双基地多波束合成孔径声呐高效成像算法研究

The Bistatic Multi-beam Synthetic Aperture Sonar is a kind of synthetic aperture sonar whose transmitter and receiver are located on separated platforms. It has many prominent merits It can acquire non-backscatter information from target zone, lower the single system’s price and the quiet passive receiver is more difficult to be detected and jammed compared to monostatic Multi-beam Synthetic Aperture Sonar. It is very suitable for getting both the high precision depth information and the high resolution image information in once mapping for the needs of marine science research. In this project, the relationship of time domain algorithm computation with subaperture number is discussed, and the valid subaperture filter standard is given by applying the Markov Random Field Model in order to get an efficient imaging algorithm for the Bistatic Multi-beam Synthetic Aperture Sonar, and excludes the invalid subaperture which is caused by the bistatic movement forms. After these steps, the echo data is dealt by the segmentation analysis method in time domain for quick data imaging computing to reduce aboard imaging time. At the same time, it eliminates the bistatic movement impacts to the sound wave synthesis, and improves the efficiency and robustness of time domain imaging algorithm. Finally the project will use the sea trial data to verify the effectiveness of the algorithm.

双基地多波束合成孔径声纳采用收发平台分置的形式，较单基地形式其探测海底区域更加灵活、获取海底信息更加丰富、数据平台运行更加隐蔽、收发分置平台成本更低，更有利于满足远距离上一次扫测得到包括高精度深度信息、高分辨力图像信息的海洋科学研究的需求。本项目申请拟针对双基地多波束合成孔径声呐高效成像算法展开研究工作，利用Markov随机场模型对包括同一目标区域的子孔径图像进行基于图像变化的识别筛选，剔除由于双基地运动形式造成的无效子孔径图像，提高孔径合成效率，采用回波数据分块的分析方法分解原始数据，优化时域成像算法，使双基地多波束合成孔径声呐在保留原始数据的同时，降低现场运算时间，并在一定程度上消除双基地平台运动模式对声波干涉合成的影响，提高系统的成像效率与成像算法的稳健性。最后，本项目拟组织现场海试试验，对采集数据进行成像处理，并同实际观测图像做比对，用以验证算法的准确性和有效性。

目前海底水声成像探测主要可以分为远近两种方式，远处由海洋测绘声呐（多波束声呐、侧扫声呐）完成粗测，近处由高频图像声呐完成细测。近年来，随着海洋地球物理研究的发展，海底小目标、弱散射信息目标（水螅水母类、桡足类海洋浮游生物）研究的深入，研究者们对于海底目标区域的多散射角度信息快速获取能力的需求越来越高，能够将海洋测绘声呐与高频图像声呐结合在一起，在远距离上一次扫测快速得到包括高精度深度信息、高分辨力图像信息的相关的海底水声成像探测研究已然成为了国内外的热点。目前国内外在海底水声成像探测技术领域内最有希望完成该项任务的是双基地多波束合成孔径声呐，双基地多波束合成孔径声呐是合成孔径声呐的新形式。本项目基于海洋地球物理研究中的水下，成像探测需求，开展双基地多波束合成孔径声纳的成像算法研究，利用粗糙度散射模型构建多角度海底沉积物散射模型，实现双基地各采样位置散射强度建模；采用Markov随机场模型分析最优子孔径图像的分割方法，利用前向CNN深度学习完成子孔径图像筛选，实现优化子孔径成像数据集以降低成像工作量；利用子孔径成像算法实现等速同向、异速异向构型下双基地合成孔径声呐对海底目标的快速高精度成像，并实现国产自研双基地合成孔径声呐原型机设计与初步海试，完成预期时间节点任务，为海洋地球物理研究的水下成像探测工作发展，提供进一步技术支撑。