基于空时频联合处理的水下目标宽带声成像

杜金香, 许恒博

基于空时频联合处理的水下目标宽带声成像

杜金香, 许恒博

(西北工业大学 航海学院, 陕西 西安, 710072)

宽带信号的声成像方法需要在距离维度和时间尺度维度进行扫描, 运算量巨大。同时, 对于水下目标探测和识别, 往往希望发射信号具有较好的多普勒宽容性, 在时间尺度维度具有较低的分辨力, 并且对于空间体目标而言, 其回波中不同波形分量对应的尺度差异较小, 因此难以准确估计目标速度, 进而去除声成像过程中由于目标运动产生的距离维误差, 从而导致成像畸变的问题。为了解决以上2个问题, 文中采用发射双向调频多普勒宽容信号的策略, 无需尺度搜索, 可以准确估计目标速度, 消除声图像在距离维度上的误差, 提高宽带信号声成像的准确性。对多亮点模型的运动目标声成像仿真结果证实了双向调频波形策略具有更好的成像性能。

水下目标; 声成像; 空时频联合处理; 宽带

0 引言

近年来水下探测技术得到了飞速发展, 人们已能成功地利用声呐完成导航、测距和定位等一系列任务。成像声呐也已取得了较多的研究成果和实际应用, 如用于描绘海底地貌、探测海底沉船和飞机残骸的侧扫声呐, 用于导航和避碰的前视声呐, 以及声透镜声呐和合成孔径声呐等。但是成像声呐采用的信号机制多为线性调频信号或单频信号, 频率较高, 可达几百千赫兹甚至兆赫兹, 因此作用距离较近, 从几米到几十米[1-3], 当目标距离较远时, 回波信噪比较低, 波束输出的旁瓣抬高, 会导致图像质量变差, 因此不适用于远距离的目标探测和识别。虽然合成孔径声呐利用虚拟的扩展阵列可以获得更高的空间增益, 进而提高图像分辨率和成像作用距离, 但是对于载体的运动姿态要求较高, 限制了其在水下航行器上的应用。

对水下远距离运动目标的准确定位、姿态判断和正确识别主要依赖于对目标距离、方位和速度等参数的估计和高分辨能力, 进而形成目标的声图像[4-11]。与一般声呐成像在近距离条件下即可获得很精细的目标分辨率不同, 水下远距离成像的目的在于在相对较远距离条件下有效提取目标物理结构的空间分布特征。根据主动声呐方程可知, 系统工作频率越高, 在水中的衰减越大, 系统的探测距离就会受到更大的限制。因此水下远距离目标探测主要采用相对较低的频段, 以达到较远的探测距离。

主动系统通过匹配滤波、相关等手段实现目标回波的检测, 同时可利用回波信号与发射信号之间的时延和多普勒伸缩因子来估计目标距离和相对径向速度。国内对于水下较远距离非合作目标成像的研究取得了一些很有意义的成果。一类是结合波束形成和距离估计, 获得目标的方位-距离像[4-6], 但是未考虑目标与成像基阵之间的相对运动情况。另外一类是基于宽带信号回波的目标亮点距离速度联合估计形成距离-速度像, 如文献[7]利用交互小波变换完成体目标的声成像, 得到了目标独立散射点在距离-速度平面上的分布情况; 文献[8]利用Wigner-Ville分布和Radon联合变换技术, 提取线性调频信号在时-频分布上的距离和速度参数, 获得了较为清晰的目标距离-速度像; 文献[9]针对低速运动目标提出利用广义崔-威廉斯分布(Choi-Williams distribution, CWD)-Hough变换生成目标的时延-时间伸缩像。以上方法考虑了宽带目标回波信号由于目标与观测基阵相对运动造成的距离和速度耦合问题, 生成距离-速度像的过程实际是估计目标在距离维度和时间伸缩维度的分布情况, 运算量大。目标的距离-速度像(或者时延-尺度/时间伸缩像)虽然在一定程度上反映了目标的特征, 但是无法体现目标的几何尺寸和轮廓。文献[10]和[11]通过对多个连续脉冲的时延-时间伸缩像之间的关系进行处理, 得到了运动目标亮点在距离和方位维的信息, 能够反映目标的几何尺寸。此类方法借鉴合成孔径声呐的思想, 要求在多个连续脉冲期间载体运动姿态稳定。

为了避免宽带回波信号距离-时间伸缩成像过程中的较大运算量, 文中采用正反双向调频信号相关处理的方法, 仅需一组(或少量几组)副本信号就可以准确估计目标相对速度, 无需形成目标在时间伸缩维度的分布情况, 修正由目标相对运动造成的图像距离徙动问题, 利用单脉冲获得目标的角度-距离图像, 能够有效反映目标的空间尺寸和姿态。

1 水下主动声呐系统目标宽带回波模型

当目标中含有多个反射点或目标为体目标时, 回波信号应表示为加权积分形式, 即

若目标位于观测基阵的远场, 其回波由个反射点的回波构成, 即

式中

则有

通过空时频域联合处理获得目标的速度信息后, 可以形成目标的距离-角度像。为了更好地进行目标识别, 可以进一步通过空间转换将距离-角度像变换为目标在三维空间中的三维点云像。

2 水下空时频联合处理的宽带声成像

在平面阵条件下, 基阵的二维指向性函数可以表示为

以发射信号作为副本, 对宽带波束输出信号进行互相关, 则有

将式(11)代入式(13), 整理得到

常用的调频信号中双曲调频信号具有良好的多普勒宽容性, 其宽带模糊度函数的峰脊轨迹为

由此可根据正反调频信号输出峰值位置消除模糊, 获得时延和速度估值, 即

获得目标尺度因子估计量后, 可通过式(16)对相关结果进行修正, 得到准确的距离维输出。

采用正反双向调频信号的宽带声成像处理流程如图1所示。

图1 双向调频信号宽带声成像处理流程

3 计算机仿真

3.1 基于正反调频信号的速度-距离解模糊

仅发射正双曲调频信号时, 带宽10 kHz, 时宽100 ms, 假设回波信号中心时延1 s, 速度5 m/s, 对应尺度因子0.9934, 点目标的宽带相关输出的尺度-时延图像如图2所示。由图2可以看出, 采用单向调频信号获得的相关图像在一定范围内是模糊的。

图2 点目标单向调频信号宽带时延-时间伸缩像

若发射信号为正反双曲调频信号, 带宽10 kHz, 时宽100 ms, 假设回波信号中心时延为1 s, 速度5 m/s, 采用尺度因子为1的副本信号进行互相关处理, 得到此时尺度因子失配条件下互相关输出结果如图3所示。

图3 副本信号与回波信号互相关输出

图中, 红色虚线和蓝色实线分别对应负调频和正调频脉冲的输出结果。由于尺度失配, 2个峰值均与真实时延值1 s有一定差别, 但通过正负调频双脉冲的时延估计值可以得到消除速度距离模糊后的时延估计值0.9997 s, 此时尺度估计值为0.9931, 速度估计值为5.1622 m/s。对相关输出修正后的结果如图3中黑色实线所示。

3.2 调频信号互相关法声成像

考虑空间中一定长度的运动目标具有3个较强的反射点, 以均匀线列阵阵列中心为坐标原点, 其法线方向为轴建立坐标系, 阵列与目标相对位置关系如图4所示。

图4 目标与基阵相对位置关系

假设基阵静止不动, 目标以10 m/s沿着轴负方向运动, 回波时间尺度因子为1.01。设回波信噪比-10 dB, 对该目标进行成像, 为了获得准确的尺度因子估计值, 需要在尺度因子维度进行细扫描, 采用扫描步长为0.005, 扫描范围[0.980, 1.045], 经过正向双曲调频信号回波处理获得的目标时延-尺度像如图5所示, 计算机完成以上扫描耗时0.1126 s。以时延-尺度图像中最强点对应的尺度因子对回波进行二维成像, 得到的声图像如图6所示(其中, 红色圆点为3个反射亮点的真实位置, 灰色区域为目标的像)。

图5 正向调频信号目标时延-尺度像

采用尺度因子为1的双向双曲调频信号进行处理, 获得的宽带相关输出如图7所示, 根据图7中正反调频结果求得目标回波时间尺度因子为1.0103, 与回波时间尺度因子1.01的误差仅有0.0003, 计算机完成以上相关输出并求解回波时间尺度因子耗时0.0223 s。根据该时间尺度因子估值调整副本信号, 对波束输出信号进行宽带相关处理, 获得的二维声图像如图8所示(其中, 红色圆点为3个反射亮点的真实位置, 灰色区域为目标的像)。

图6 正向调频信号目标方位-距离像

图7 双向调频信号宽带互相关输出

图8 双向调频信号目标方位-距离像

比较图6和图8可以看出, 采用正反调频信号机制与采用单向调频信号机制的宽带方位-距离像非常接近。采用单向调频信号机制时, 需要在时间尺度维度进行扫描才能获得目标回波时间尺度因子的较准确估计, 而采用正反双向调频信号机制时, 无需在时间尺度维度进行扫描即可获得较为准确的目标回波时间尺度因子估计值, 因此运算量大大降低。

4 结束语

文中采用正反双向调频信号体制, 利用正、反调频副本信号与回波宽带相关输出之间的对称性, 准确估计目标的相对运动速度(回波时间尺度因子), 无需在速度维(时间尺度维)进行扫描, 并进一步利用该速度估计值消除单向调频信号处理获得声图像在距离维上的误差, 提高目标图像的准确度。计算机仿真试验证实, 文中方法与速度维搜索方法相比, 运算复杂度降低, 且速度估计值较准确, 修正后的图像与真实仿真条件具有较高的契合度。后续工作需要进行水池试验和湖海试验, 以进一步验证方法的有效性。

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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, 许恒博. 基于空时频联合处理的水下目标宽带声成像[J]. 水下无人系统学报, 2019, 27(4): 392-397.

2018-11-22;

2019-01-07.

国家自然基金项目资助(61301197); 西北工业大学中央高校基本科研业务费基础研究基金(1069920140011).

杜金香(1977-), 女, 博士, 副教授, 主要研究方向为阵列信号处理、目标定位以及水下声成像.

(责任编辑: 陈 曦)