一种针对干涉合成孔径声纳信号的相位处理方法及系统 |
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申请号 | CN201210261997.7 | 申请日 | 2012-07-26 | 公开(公告)号 | CN103487792A | 公开(公告)日 | 2014-01-01 |
申请人 | 中国科学院声学研究所; | 发明人 | 秦晓东; 刘纪元; | ||||
摘要 | 本 发明 提供了一种针对干涉合成孔径声纳 信号 的 相位 处理方法及系统,用于处理干涉合成孔径声纳 相位噪声 严重的问题,所述方法包含:步骤101)经过 相位差 波动 函数配准方法,根据主接收阵和辅接收阵图像之间的相位差别,校正主辅图像之间的相位偏移,完成主接收阵图像和辅接收阵图像对的配准;步骤102)对完成配准的主接收阵图像和辅接收阵图像进行相干处理,得到干涉相位图;步骤103)将干涉相位转变为复单位矢量,再依据圆周期中值滤波对干涉相位图进行滤波;步骤104)基于滤波后的干涉相位值,使用最小二乘解缠,得到干涉相位,该相位取值位于(-∞,+∞)之间;步骤105)根据缠绕相位和InSAS模型进行高程重建,完成对干涉合成孔径声纳信号的相位处理。 | ||||||
权利要求 | 1.一种针对干涉合成孔径声纳信号的相位处理方法,用于处理干涉合成孔径声纳相位噪声严重的问题,所述方法包含: |
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说明书全文 | 一种针对干涉合成孔径声纳信号的相位处理方法及系统技术领域背景技术[0002] 合成孔径声纳(Synthetic Aperture Sonar,SAS)是一种水下高分辨率成像技术。干涉合成孔径声纳(Interferometric Synthetic Aperture Sonar,InSAS)在合成孔径声纳的基础上发展而来,给水下三维成像技术提供了一种新的选择。干涉合成孔径声纳使用两副接收阵,每副阵分别进行合成孔径声纳成像,并使用比相测高的方法得到目标场景的数字高程模型。声波传输速度较慢,声纳平台运动稳定性较差,水体存在多径等现象。这些恶劣的条件增加了InSAS相位处理方法的复杂性。 发明内容[0004] 本发明的目的在于,为克服现有技术的不足,从而提供一种干涉合成孔径声纳相位处理方法及系统。 [0005] 为了克服上述问题,本发明提供一种针对干涉合成孔径声纳信号的相位处理方法,用于处理干涉合成孔径声纳相位噪声严重的问题,所述方法包含: [0007] 步骤102)对完成配准的主接收阵图像和辅接收阵图像进行相干处理,得到干涉相位图; [0008] 步骤103)将干涉相位转变为复单位矢量,再依据圆周期中值滤波对干涉相位图进行滤波; [0009] 步骤104)基于滤波后的干涉相位值,使用最小二乘解缠,得到干涉相位,该相位取值位于(-∞,+∞)之间; [0010] 步骤105)根据缠绕相位和InSAS模型进行高程重建,完成对干涉合成孔径声纳信号的相位处理。 [0011] 上述技术方案中,所述步骤101)之前还包含获取主接收阵图像和辅接收阵图像的步骤,该步骤具体为: [0012] 使用一副发射阵列、两副平行放置的SAS阵列;所述发射阵以一定的脉冲重复周期发射信号,到达目标场景返回,两副接收阵以相近的视角接收回波信号。分别经过频域成像算法,得到目标场景的主辅图像对。 [0013] 上述技术方案中,所述步骤103)和步骤104)之间还包含:使用分支割线方法补偿由于相位的周期特性引起的干涉相位模糊的步骤。 [0014] 上述技术方案中,所述步骤102)进一步包含: [0015] 步骤102-1)基于配准后的主接收阵图像和辅接收阵图像得到复干涉图; [0016] 步骤102-2)对复干涉图求取相位得到干涉相位图。 [0017] 上述技术方案中,所述步骤104进一步包含: [0018] 首先,扫描干涉图,判断每一个像素点是否为残余点;搜索干涉图中未被支切线连接的残余点,找到符合条件的点后,在以该点为中心大小为3×3的搜索窗口内,搜索其他残余点;若未搜索到,则设置支切线过程结束;若在窗口内搜索到残余点,则不管该残余点的残数是否和搜索中心点的残数相反,将两残余点用支切线相连,如果搜索到的残余点未被其他支切线连接,则求支切线的残数,即支切线上各残余点的残数和;若残数为0,整个支切线上正负残余点相互抵消,则重新搜索干涉图中未被支切线连接的残余点。若在窗口内搜索到干涉图边界,则用支切线连接搜索中心点与干涉图边界,将该支切线残数置零,重新搜索干涉图中未被支切线连接的残余点;若未搜索到残余点或边界,或搜索到残余点后支切线上的残数不为零,则以支切线上其余残余点为中心搜索,直至搜索完整个支切线上所有残余点,则将搜索窗口大小增加2,继续搜索。 [0019] 基于上述方法本发明提供了一种针对干涉合成孔径声纳信号的相位处理系统,用于处理干涉合成孔径声纳相位噪声严重的问题,所述系统包含: [0020] 配准模块,用于经过相位差波动函数配准方法,根据主接收阵和辅接收阵图像之间的相位差别,校正主辅图像之间的相位偏移,完成主接收阵图像和辅接收阵图像对的配准; [0021] 干涉相位图获取模块,用于对完成配准的主接收阵图像和辅接收阵图像对进行相干处理,得到干涉相位图; [0022] 滤波模块,用于将干涉相位转变为复单位矢量,再依据圆周期中值滤波对干涉相位图进行滤波; [0023] 缠绕相位获取模块,用于基于滤波后的干涉相位值,使用最小二乘解缠,得到干涉相位,该相位取值位于(-∞,+∞)之间; [0024] 建模模块,用于根据缠绕相位和InSAS模型进行高程重建,完成对干涉合成孔径声纳信号的相位处理。 [0025] 上述技术方案中,所述系统还包含: [0026] 主辅图像获取模块,用于使用一副发射阵列、两副平行放置的SAS阵列;所述发射阵以一定的脉冲重复周期发射信号,到达目标场景返回,两副接收阵以相近的视角接收回波信号。分别经过频域成像算法,得到目标场景的主辅图像对。 [0027] 上述技术方案中,所述系统还包含: [0028] 补偿模块,用于使用分支割线方法补偿由于相位的周期特性引起的干涉相位模糊的步骤。 [0029] 上述技术方案中,所述干涉相位图获取模块进一步包含: [0030] 复干涉图获取模块,用于基于配准后的主接收阵图像和辅接收阵图像得到复干涉图; [0031] 干涉相位图获取模块,用于对复干涉图求取相位得到干涉相位图。 [0032] 与现有技术相比,本发明的技术优势在于: [0034] 图1本发明提供的针对干涉合成孔径声纳信号的相位处理方法的流程图; [0035] 图2本发明的干涉合成孔径声纳干涉模型; [0036] 图3是本发明技术方案采用的解缠绕方法的流程图。 具体实施方式[0037] 下面结合附图对本发明的技术方案进行详细的阐述和说明。 [0038] 为了在水下二维高精度成像的基础上获得高程信息,本文给出了一种InSAS处理方法。InSAS系统使用一副发射阵列、两副平行放置的SAS阵列。发射阵以一定的脉冲重复周期发射信号,到达目标场景返回,两副接收阵以相近的视角接收回波信号。分别经过频域成像算法,得到目标场景的主辅图像对。经过相位差波动函数配准方法,根据两幅图像的相位差别,校正主辅图像之间的偏移。主辅图像对为复图像,经过相干处理,可以得到干涉图。干涉图中包含大量由于运动误差等引起的相位噪声,使用圆周期均值方法,对干涉图滤波,可以提高干涉图质量。使用最小二乘解缠方法,可以恢复缠绕相位,将相位由(-π,π]恢复到(-∞,+∞)之间。 [0039] 本发明目的在于建立一套切实可行的InSAS处理方法,由InSAS主辅图像得到高程信息。 [0040] 本发明提出的一种InSAS相位处理方法,主要步骤包括: [0041] 如图1所示,该图给出了本发明提供的针对干涉合成孔径声纳信号的相位处理方法的流程图,所述方法包含如下步骤: [0042] 1.配准 [0043] 本发明首先使用双线性插值方法对主辅图像进行10倍插值。在主辅图像中每隔100行100列选取一个点作为控制点。以相邻像素间的平均相位差为评价标准进行干涉图配准 [0044] [0045] 式中,i为目标点在干涉图中的方位向坐标,j为距离向坐标。p(i,j)为图像中坐标为(i,j)点处的干涉相位值。|p(i,j)|表示求取相位值p(i,j)的绝对值。当f取值最小时,就得到了控制点的配准偏移量。根据配准偏移量使用二次多项式求取主辅图像之间的变换模型 [0046] [0047] 根据变换模型,对主辅图像双线性插值得到配准干涉图相对。 [0048] 其中,x和y是变换之前的距离向和方位向坐标。X和Y是变换之后的距离向和方位向坐标。a0、a1、a2、a3、a4、a5、b0、b1、b2、b3、b4和b5是二次多项式变换模型的参数。 [0049] 2.生成干涉图 [0050] 经过配准步骤后,通过将主图像和中各像素乘以辅图像中对应像素的共轭,就可以得到复干涉图。对复干涉图求取相位,得到干涉相位图。 [0051] 3.滤波 [0052] 干涉图具有圆周期性,可以将干涉相位转变为复单位矢量,进行圆周期中值滤波: [0053] [0054] 其中 [0055]口距离向和方位向尺寸,j为虚数单位,exp{}为指数运算,arg{}为角度运算,w{}为相位缠绕算子。圆周期均值滤波的效果,取决于滤波窗口,滤波窗口越大,滤波结果越平滑,但分辨率越低。 [0056] 4.解缠绕 [0057] 如图3所示,干涉相位的取值在(-π,π]之间,这里使用分支割线方法,恢复干涉相位测量值与真实值存在的2π整数倍的差别。首先,扫描干涉图,判断每一个像素点是否为残余点。搜索干涉图中未被支切线连接的残余点。找到符合条件的点后,在以该点为中心大小为3×3的搜索窗口内,搜索其他残余点。若未搜索到,则设置支切线过程结束。若在窗口内搜索到残余点,则不管该残余点的残数是否和搜索中心点的残数相反,将两残余点用支切线相连,如果搜索到的残余点未被其他支切线连接,则求支切线的残数,即支切线上各残余点的残数和。若残数为0,整个支切线上正负残余点相互抵消,则重新搜索干涉图中未被支切线连接的残余点。若在窗口内搜索到干涉图边界,则用支切线连接搜索中心点与干涉图边界,将该支切线残数置零,重新搜索干涉图中未被支切线连接的残余点。若未搜索到残余点或边界,或搜索到残余点后支切线上的残数不为零,则以支切线上其余残余点为中心搜索,直至搜索完整个支切线上所有残余点,则将搜索窗口大小增加2,继续搜索。 [0058] 5.生成数字高程模型 [0059] 得到解缠相位φ后,根据InSAS干涉模型,可以进行高程重建。如图3,TX为发射阵,RX1和RX2为两副接收阵。RX1和RX2在垂直航迹平面内分开,距离即为基线B。X为地距向,Y为方位向,Z为高度向。目标点P的高度为h。R0为从发射阵TX到目标点P的斜距,R1和R2分别为从目标点P到接收阵RX1和RX2的斜距。R1与竖直方向的夹角为θ,基线B与垂直方向的夹角为ζ。则 [0060] [0061] [0062] 总之,本发明的干涉合成孔径声纳在合成孔径声纳的基础上发展而来,给水下三维成像技术提供了一种新的选择。声波传输速度较慢,声纳平台运动稳定性较差,水体存在多径等现象。这些恶劣的条件增加了相位处理方法的复杂性。本专利的目的在于建立一套干涉合成孔径声纳相位处理方法,由主辅图像得到高程信息。该方法首先通过基于主辅图像相位差别的配准方法校正两幅图像之间的偏移和形变。接着通过相干处理得到干涉图。然后使用圆周期均值方法对干涉图进行滤波,提高干涉图质量。并使用分支割线方法补偿由于相位的周期特性引起的干涉相位模糊。并通过高程重建得到数字高程模型。该方法适合干涉合成孔径声纳相位噪声严重的特点,切实可行。 |