前视扫描声呐成像径向误差分析和补偿

杨波; 汪伟; 刘烨瑶; 李欣国; 梁涛; 郭卫振; 廖佳伟; 潘锋

doi:10.11999/JEIT200744

前视扫描声呐成像径向误差分析和补偿

doi: 10.11999/JEIT200744

杨波^{1, 2, ,},
汪伟^{1, 2, 3},
刘烨瑶^{1, 2, 3},
李欣国^{1, 2},
梁涛^{1, 2, 3},
郭卫振^{1, 2, 3},
廖佳伟^{1, 2},
潘锋⁴

1.
中国科学院声学研究所北京 100190
2.
北京海洋声学装备工程技术研究中心北京 100190
3.
中国科学院大学北京 100049
4.
中国科学院信息工程研究所北京 100093

基金项目: 国家重点研发计划(2016YFC0300605)，中国科学院基础前沿科学研究计划从0到1原始创新项目(ZDBS-LY-7015)

详细信息

作者简介:
杨波：男，1980年生，研究员，研究方向为水声通信和水下组合导航

汪伟：男，1988年生，助理研究员，研究方向为阵列信号处理

刘烨瑶：男，1984年生，高级工程师，研究方向为水声通信和水下组合导航

李欣国：男，1984年生，副研究员，研究方向为水声通信和水下组合导航

梁涛：男，1991年生，助理研究员，研究方向为水声通信和阵列信号处理

郭卫振：男，1991年生，助理研究员，研究方向为水声通信和阵列信号处理

廖佳伟：男，1993年生，工程师，研究方向为水声通信

潘锋：男，1963年生，研究员，研究方向为海洋声学技术及声呐系统设计

通讯作者:
杨波　yangbo@mail.ioa.ac.cn

中图分类号: TB566
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出版历程
- 收稿日期: 2020-08-24
- 修回日期: 2021-02-08
- 网络出版日期: 2021-02-18
- 刊出日期: 2021-03-22

Radial Error Analysis and Compensation for Forward Looking Scanning Sonar Imaging

Bo YANG^{1, 2
, ,},
Wei WANG^{1, 2, 3},
Yeyao LIU^{1, 2, 3},
Xinguo LI^{1, 2},
Tao LIANG^{1, 2, 3},
Weizhen GUO^{1, 2, 3},
Jiawei LIAO^{1, 2},
Feng PAN⁴

1.
Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China
2.
Beijing Engineering Technology Research Center of Ocean Acoustic Equipment, Beijing 100190, China
3.
University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
4.
Institute of Information Enginneering, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100093, China

Funds: The National Key Research and Development Program of China(2016YFC0300605), From 0 to 1 Original Innovation Project of Basic Frontier Science Research Program of CAS(ZDBS-LY-7015)

摘要

摘要: 该文提出了一种基于运动补偿的前视扫描声呐成像方法：采用后向映射，将扇形成像区域的直角坐标系转换成极坐标系，在极坐标系进行2维插值，提取幅度并转成图像格式。通过建立载体运动模型，分析载体运动，将载体运动影响转换为图像域移动，对前视声呐图像进行实时运动补偿，消除径向误差。分析了“深海勇士”号前视声呐数据，其单幅图像最大径向误差近似达到工作距离的19%。通过仿真和实验验证所提算法补偿了由载体运动造成的图像的径向误差，能准确表示目标信息。
- 前视声呐 /
- 后向映射 /
- 双线性插值 /
- 声呐成像 /
- 径向误差 /
- 运动补偿
Abstract: Imaging method based on motion compensation for forward-looking scanning sonar is proposed. By using backward mapping, sector imaging region in the Cartesian coordinate system is converted into polar coordinates. Then two-dimension interpolation is employed in polar coordinates, and the amplitude is extracted and converted into image format. The vehicle motion model is established and analyzed, and vehicle motion is transformed into image domain motion. Real-time motion compensation for forward-looking sonar image is made eliminate radial errors. The forward-looking sonar data of the “Deep Sea Warrior” is analyzed. The maximum radial error of the single image is approximately 19% of the range. The simulation and experimental results show that this algorithm compensates the radial error of the image caused by the motion, which can represent the target information accurately.
- Forward-looking sonar /
- Backward mapping /
- Bilinear interpolation /
- Sonar imaging /
- Radial error /
- Motion compensation

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图 1 坐标转换

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图 2 双线性插值

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图 3 前视声呐扫描成像几何示意图

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图 4 不同时刻载体与目标的距离

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图 5 目标在图像域径向误差

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图 6 4种插值成像

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图 7 声呐静止、前进、直接补偿、本文补偿对比

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图 8 前视图像后置处理流程

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图 9 逆时针转动至33.6°时成像

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图 10 逆时针转动至0°时成像

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图 11 逆时针转动至-33.6°时成像

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表 1 前视声呐工作参数

参数名称频率(kHz) 模式脉宽(μs) 量程(m) 扇扫范围(°) 步进(°) 采样数

数值 675 扇扫 100 50 132 2.4 250

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表 2 前视声呐成像偏差

位置不补偿(m) 直接补偿(m) 本文补偿(m)

33.6° 1.82 0.69 0.19
0° 3.17 0.83 0.38
–33.6° 4.55 0.96 0.45

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参数名称	频率(kHz)	模式	脉宽(μs)	量程(m)	扇扫范围(°)	步进(°)	采样数
数值	675	扇扫	100	50	132	2.4	250

位置	不补偿(m)	直接补偿(m)	本文补偿(m)
33.6°	1.82	0.69	0.19
0°	3.17	0.83	0.38
–33.6°	4.55	0.96	0.45

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