一种适用于大范围海底地貌探测的双频双基地声成像方法

本发明属于图像处理技术领域，具体涉及一种双频双基地声成像方法。

背景技术：

围绕海洋的科学研究、资源开发、工程建设以及军事等活动，通常都需要准确地获取所关注区域内的海底地形地貌信息作为基础资料与支撑依据。因此，了解海洋地形地貌信息，对海洋地形地貌进行有效的测绘，获取海洋地形地貌信息谱图，成为海洋资源开发和海洋空间利用中的重要问题。

海底声成像的原理为主动声呐向被探测海底区域发射声信号，接收端接收含有地貌特征的散射信号，通过一系列的信号处理将回波信号转化为声图像。海底散射信号分为海底前向散射和海底后向散射，在较小的掠射角条件下，海底散射信号的能量大部分从镜面反射方向散射，后向散射强度弱，前向散射强度强。目前探测海底地形地貌主要采用的是侧扫声呐和多波束测深系统，系统配置多为收发合置的单基地模式，即发射阵和接收阵位于同一搭载平台上，发射信号多采用高频信号，对目标或地形特征的后向散射进行成像，而忽略了其前向散射信息。且高频声波能量在水中衰减很快，限制了声纳的作用距离，在远距离情况下会出现图像分辨率下降的问题，无法实现大范围海底地形地貌声成像。

双基地海底地貌成像的工作模式可以充分的利用海底前向散射信号，如ratilalp等人在“longrangeacousticimagingofthecontinentalshelfenvironment:theacousticclutterreconnaissanceexperiment2001”([j].journaloftheacousticalsocietyofamerica,2005,117(4pt1):1977-1998.)提出了一种双基地海底地貌成像系统，第一艘试验船搭载垂直发射阵和拖曳接收阵，第二艘试验船搭载垂直发射阵，两艘船相隔一定距离在同一条直线航行，拖曳接收阵接收第二艘试验船发射声波的海底前向散射信号，获取海底地貌声强分布图；张婷等人在“大范围海底地貌遥测的双基地声学成像方法”(浙江省：cn110456361a,2019-11-15.)提出的双基地地貌成像系统为发射系统和接收系统分别放置在两艘试验船上，垂直发射阵固定、水平拖曳接收阵以发射阵为圆心做螺旋运动，接收系统接收、处理发射声波的海底前向散射信号，而发射系统试验船的正下方的海底声散射信号主要为后向散射信号，无法被接收系统所利用，因此存在发射船下方的声图像盲区。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种适用于大范围海底地貌探测的双频双基地声成像方法，采用两艘试验船同时搭载接收和发射系统，相隔一定距离平行航行。两艘试验船分别发射频率不同的声信号，利用频带的区分度，第一试验船接收自身海底反向散射信号和另一艘船的海底前向散射信号；第二试验船接收自身信号的海底反向散射信号；两艘船分别对散射信号进行声成像处理，获得试验船下方的照射区域以及两船之间的海底区域声图像，再进行叠加和拼接，最终得到大范围海底地貌图像。本发明方法利用海底前向散射信号和后向散射信号，可以实现大范围海底成像，解决了单基地成像声呐系统只利用海底后向散射信号，成像效率低的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

步骤1：双频双基地声成像系统包括第一试验船和第二试验船，第一试验船和第二试验船相隔固定距离在海面平行航行；第一试验船和第二试验船都分别搭载有信号发射系统和接收系统；

步骤2：采用13位线性调频-巴克码复合编码信号作为双频双基地声成像系统的发射信号，编码序列为：[1,1,1,1,1,-1,-1,1,1,-1,1,-1,1]；发射信号通过下式得到：

式中

是线性调频信号；

是巴克码二相编码信号；

tl为线性调频信号脉宽，t为时间，f0为线性调频信号中心频率，k＝b/tl为线性调频信号斜率，b为线性调频信号带宽；pb为巴克码信号码长，ck为巴克码信号序列，k＝0,1,…pb-1，tb为巴克码信号码元宽度，表示卷积；

步骤3：将频率为f1的发射信号导入第一试验船的发射换能器，将频率为f2的发射信号导入第二试验船的发射换能器；f1≠f2；

步骤4：第一试验船的发射换能器将频率为f1的发射信号转换为第一声信号向海底发射；第二试验船的发射换能器将频率为f2的发射信号转换为第二声信号向海底发射；

步骤5：第一试验船接收到由本船的发射换能器发射的第一声信号经过海底反射的海底后向散射信号，采用成像算法对第一试验船正下方海底区域进行成像；

步骤6：第一试验船接收到由第二试验船的发射换能器发射的第二声信号经过海底反射的海底前向散射信号，采用成像算法对第一试验船和第二试验船之间的海底前向散射区域成像；

步骤7：第二试验船接收到由本船的发射换能器发射的第二声信号经过海底反射的海底后向散射信号，采用成像算法对第二试验船正下方海底区域进行成像；

步骤8：结合第一试验船和第二试验船的gps信息对步骤5、步骤6和步骤7所成像进行图像拼接，形成第一试验船和第二试验船当前位置的海底散射强度分布图；

步骤9：第一试验船和第二试验船在海面航行，重复步骤4到步骤7，持续得到不同位置的海底散射强度分布图，将不同位置的海底散射强度分布图进行叠加和拼接，最终得到大范围海底地貌图像。

本发明的有益效果如下：

1.本发明提出的双频工作模式下的双基地成像方案，通过双船双频配合的工作模式，充分利用海底前向散射和后向散射信号，解决了侧扫/多波束测深等单基地声呐系统只利用海底后向散射信号而忽略了海底前向散射信息，而双基地成像声呐系统只利用海底前向散射信号，发射阵系统正下方存在声成像盲区的问题。

2.本发明提出发射信号采用线性调频-巴克码复合编码信号，利用其良好的模糊特性，提高系统的时延分辨力，进而提高成像分辨力，并且为海底地貌声成像发射信号波形的选择提供了有价值的参考。

附图说明

图1为本发明方法双船并行海底地貌声成像流程图。

图2为本发明方法的海底声散射原理示意图。

图3为本发明方法双基地成像示意图。

图4为本发明实施例试验海域目标分布图。

图5为本发明实施例第一试验船接收后向散射信号的声成像图。

图6为本发明实施例第一试验船接收前向散射信号的声成像图。

图7为本发明实施例第二试验船接收后向散射信号的声成像图。

图8为本发明实施例两船获取声成像图的拼接图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

针对单基地成像声呐系统成像效率低，只利用海底后向散射信号，而忽略前向散射信息的情况；双基地地貌成像系统又只利用前向散射信号，发射系统所在的正下方存在成像盲区的问题，本发明提出了一种双频工作模式下的双基地海底地貌成像方案，第一试验船和第二试验船同时搭载有发射系统和接收系统，并且两艘船的接收系统都可以工作在两个不同的频段下，分别接收自己的后向散射信号和合作船只的前向散射信号。

如图1和图2所示，一种适用于大范围海底地貌探测的双频双基地声成像方法，包括以下步骤：

步骤1：如图3所示，双频双基地声成像系统包括第一试验船和第二试验船，第一试验船和第二试验船相隔固定距离在海面平行航行，两艘船的相隔距离以及航行方向可以通过gps修正；第一试验船和第二试验船都搭载有信号发射系统和接收系统；

步骤2：考虑到传统的主动声呐发射信号，单频信号(cw)和线性调频信号(lfm)在有限的带宽下时延分辨力低，采用13位线性调频-巴克码(lfm-barker)复合编码信号作为双频双基地声成像系统的发射信号，编码序列为：[1,1,1,1,1,-1,-1,1,1,-1,1,-1,1]；发射信号通过下式得到：

式中

是线性调频信号；

是巴克码二相编码信号；

tl为线性调频信号脉宽，t为时间，f0为线性调频信号中心频率，k＝b/tl为线性调频信号斜率，b为线性调频信号带宽；pb为巴克码信号码长，ck为巴克码信号序列，k＝0,1,…pb-1，tb为巴克码信号码元宽度，表示卷积；

步骤3：将频率为f1的发射信号导入第一试验船的发射换能器，将频率为f2的发射信号导入第二试验船的发射换能器；f1≠f2；

步骤4：第一试验船的发射换能器将频率为f1的发射信号转换为第一声信号向海底发射；第二试验船的发射换能器将频率为f2的发射信号转换为第二声信号向海底发射；声信号在海水中传播，遇到海底界面发生反射；

步骤5：第一试验船接收到由本船的发射换能器发射的第一声信号经过海底反射的海底后向散射信号，采用成像算法对第一试验船正下方海底区域进行成像；

步骤6：第一试验船接收到由第二试验船的发射换能器发射的第二声信号经过海底反射的海底前向散射信号，采用成像算法对第一试验船和第二试验船之间的海底前向散射区域成像；

步骤7：第二试验船接收到由本船的发射换能器发射的第二声信号经过海底反射的海底后向散射信号，采用成像算法对第二试验船正下方海底区域进行成像；

步骤8：结合第一试验船和第二试验船的gps信息对步骤5、步骤6和步骤7所成像进行图像拼接，形成第一试验船和第二试验船当前位置的海底散射强度分布图；

步骤9：第一试验船和第二试验船在海面航行，重复步骤4到步骤7，持续得到不同位置的海底散射强度分布图，将不同位置的海底散射强度分布图进行叠加和拼接，最终得到大范围海底地貌图像。

具体实施例：

为验证本发明方法的可行性并说明其特点，开展了仿真分析。仿真中声成像区域如图4所示，海深20m，试验中水体底部存在6处强目标体。试验船1和试验船2水平距离为20m，沿y轴方向平行航行，声波覆盖到海底，通过对回波信号的一系列成像算法处理，得到海底声强图。图5为试验船1后向散射声强图、图6为试验船1的前向散射声强图、图7位试验船2的后向散射声强图，从成像图5、6、7中可以看到海底的强目标体。图8为图5、6、7的最后拼接结果。