一种基于声反射断层扫描成像的逆投影方法技术

本发明专利技术属于逆投影方法技术领域，具体涉及一种基于声反射断层扫描成像的逆投影方法，运用升采样和频域匹配滤波技术解决逆投影算法中各角度下的横断面距离索引未知问题，目的在于提高横断面距离定位的准确性，进而提高声反射断层扫描声纳成像的精度和抗噪声能力。本发明专利技术充分利用匹配滤波峰值较高，抗干扰和噪声能力强的特性，以及声反射断层扫描横断面距离和匹配滤波峰值在时间上一一对应关系来估计横断面距离索引。并且本发明专利技术利用频域匹配滤波，将接收信号和参考信号的时域卷积运算转化为频域相乘，降低了计算复杂度。本发明专利技术采用频域补0处理使得时域信号升采样，提高了匹配滤波后峰值位置的准确性。后峰值位置的准确性。后峰值位置的准确性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于声反射断层扫描成像的逆投影方法


[0001]本专利技术属于逆投影方法
，具体涉及一种基于声反射断层扫描成像的逆投影方法。

技术介绍

[0002]已有的高分辨水下目标成像方法采用声纳沿直线运动即合成孔径来提高小目标的分辨能力，条带式合成孔径声纳(SAS)系统照射视角只有
±
45
°
，这个主要受声纳辐射波束图发散角的限制。而聚焦式SAS通过扫描波束以较条带式SAS更长的时间照射目标区域，从而获得更长的合成孔径长度，最终提高方位向波束分辨力。但其合成孔径长度的增加受限于声纳载体与观测目标的观测角，在直线路径的情况下，这种观测角的持续增加是困难的，而且在声纳远离目标的过程中，波束入射角不断增大，目标相干性大大减弱，单纯在直线方向上增加合成孔径长度对目标分辨率的提高、抗噪声的能力效果下降。
[0003]基于X射线的计算机断层辅助扫描成像技术采用360
°
沿着目标某个横断面进行照射，得到经投射衰减后的投影信号，其中接收信号为横断面距离和角度的函数，通过逆投影重建处理，可以获得目标衰减系数的空间分布。而基于声反射断层扫描的水下小目标声纳成像，记录的为目标背向反射信号提供的投影信息，需要准确估计声反射断层扫描横断面的距离轨迹才可以运用逆投影算法重建目标的空间声反射分布函数。

技术实现思路

[0004]针对上述基于声反射断层扫描的水下小目标声纳成像需要准确估计声反射断层扫描横断面的距离轨迹才可以运用逆投影算法重建目标的空间声反射分布函数的技术问题，本专利技术提供了一种基于声反射断层扫描成像的逆投影方法，运用升采样和频域匹配滤波技术解决逆投影算法中各角度下的横断面距离索引未知问题，目的在于提高横断面距离定位的准确性，进而提高声反射断层扫描声纳成像的精度和抗噪声能力。
[0005]为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：
[0006]一种基于声反射断层扫描成像的逆投影方法，包括下列步骤：
[0007]S1、设定初始扫描角度θ
i
，i＝1；
[0008]S2、将初始扫描角度下目标的声反射时域回波信号s(t,θ
i
)进行基带转换和低通滤波，通过傅里叶变换得到关于波数、角度的二维函数S(k,θ
i
)；
[0009]S3、设定参考位置为目标区域中心原点O(0,0)，计算相同扫描角度下该参考位置横断面的声反射时域回波信号s0(t,θ
i
)，并进行基带转换和傅里叶变换，得到关于波数、角度的二维参考信号S0(k,θ
i
)；
[0010]S4、将S2、S3中得到的频域数据进行频域匹配滤波处理
[0011]S5、更新扫描角度i+1，重复S2、S3、S4，直到完成所有角度扫描，得到各角度下波数域匹配滤波后的接收数据矩阵S
Match
，维数为N
×
M；
[0012]S6、根据发射信号带宽和扫描角度范围计算波数域区间并确定目标区域网格点位
置，根据参考位置确定匹配滤波后的参考时间，根据升采样率U确定新的采样间隔；
[0013]S7、设定初始网格点位置(x
p
,y
j
)，p＝1,j＝1，设置该位置处待重建的目标空间分布函数初始值SAS(p,j)为0；
[0014]S8、设定初始扫描角度θ
i
，i＝1；
[0015]S9、取S5计算得到的该角度下的频域数据，在数据头和尾处分别进行补0，长度为升采样率U减1再乘以原数据长度的一半；
[0016]S10、将S10补0后的频域数据进行傅里叶反变换得到升采样后的时域信号s
u
(t,θ
i
)；
[0017]S11、计算当前网格位置，当前扫描角度下对应的接收信号的时延，并与S6计算确定的匹配滤波后参考时间做差，根据新采样间隔确定横断面距离对应的索引；
[0018]S12、将S10得到的升采样的匹配滤波时域信号该索引处的值累加到S7设置的变量中；
[0019]S13、递增扫描角度，重复S9到S12，直到完成所有扫描角度下横断面距离对应索引的估计，并完成所有扫描角度下升采样的匹配滤波时域信号对应索引处值的累加；
[0020]S14、更新网格点位置，重复S8到S13，直到完成所有位置处目标空间分布函数的重建。
[0021]所述S4中得到的波数域数据进行波数域匹配滤波处理
[0022]所述S6中根据发射信号带宽B和扫描角度范围Θ计算波数域区间，利用下式确定目标区域网格点间隔Δx,Δy和点数N
x
,N
y
，根据参考横断面位置确定匹配滤波后的参考时间c为水中声速，根据升采样率U确定新的采样间隔
[0023]k
x
＝2kcosθ,k
y
＝2ksinθ
[0024][0025]Δx＝2π/(max(k
x
)
‑
min(k
x
)),Δy＝2π/(max(k
y
)
‑
min(k
y
))
[0026][0027]所述R0为目标区域中心距离，所述θ为扫描角度，所述Θ∈[
‑
π,π]，所述Δθ为扫描间隔，所述N为频率采样点数，所述k
x
代表各角度下波数k在x轴方向的分量矩阵，所述k
y
代表各角度下波数k在y轴方向的分量矩阵，所述Δk
x
和Δk
y
分别为重建后目标在直角坐标下的均匀波数采样间隔。
[0028]所述S9中取S5计算得到的该角度下的波数域数据为S(k,θ
i
)，在数据头和尾处分别进行补0，长度为
[0029]所述S11中计算当前网格位置、当前扫描角度下对应的接收信号的时延τ，并与S6计算确定的匹配滤波后参考时间做差，根据新采样间隔确定横断面距离对应的索引Index
i
；
[0030][0031][0032]所述x
p
为直角坐标系下x方向第p个空间网格点坐标，所述y
j
为y方向第j个空间网格点坐标，所述τ
ref
为由参考横断面位置确定的匹配滤波后参考时间，所述所述Δt为时域采样间隔，所述为升采样率U后新的采样间隔。
[0033]所述S12中将S10得到的升采样的匹配滤波时域信号该索引处的值累加到S7设置的变量中；
[0034]SAS(p,j)＝SAS(p,j)+s
u
(Index
i
,θ
i
)
[0035]所述s
u
(Index
i
,θ
i
)表示升采样的匹配滤波时域信号该索引处的值。
[00本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于声反射断层扫描成像的逆投影方法，其特征在于：包括下列步骤：S1、设定初始扫描角度θ
i
，i＝1；S2、将初始扫描角度下目标的声反射时域回波信号s(t,θ
i
)进行基带转换和低通滤波，通过傅里叶变换得到关于波数、角度的二维函数S(k,θ
i
)；S3、设定参考位置为目标区域中心原点O(0,0)，计算相同扫描角度下该参考位置横断面的声反射时域回波信号s0(t,θ
i
)，并进行基带转换和傅里叶变换，得到关于波数、角度的二维参考信号S0(k,θ
i
)；S4、将S2、S3中得到的频域数据进行频域匹配滤波处理S5、更新扫描角度i+1，重复S2、S3、S4，直到完成所有角度扫描，得到各角度下波数域匹配滤波后的接收数据矩阵S
Match
，维数为N
×
M；S6、根据发射信号带宽和扫描角度范围计算波数域区间并确定目标区域网格点位置，根据参考位置确定匹配滤波后的参考时间，根据升采样率U确定新的采样间隔；S7、设定初始网格点位置(x
p
,y
j
)，p＝1,j＝1，设置该位置处待重建的目标空间分布函数初始值SAS(p,j)为0；S8、设定初始扫描角度θ
i
，i＝1；S9、取S5计算得到的该角度下的频域数据，在数据头和尾处分别进行补0，长度为升采样率U减1再乘以原数据长度的一半；S10、将S10补0后的频域数据进行傅里叶反变换得到升采样后的时域信号s
u
(t,θ
i
)；S11、计算当前网格位置，当前扫描角度下对应的接收信号的时延，并与S6计算确定的匹配滤波后参考时间做差，根据新采样间隔确定横断面距离对应的索引；S12、将S10得到的升采样的匹配滤波时域信号该索引处的值累加到S7设置的变量中；S13、递增扫描角度，重复S9到S12，直到完成所有扫描角度下横断面距离对应索引的估计，并完成所有扫描角度下升采样的匹配滤波时域信号对应索引处值的累加；S14、更新网格点位置，重复S8到S13，直到完成所有位置处目标空间分布函数的重建。2.根据权利要求1所述的一种基于声反射断层扫描成像的逆投影方法，其特征在于：所述S4中得到的波数域数据进行波数域匹配滤波处理3.根据权利要求1所述的一种基于声反射断层扫描成像的逆投影方法，其特征在于：所述S6中根据发射信号带宽B和扫描角度范围Θ计算波数域区间，利用下式确定目标区域网格点间隔Δx,Δy和点数N
x
,N
y
，根据参考横断面位置确定匹配滤波后的参考时间c为水中声速，根据升采样率U确定新的采样间隔k
x
＝2kcosθ,k
y
＝2ksinθΔx＝2π/(max(k
x
...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴文舒，鲍凯凯，王任鑫，张斌，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：