l 径声纳分别对同一区域 以不同视角进行成像的系统我们称之为双过次系统( t w o - p a s ss y s t e m ) 。单过次系 统由于n l i 汁和校正运动误差等问题经常应用于机载合成孔径中，而双过次结构由 于达到两只天线之问物理空间的分离是很困难的，经常应用于星载系统中。 如图1 4 所示，两个孔径之间的连线称为基线，表示为b ，并有一个f 度的 倾角。两个孑l 径对同一区域进行成像，每一个像紊代表场景中个离散的点目标。 假定两幅s a s 图像是完全精确配准的f 将在第血章介绍) ，每一幅成像中每点像素 可表示为 只( x 。，y o ) = i i f f ( x ，y ) w ( x z j ) e x p ( - 2 业o r l ) d x a y 十月i ( 1 1 ) b ( z o ，y o ) = i i f f ( x ，y ) w ( x z o ) e x p ( - 2 j k o r 2 ) d r 咖+ n 2 ( 1 2 ) 其中，r 2 为孔径到目标场景中每一个散射点的距离，w ( x ，y ) 表示系统的冲击响 应。k 。表示如下 k 。一c o o 孕 ( 1 3 ) o 其中五。是载波波氏。( 1 1 ) 和( 1 2 ) 式n 表示热噪声，这里可以忽略不计。 假设主s a s 图像和轴s a s 图像完全配准，并且两幅图像中每一像素都保持 其原有的相对相位( 称之为相位保持，这是我们使用干涉技术进行合成孔径声纳 成像的必要条件之一) 。第三章介绍的c o k 方法具有相位保持的特性。文献 1 3 】 俐述了k 算法适合进行干涉合成孔径声纳成像。 我们假定_ ，b ，h ，九，f 都是已知的，对于某一像素点而言，图像之间的相位 筹为 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 。= 警( ，2 一) ( 单过次)( 1 4 ) a , 0 铲等( ) ( 双过麴 ( 1 5 ) 在单过次系统中，单发射阵发射信号而两个接收阵同时接收信号，在双过次 系统中，两个孔径都有独立的发射阵，因此图像对之间的距离差应为单过次的两 倍。 由余弦定理我们得到， = 2 + b2 + 2 q b c o s ( 0 + f ) ( 1 6 ) 由( 1 4 ) 式得到 吩= + 兰2 z 生d ( 1 7 ) 由( 1 6 ) 式得到入射角 日= c 。s 。 三三二j ； 一f c t s ， 该像素对应的高度可以计算为 h = h 一c o s 0( 1 9 ) 对配准后的图像列中的每点像素进行如。t 处理就可以产生一个目标场景 的三维成像结果。这是干涉合成孔径声纳成像的一个基本原理，但还需很多处理 过程保证其正确的完成。我们将在后面几章逐一讨论。 1 3 干涉合成孔径声纳处理问题 以 二介绍只是干涉合成孔径卢纳的基本原理。在实际的干涉成像处理过程 中，我们还必须完成以下几个步骤。 一、s a s 成像 两副接收阵所成的不同s a s 复图像是干涉成像的基础和必要条件。首先用 s a s 成像算法对原始资料进行二维成像。 干涉合成孔径得到目标地形高度是利用比相测高的原理，如果两幅s a s 图 像的相位信息不准确，将直接导致干涉处理失败，所以在本论文中我们采用保相 的国一k 算法。 _ 二、 图像配准( i m a g er e g i s t r a t i o n ) p q 北1 = 业大学硕士学位论文第一章绪论 用于干涉处理的两幅s a s 图像在距离向和方位向都会存在一定的错位和扭 曲，导致两幅s a s 复图像中同一位置像素对应不同的散射点，因此必须对s a s 图像对进行配准，使两幅图中同样位置的像素对应地面同一散射点。配准的好坏 影响着生成的干涉条纹的质量，从而影响提取高程的精度。当两幅s a s 复图像 正确配准时，干涉后形成的相位图为明暗相间的条纹，条纹的变化包含着目标地 形的信息，配准精度越高条纹越清晰；反之，干涉条纹会模糊，甚至消失。 三、 干涉( i n t e r f e r o m e t r i c ) 将配准后的主复图像中各像素乘上辅复图像中的对应像素的共轭，所得结果 的相角即为两次成像的相位差。但由于复数相角的周期性，干涉得出的不是直接 两次成像相位差的原值，而是被周期2 疗卷绕后的主值，位于l 一万，疗i 之间，直观 地反映在图像上为明暗相间的条纹。 四、 干涉相位图滤波( p h a s ef i l t e r i n g ) 由于干涉的信号来自y - 两个接收传感器，因而不可避免地受到各种噪声的影 响。为了保持相位条纹清晰利于后续解卷处理，我们必须对干涉图进行降噪滤波。 f 日由于干涉相位图的值在l r - , 厅) 之间，因此在滤除噪声的同时，应考虑到相位 跳跃的存在，尽可能地保留干涉条纹的纹理特征信息。 五、二维相位解卷( p h a s eu n w r a p p i n g ) 下涉处理从信号中只能得到干涉相位的主值空问卜”，7 】，与真实相位信息 存在2 n 丌的相位模糊，必须依据卷绕后的相位主值把卷绕前的相位恢复出来才能 进行目标高度估计，因此二维相位解卷是干涉合成孔径成像处理的关键及难点。 六、相位高度变换 在系统参数已知的情况下，根据干涉s a s 的空间几何关系，根据上述干涉 比相测高的原理由解卷相位差得到目标高度信息。 整个干涉合成孔径声纳处理过程如图l ，5 所示。 1 4 论文主要内容及安排 本文以合成孔径声纳成像为基础，以干涉合成孔径声纳为研究对象，以干涉 合成孔径声纳信号处理理论为主线，通过原理介绍、概念定义、理论分析和仿真 实际数据处理等手段，对海底干涉三维成像技术进行全面的介绍，尤其对二维成 像技术和三维_ t 涉处理、干涉相位图降噪和二维相位展开等关键技术进行了重点 分析。本文共分七章，具体安排如下： 第一章介绍了s a s 和干涉s a s 的研究背景及意义，回顾其发展历程以及国 内外研究现状。 第二章介绍了s a s 的成像基本原理，线性调频信号选择以及脉冲压缩处理， 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 并给出了s a s 回波数据计算机仿真模型，最后指出了合成孔径声纳中一些需要 解决的问题。 第三章主要介绍了s a s 成像算法。本章主要分析了最常用的三种s a r 成像 算法在s a s 中的应用：逐点聚焦成像算法、距离一多普勒( r a n g e d o p p l e r ) 成像算 法和波数域( 翻一”成像算法，并详细列出了这三种算法的成像机理，最后给出 了仿真结果。 第专；幔晦摈蝗凰坡数据障姜幅蘧蔟峻鳓馥蠹罐 t j t = ； “i t n b ；麓* 、。勰i 。 ， 。点。一一_ 。鲫+ a- 一+ 二i 、基一。= i + j 驾，r ) “；4 是i 釜2 _ ； i + 萋、秘：。岁蹩2 鼙器；强“z 慧e 譬誊i 誊! 臻；蛋净箩 r i 。 + ：。 z _t ；i 置瞎复图像0 。毫。+ 。融簖目复摩像! ；叠 f 撼一 一她+ = 糍瓣x 蠕嚣协避鲻 ：；瓠i = 。一t - 。t j 荨i 、搭l 。一j ；麒 ：囊鬻鞠麟麓誉! 淘 + 黉i 鬻i 缫蓼鬻誉鬻攀1 淘 麟：篓篓嚣孽黪爹：慧篡蒌 震黛；嚣鬻鳞鬻3 鬻 豢鬻瀵j 磐蠹夔鬟葱i 蒸窝 一、j t fz o t 。，。 、j | 1 r 一_ * 。i 尊蕊j 瑟孽墓蠹褰謦戮2 熬童i 蠹豢j 圈15 i n s a s 信号处理过程图 第四章主要介绍了s a s 成像过程中的运动误差对成像质量的影响，简要介 绍了基于硬件系统的运动补偿方法，并详细介绍了基于回波数据的等效相位中心 ( d p c ) 方法。 西北：业大学硕士学 ：奇：论文第一章绪论 第五章介绍了s a s 复图像配准过程，以及相关系数的计算方法。并介绍了 基于几何配准和相关系数的两种常用配准方法。 第六章讨论了干涉图相位降噪滤波问题。首先介绍了于涉相位图以及残留点 的概念。然后分析了针对干涉相位图的四种降噪方法：传统的像素平均法、非线 性滤波的条件邻域均值法、模糊中值法和向量滤波法。并通过仿真和真实数据处 理对四种方法进行了性能比较。 第七章讨论了干涉相位图解卷的基本原理以及相关知识，对二维相位展开问 题进行全面和详细的论述，重点分析了分枝截断算法、质量图引导路径跟随法、 最小不连续性算法、非加权和加权的最小二乘算法的原理与实际应用，最后根据 仿真数据和真实数据处理，总结出了各个算法的优缺点以及算法应用范围。 论文最后对全文的工作进行总结，同时指出有待进一步研究的问题。 1 5 论文的创新点 论文系统深入地研究了_ 丁+ 涉合成孔径声纳系统中的信号处理问题，对干涉合 成孔径声纳处理的重要环节都进行了详细地论述，论文主要的创新点如下： 1 时f 涉相位图特性和降噪滤波方法进行了深入的研究，作者先从维卷绕相 位入手，分析了干涉相位具有2 z 周期性的特点，原有的降噪滤波方法如像素 平均法和条件邻域均值法没有考虑上述特性，闪此降噪处理破坏了干涉相位 图的条纹特性。作者认为模糊均值法和向量滤波法由于考虑了干涉相位具有 2 玎周期性的特性，能够在滤除噪声的同时，还能保持相位图的干涉条纹特性， 有利于后续的解卷操作。一维相位和二维干涉相位图的降噪处理结果验证了 作者以上论点。其中向量滤波法由于作了正余弦变化，使得相位之l 、口j 不再有 跳变一7 - 到7 的调变，通过对实际数据的处理发现可以更好的滤除噪声，是一 种基于干涉相位图的最优降噪方法。 2 二维干涉相位图解卷时，当质量图受噪比较严重时，质量图无法识别残留止 分布，凶而无法提供必要的相位图质量信息，质量图引导路径跟随法和加权 最小二乘算法无法获得精确的相位展开结果，作者首先提出了首先对于涉相 位图进行矢量滤波以获得较好的质量图，在获得高质量质量图的基础上再进 行解卷处理，数据处理结果表明，该方法可以很好地解决当干涉图含有较多 的噪声时上述两种算法失效的问题，使得算法的宽容度增大了，最终可以获 得较高精度的相位展丌结果。 西北工业大学硕- ：学位论文 第二章合成孔径声纳简介 第二章合成孔径声纳简介 由于干涉合成孔径声纳三维成像图是在合成孔径声纳成像的基础上完成的， 所以在本章中我们主要讨论一下合成孔径声纳成像的基本原理。 2 1 合成孔径声纳基本原理 我们知道，对于孔径尺寸为d 的发射阵，其半功率点波束宽度9 1 大约为 岛d b = 2 n ( 2 1 ) “ 其中丑为发射信号的波长。如果目标距发射阵的距离为，则用线性尺寸表示的 目标方位分辨率为 p = r 0 岛d 。= 姜，0 ( 2 2 ) u 从( 2 2 ) 式可以看到，发射阵孔径d 越大，对目标的方位分辨率越高。但是， 由于实现上的困难，我们不能无限制地增大发射阵尺寸，因此真实孔径声纳的目 标分辨率是相当有限的。i 司时也应注意到p 正比于，即真实孔径剐远距离目标 的方位分辨率是很差的。此外，要想获得较高的分辨率，必须提高信号f 勺发射频 率。而信号的衰减随着频率的增大而增大，这就意昧着我们需要用更大的发射功 率l 能获得传输更远的距离。 图2 1 合成孔径声纳示意幽 面临以上问题，我们设想用孔径为d 的真实孔径声纳的运动来等效地构成一 个大孑l 径声纳，则目标方位分辨率可得到提高。可以证明，满足一定的条件就可 以在运动方向上获得一个等效的大的天线孔径，则声纳对目标的分辨率将提高 l d 倍。图2 1 给出一个合成孔径声纳示意图。 p h 北r 业大学硕士学位论文第一二章合成孔径卢纳简介 一个合成孔径声纳使用真实孔径在许多方位向位置处发射和接收信号，来获 得一个更大孔径的分辨率。合成孔径阵元的最大尺寸由真实尺寸声纳的发射半功 率波束宽度所覆盖的目标区域所决定，如图2 2 所示，要照射l = 臼。的目标区 域，真实孔径大小为d 即可，但对应合成孔径的等效大小却为2 上，即 d “= 2 r 0 0 3 d b( 2 3 ) 所以合成孔径声纳的方位向分辨率为 一好南w 壶2 罢 亿4 ， d 合成孔径 真实孔径 图2 2 合成孔径声纳侧视图 因此可以看出，与传统声纳不同，方位向合成孔径声纳的分辨率独立于目 标距离和发射信号频率，仅由真实孔径声纳尺寸d 决定，并且d 越小分辨率越 高，我们可以在低频下( 意味着信号衰减小和作用距离远) 得到比真实孔径声纳分 辨率高的图像来。但方位分辨率并非可以无限地提高，可以证明其方位分辨率 极限川为： p 鲁 ( 2 5 ) 由此可以总结合成孔径声纳形成条件为：真实孔径声纳相对于目标运动，并 发射线性调频信号，记录接收信号并做适当信号处理，使对同一目标单元的各个 回波信号能够同相叠d r i ( r 称为聚焦) 。 s a s 是通过发射阵相对于目标的运动来获得高分辨的。这种方法只能在航迹 方向( 即方位向) 获得高分辨，在与其垂直的方向( 即距离向) 必须采用别的方法来 获取商分辨率。通常我们采用脉冲压缩技术来狭取距离向高分辨牢，因为此种技 人 西北工业大学硕士学位论文第二章合成孔径声纳简介 术还能以较低的峰值功率产生较高的平均发射功率电平，从而达到较大的作用距 离。这时发射阵在每一个方位向位置上发射相同的线性调频信号，接收时通过匹 配滤波器将其压缩为窄脉冲，从而获得高的径向距离分辨率 n = j 1c 铲三专 ( 2 6 )p r2 j 。2 j 百( 2 - 6 ) 其中，f 为声速；为压缩后的脉冲宽度，f 。= l i b ；b 为线性调频信号的频宽。 因此增大信号带宽可以提高距离分辨率。 但在实际应用中要求的是水平距分辨率，即图2 2 沿y 轴方向的分辨率p 。 显然，对于入射角为0 的情况下， 一。丽i j r ( 2 7 ) 2 2 线性调频脉冲信号及脉压处理 2 2 1 线性调频信号 在应用中，我们选择线性调频信号( l i n e a rf r e q u e n c ym o d u l a t i o n ) 作为发射脉 、巾，线性调频脉冲信号【1 4 】的时间函数可以表示为 印，= 护拗嘲，) 】嚣亿7 1 2 1 s ， 其瞬时频率为 们) = 去导妒( f ) = 厶+ k t f _ 丁2 ，t 2 】 ( 2 9 ) 其中k = b t 为信号频率变化率，或称为调频斜率；b 为信号的调频宽度。 图2 3 ( a ) 给出了载频为2 0 k h z ，频宽为1 0 k h z ，脉冲长度为5 毫秒的线性调 频信号。( b ) 是水池实验中接收到的线性调频回波信号。( c ) ( d ) 为( a ) 和( b ) 的放大结 果，可以看到频率随采样点数增大而增大。( e ) 和( f ) 是分别是线性调频信号的频谱 图。( g ) 和( h ) 分别是距离向脉压后的结果。 ( a ) 西北工业犬学硕士学位论文第二章合成孔径声纳简介 采样点数 ( c ) 来样点数 ( d ) l 孵 i “ 讲l 吣 采样点数 ( h ) 图23 点目标同波数据( a ) 仿真线性调频信号( b ) 实验同波数据( c ) ( a ) 中数据放大结果 ( d ) ( b ) 中数据放人结果( e ) 仿真数据频谱( f ) 实验数据频谱 ( g ) 仿真数据脉压结果( h ) 实验数据脉压结果 2 2 2 脉压处理过程 对于线性调频发射信号而言，合成孔径声纳成像的第一步处理就是对回波信 号进行距离向脉冲压缩【8 1 。脉压处理的本质就是对回波信号做匹配滤波。其具体 过程为在频域内对接收到的信号乘上发射脉冲的复共轭，表达式如下 p ( t ) = i f f t ( f f t ( j ( t f ) ) c o 形l ( s 【f ) ) ) )( 2 1 0 ) 其中p ( t ) 为脉压过的脉冲信号，j ( f ) 为发射线性调频脉冲信号。一般脉冲压缩后 的信号多为s i n e 函数。 西j b 工业大学硕士学位论文第二章合成i l 径声纳简介 图2 4 ( c ) 所示了将一个线性调频信号( 图2 4 ( a ) ) 与其经过延时后的信号( 图 2 4 ( b ) ) 进行叠加后的结果，我们可以发现叠加的信号后无法分辨出原始两个信 号，但我们对合成信号进行脉冲压缩处理后，如图2 4 ( d ) 所示，图中的两个尖脉 冲表示原有信号中有两个与发射信号相同的信号，因此就可以分辨出原有的两个 信号。可以看到脉压后的信号脉宽明显小于原始信号的脉宽，分辨率得到很好的 提高。 ( b ) ( c )( d ) 图2 4c h i r p 脉压处理结果( a b ) 线性调频信号( c ) 相互叠加的两个线性调频信号 ( d ) 对( c ) 进行脉压处理后的结果 2 3 合成孔径声纳回波数据仿真模型【9 s a s 成像有两种主要成像模型，分别为条带模型和聚束模型。在条带模型 系统中，拖体经过孔径时发射波束垂直于运动方向，并照射块目标区域。如图 2 5 所示。相反的，聚束模型系统在整个时i h j 内发射波束照射特定的区域。但是 目前还没有出现实际可操作的聚束s a s 系统，我们在此只讨论条带s a s 模型。 下面我们给出s a s 成像使用到的数据模型。注意到，图像区域对应的坐标 为( 五y ) ，相应的回波数据对应的坐标为，“) ，代表采集数据时间，代表方位 向坐标。假设目标场的复反射率分布为( x ，y ) ，则原始的未脉压的回波信号为 ， 一、 e e ，o ，“) = ff 0 ，y ) fa ( t y 一“) + ，p 。ft - 兰石2 + 一“) 2 伽( 2 1 1 ) 陌北工业人学硕士学位论文第二章合成孔径卢纳简介 图2 5 合成孔径卢纳逐线成像模型 其中p 。o ) 为发射的线性调频信号，a ( t ，x ，y 一“) 表示天线有限尺寸的影响，与目 标的位置及信号频率有关吲。信号衰减系数l 、x2 + 0 一“) 2 在这里由于对分析影 响不大所以不予考虑。 这里我们对数据模型做了以下假设：第一，模型忽略了介质扰动、折射以及 多途的影响，且声速保持恒定，信号是沿着一条直线传播，因此传播延时正比于 目标距平台的距离。第二，我们不仅忽略了日标高度非零的影响，并且在( 2 1 1 ) 式中也忽略了平台的高度，但在后面的干涉合成孔径声纳处理中我们会考虑补偿 平台的高度。第三，模型假定每一个目标的复反射率是稳定的，不随视角的不同 而改变。最后，该模型假定平台在发射和接收信号时是静止的。这就是s a r 数 据模型中常用到的“停一走一停”模式。 我们假定发射的线性调频信号为 p 。( f ) = r e c t f 三f e x p d 白。f + 7 c k 。t2 ) ) ( 2 1 2 ) 矩形函数定义为 嘶，= ：缆2 仁 其中f ，是脉冲长度，k 调频率，单位h z s 。 ( 2 1 2 ) 式的频域表达式如下： 獬仨r e c t ( 嚣h 一，与筹 亿聊 西北丁业大学硕士学位论文 第二章合成孔径声纳简介 其中b 。= k 。- r 。，为发射信号调频宽度。 我们假定目标场存在某一点x o ，y 。) ，并且发射信号为线性调频信号。则回 波信号基带表达式为 e e 6 0 ，“) ax o , y o , t - 2 麻可i i 了丘卜r e c 唧j 尉，( h 何而可c ) 2 。1 1 。- 。_ 。 2 j x ；+ ( y 。一“) 2 c 唧( 一2 0 3 0 瓜万习c ) ( 2 1 5 ) 上式是通过乘以e x p ( 一，f ) 去载频的结果。下标b 表示载频已从数据中去 掉，相应的频域表达式为 c 聃厝西o , y o - u , o 。) c t ( 去 e x 一，篆叩目 ( 2 1 6 ) 其中c o 。= 一o ) o ，目标距离包含在r = x ；+ 。一“) 2 中。 对上式乘上( 2 1 4 ) 式的复共轭进行匹配滤波，得到信号经过脉压处理后的结 果为 刚哪) “面1 a ( x 。喵加c t l 去卜础) ( 2 - 1 7 ) 对式( 2 1 7 ) 进行逆f f t 变换即可得到脉压后的回波信号时域表达式 峨) a 面1 ，a ( x o y o * , k r 。s i n c 卜( r 一勘唧( 一，半 ( 2 1 8 ) 上述表达式是我们使用s a s 逐线模型的一个基本的构建回波数据表达式。 下面给出了仿真单点目标的回波数据，目标距离s a s 平台2 0 0 m ，如图2 6 ( a ) 所 示。图中回波信号曲线是由于距离徙动( r a n g e m i g r a t i o n ) ，即r = x ；+ 。一“) 2 引 起的。 图26 ( b ) 是经过脉压后的回波信号，对应于( 2 1 8 ) 式。图2 6 ( c ) 给出了一个方 向位上的切面图，对未经脉压的回波信号和进行脉压的回波信号进行了对比，可 以看到脉压后的回波信号很窄，距离向分辨率很高。图2 6 ( d ) 给出了对于图2 6 ( b ) 的频域表达式。 6 l0 西北工业大学硕士学位