基于多传感器组合的合成孔径声呐运动补偿方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910521834.X (22)申请日 2019.06.17 (71)申请人 中国科学院声学研究所 地址 100190 北京市海淀区北四环西路21 号 (72)发明人 张羽王朋钟荣兴韦琳哲 张鹏飞刘纪元 (74)专利代理机构 北京方安思达知识产权代理 有限公司 11472 代理人 陈琳琳杨青 (51)Int.Cl. G01S 7/52(2006.01) G01S 7/539(2006.01) G01S 15/89(2006.01) (54)发明名称 一种基于多传感器组合的合。

2、成孔径声呐运 动补偿方法 (57)摘要 本发明涉及成像声呐信号处理和合成孔径 声呐运动补偿技术领域， 具体涉及一种基于多传 感器组合的合成孔径声呐运动补偿方法， 其包 括： 基于合成孔径声呐运动测量系统， 获得惯导 测量的声呐运动速度和多普勒计程仪测量的声 呐运动速度； 对二者进行融合， 得到声呐运动速 度的最优估计值； 对所述声呐运动速度的最优估 计值进行积分， 计算声呐的实际平面航迹和天向 航迹； 根据声呐的实际平面航迹和天向航迹， 拟 合最小二乘准则下的理想平面航迹和天向航迹； 计算合成孔径声呐实际平面航迹与理想平面航 迹之间的横荡误差； 计算合成孔径声呐实际天向 航迹与理想天向航迹之间。

3、的升沉误差； 计算实际 声程差， 再换算成时延对合成孔径声呐采集的回 波数据补偿。 权利要求书3页 说明书12页 附图6页 CN 110221278 A 2019.09.10 CN 110221278 A 1.一种基于多传感器组合的合成孔径声呐运动补偿方法， 该方法包括： 基于合成孔径声呐运动测量系统， 获得惯导测量的声呐运动速度和多普勒计程仪测量 的声呐运动速度； 对惯导测量的声呐运动速度和多普勒计程仪测量的声呐运动速度进行融合， 得到声呐 运动速度的最优估计值； 对所述声呐运动速度的最优估计值进行积分， 计算声呐的实际平面航迹和天向航迹； 根据声呐的实际平面航迹和天向航迹， 拟合最小二乘准。

4、则下的理想平面航迹和天向航 迹； 计算合成孔径声呐实际平面航迹与理想平面航迹之间的横荡误差； 计算合成孔径声呐实际天向航迹与理想天向航迹之间的升沉误差； 根据横荡误差和升沉误差， 计算实际声程差， 再换算成时延对合成孔径声呐采集的回 波数据补偿。 2.根据权利要求1所述的方法， 其特征在于， 所述合成孔径声呐运动测量系统包括： 惯 导、 多普勒计程仪和GPS； 合成孔径声呐内设置惯导和多普勒计程仪， 所述惯导， 用于测量惯 导的声呐运动速度和姿态数据； 所述多普勒计程仪， 用于测量多普勒计程仪的声呐运动速 度； 合成孔径声呐与GPS通过拖缆连接， 用于将纬度数据输入至惯导。 3.根据权利要求1。

5、所述的方法， 其特征在于， 所述对惯导测量的运动速度和多普勒计程 仪测量的运动速度进行融合， 得到声呐运动速度的最优估计值； 具体包括： 根据合成孔径声呐运动测量系统的， 采用Sage-Husa滤波， 采用完全状态方法， 建立惯 导和多普勒计程仪的状态方程和量测方程： 其中， 惯导和多普勒计程仪的状态方程为： 其中， 91代表合成孔径声呐运动测量系统噪声； 均值为qn； 方差为Qn； Xdvl VeD VnD VuDT； 其中， Ve,Vn,Vu分别代表惯导测量的声呐在东北天3个方向的声呐运动速度； L代表纬 度； R代表地球半径； wie代表地球自转角速度； fe,fn,fu分别代表加速度计。

6、在东北天3个方向 上的比力向量； VeI, VnI, VuI分别代表惯导在东北天3个方向上的速度误差； 分别代表惯导偏航角、 俯仰角和横滚角误差； VeD, VnD, VuD分别代表多普勒计程仪在东北 天3个方向上的速度误差； 权利要求书 1/3 页 2 CN 110221278 A 2 惯导和多普勒计程仪的量测方程Z为： 其中，分别代表多普勒计程仪测量的声呐在东北天3个方向的声呐运动 速度； 31为量测噪声； 均值为rn； 方差为Rn； 根据线性系统理论， 将惯导和多普勒计程仪的状态方程和量测方程离散化， 再按照 Sage-Husa基本方程滤波， 进行迭代， 得到惯导在东北天3方向的声呐速度。

7、误差估计值 用该惯导在东北天3方向的声呐速度误差估计值去校正惯导输出的声呐 运动速度Ve,Vn,Vu； 可得到声呐在东北天3方向运动速度的最优估计值 4.根据权利要求1所述的方法， 其特征在于， 所述对声呐运动速度的最优估计值进行积 分， 计算声呐的实际平面航迹和天向航迹； 具体包括： 选取某一段时间内合成孔径声呐在东北方向上的速度最优估计值， 该段时间包含多个 脉冲时间间隔； 从该段时间初始时刻开始， 将声呐速度最优估计值与声呐脉冲时间间隔相 乘， 可以得到合成孔径声呐在该脉冲时间间隔内沿该方向的位移， 通过不断累加位移得到 合成孔径声呐沿该东北方向的总位移， 该东北向的总位移为声呐的实际平。

8、面航迹； 选取某一段时间内合成孔径声呐在天方向上的速度最优估计值， 该段时间包含多个脉 冲时间间隔； 从该段时间初始时刻开始， 将声呐速度最优估计值与声呐脉冲时间间隔相乘， 可以得到合成孔径声呐在该脉冲时间间隔内沿该方向的位移， 通过不断累加位移得到合成 孔径声呐沿该天方向的总位移， 该天方向的总位移为声呐的实际天向航迹。 5.根据权利要求1所述的方法， 其特征在于， 所述根据声呐的实际平面航迹和天向航 迹， 拟合最小二乘准则下的理想平面航迹和天向航迹； 具体包括： 利用最小二乘法对声呐的实际水平面航迹拟合出一条直线， 作为声呐在水平面的理想 航迹； 利用最小二乘法对声呐的实际天向航迹拟合出一。

9、条直线， 作为声呐在天向的理想航 迹。 权利要求书 2/3 页 3 CN 110221278 A 3 6.根据权利要求1所述的方法， 其特征在于， 所述计算合成孔径声呐实际平面航迹与理 想平面航迹之间的横荡误差； 具体包括： 则横荡误差x为： 其中 ， A 为xe的 一次 项 系数 ； yn yn 1,yn 2,.,yn N T ； 7.根据权利要求6所述的方法， 其特征在于， 所述计算合成孔径声呐实际天向航迹与理 想天向航迹之间的升沉误差； 具体包括： 令zuzu1,zu2,.,zuN， 则升沉误差可表示为： hzu-hm (12) 其中，zuk为声呐天向位移坐标。 8.根据权利要求7所述的。

10、方法， 其特征在于， 所述根据横荡误差和升沉误差， 计算实际 声程差， 再换算成时延对合成孔径声呐采集的回波数据补偿； 具体包括： 实际声程差r ： 其中， x为声呐与测绘带中心之间的地距； h为声呐的距底高度； 将实际声程差r 乘以2再除以声速得到时延； 其中， 声速为1500m/s； 对声呐采集的回波数据进行时延校正， 则可获得对回波数据的运动补偿。 权利要求书 3/3 页 4 CN 110221278 A 4 一种基于多传感器组合的合成孔径声呐运动补偿方法 技术领域 0001 本发明属于成像声呐信号处理和合成孔径声呐运动补偿技术领域， 具体涉及一种 基于多传感器组合的合成孔径声呐运动补偿。

11、方法。 背景技术 0002 合成孔径声呐利用小孔径基阵沿方位向(航迹向)的移动合成虚拟大孔径， 根据空 间位置和相位关系对不同位置处的接收回波进行相干叠加处理， 获得高分辨率的图像。 合 成孔径声呐实现高质量成像的前提条件是声呐沿方位向做匀速直线运动。 实际工作时受到 水流、 风浪等因素的影响， 合成孔径声呐会偏离理想的运动状态而产生运动误差， 距离向越 远的地方， 合成孔径长度越长， 受误差影响就越大。 因此， 为了获得高质量的图像， 需要对合 成孔径声呐进行运动误差估计和补偿。 0003 合成孔径声呐运动补偿算法主要分为3类： 第一类， 基于运动测量系统的运动补 偿， 利用高精度的传感器测。

12、量拖体的姿态、 速度等运动参数， 对运动误差进行估计并补偿； 第二类， 基于回波的运动补偿， 充分利用多子阵优势， 通过前后两帧回波的相关性估计运动 误差， 适用于运动误差较小、 无强点目标的场景； 第三类， 基于自聚焦的运动补偿， 从声呐数 据中提取影响图像质量的相位误差并将其消除， 多用于消除残差。 0004 运动测量系统以其准确性高、 鲁棒性好等优点成为运动误差估计的主要依据。 合 成孔径声呐运动测量系统通常包括多种异类运动传感器， 其中， 典型的有惯导(inertial navigation system,INS)、 多普勒计程仪(doppler velocity log,DVL)、 。

13、深度计和全球卫 星定位系统(global positioning system,GPS)。 声呐在水下运动时， 惯导和多普勒计程仪 往往同时输出速度信息， 存在数据冗余。 现有的方法中通常采用卡尔曼滤波的方法， 获取声 呐运动速度的最优估计值。 但是， 卡尔曼滤波实现最优估计的前提是模型精确和随机干扰 信号统计特性已知， 这在真实系统中往往很难做到； 并且针对卡尔曼滤波， 模型差异容易导 致估计精度下降和滤波发散的现象， 造成不能精确计算声呐运动速度的问题。 发明内容 0005 本发明的目的在于， 为解决现有的基于运动测量系统的运动补偿方法存在的上述 缺陷， 本发明提出了一种基于多传感器组合的。

14、合成孔径声呐运动补偿方法， 采用Sage-Husa 滤波方法， 通过传感器的量测值实时估计和调整传感器系统噪声和量测噪声的统计特性参 量， 融合惯导和DVL输出的声呐运动速度数据， 实现对声呐运动速度的最优估计， 然后计算 声呐实际航迹与理想航迹之间的运动误差并对回波进行补偿。 0006 为了实现上述目的， 本发明提出了一种基于多传感器组合的合成孔径声呐运动补 偿方法， 该方法考虑了横荡误差和升沉误差对合成孔径声呐成像造成的影响， 依靠多传感 器组合估计运动误差； 该方法具体包括： 0007 基于合成孔径声呐运动测量系统， 获得惯导测量的声呐运动速度和多普勒计程仪 测量的声呐运动速度； 说明书。

15、 1/12 页 5 CN 110221278 A 5 0008 对惯导测量的声呐运动速度和多普勒计程仪测量的声呐运动速度进行融合， 得到 声呐运动速度的最优估计值； 0009 对所述声呐运动速度的最优估计值进行积分， 计算声呐的实际平面航迹和天向航 迹； 0010 根据声呐的实际平面航迹和天向航迹， 拟合最小二乘准则下的理想平面航迹和天 向航迹； 0011 计算合成孔径声呐实际平面航迹与理想平面航迹之间的横荡误差； 0012 计算合成孔径声呐实际天向航迹与理想天向航迹之间的升沉误差； 0013 根据横荡误差和升沉误差， 计算实际声程差， 再换算成时延对合成孔径声呐采集 的回波数据补偿。 001。

16、4 作为上述技术方案的改进之一， 所述合成孔径声呐运动测量系统包括： 惯导、 多普 勒计程仪和GPS； 合成孔径声呐内设置惯导和多普勒计程仪， 所述惯导， 用于测量惯导的声 呐运动速度和姿态数据； 所述多普勒计程仪， 用于测量多普勒计程仪的声呐运动速度； 合成 孔径声呐与GPS通过拖缆连接， 用于将纬度数据输入至惯导。 所述姿态数据包括惯导的偏航 角， 俯仰角和横滚角。 0015 作为上述技术方案的改进之一， 所述对惯导测量的运动速度和多普勒计程仪测量 的运动速度进行融合， 得到声呐运动速度的最优估计值； 具体包括： 0016 根据合成孔径声呐运动测量系统的结构， 采用Sage-Husa滤波，。

17、 采用完全状态方 法， 建立惯导和DVL的状态方程和量测方程： 其中， 惯导和DVL的状态方程： 0017 0018 其中，91代表合成孔径声呐运动测量系统噪声； 均值为qn； 方差为Qn； 0019 0020 0021 其中， Ve,Vn,Vu分别代表惯导测量的声呐在东北天3个方向的声呐运动速度； L代表 纬度； R代表地球半径； wie代表地球自转角速度； fe,fn,fu分别代表加速度计在东北天3个方 向上的比力向量； VeI, VnI, VuI分别代表惯导在东北天3个方向上的速度误差； 分别代表惯导偏航角、 俯仰角和横滚角误差； VeD, VnD, VuD分别代表DVL在东 北天3个方。

18、向上的速度误差； 0022 惯导和DVL的量测方程： 说明书 2/12 页 6 CN 110221278 A 6 0023 0024其中，分别代表DVL测量的声呐在东北天3个方向的声呐运动速度； 0025 0026 31为量测噪声； 均值为rn； 方差为Rn； 0027 根据线性系统理论， 将惯导和多普勒计程仪的状态方程和量测方程离散化， 再按 照Sage-Husa基本方程滤波， 进行迭代， 得到惯导在东北天3方向的声呐速度误差估计值； 0028用该惯导在东北天3方向的声呐速度误差估计值去校正惯导输出的 声呐运动速度Ve,Vn,Vu； 0029可得到声呐在东北天3方向运动速度的最优估计值 00。

19、30 0031 具体地， 根据线性系统理论， 将惯导和DVL的状态方程和量测方程离散化， 得到状 态量离散化的结果为Xk， 量测量离散化的结果为Zk， 系统噪声序列期望阵为qk、 系统噪声序 列方差阵为Qk， 量测噪声序列期望阵为rk， 量测噪声序列方差阵为Rk。 其中， k代表第k时刻。 再按照Sage-Husa基本方程滤波， 迭代过程， 得到惯导的声呐速度误差估计值， 用该惯导的 声呐速度误差的估计值去校正惯导输出的声呐运动速度， 可得到声呐运动速度的最优估计 值。 0032 Sage-Husa滤波依据最小均方误差准则， 利用惯导和DVL对声呐运动速度的量测数 据进行递推滤波的同时， 通过。

20、时变噪声统计估值器， 实时估计和修正惯导的系统噪声、 DVL 的系统噪声、 惯导的量测噪声和DVL的量测噪声的统计特性参数， 达到降低Sage-Husa滤波 误差、 抑制滤波发散、 提高滤波精度的目的。 0033 作为上述技术方案的改进之一， 所述对声呐运动速度的最优估计值进行积分， 计 算声呐的实际平面航迹和天向航迹； 具体包括： 0034 选取某一段时间内合成孔径声呐在东北方向上的速度最优估计值， 该段时间包含 多个脉冲时间间隔。 从该段时间初始时刻开始， 将声呐速度最优估计值与声呐脉冲时间间 隔相乘， 可以得到合成孔径声呐在该脉冲时间间隔内沿该方向的位移， 通过不断累加位移 得到合成孔径。

21、声呐沿该东北方向的总位移， 该东北向的总位移为声呐的实际平面航迹； 0035 选取某一段时间内合成孔径声呐在天方向上的速度最优估计值， 该段时间包含多 个脉冲时间间隔； 从该段时间初始时刻开始， 将声呐速度最优估计值与声呐脉冲时间间隔 相乘， 可以得到合成孔径声呐在该脉冲时间间隔内沿该方向的位移， 通过不断累加位移得 说明书 3/12 页 7 CN 110221278 A 7 到合成孔径声呐沿该天方向的总位移， 该天方向的总位移为声呐的实际天向航迹。 0036 作为上述技术方案的改进之一， 所述根据声呐的实际平面航迹和天向航迹， 拟合 最小二乘准则下的理想平面航迹和天向航迹； 具体包括： 00。

22、37 利用最小二乘法对声呐的实际水平面航迹拟合出一条直线， 作为声呐在水平面的 理想航迹； 0038 利用最小二乘法对声呐的实际天向航迹拟合出一条直线， 作为声呐在天向的理想 航迹。 0039 作为上述技术方案的改进之一， 所述计算合成孔径声呐实际平面航迹与理想平面 航迹之间的横荡误差； 具体包括： 0040 声呐在东北向水平面的实际平面航迹与声呐在水平面的理想平面航迹之间的运 动误差称为横荡误差； 0041 则横荡误差x为： 0042 0043其中 ， A 为xe的一次项系数； ynyn1,yn 2,.,yn N T ； 0044 作为上述技术方案的改进之一， 所述计算合成孔径声呐实际天向航。

23、迹与理想天向 航迹之间的升沉误差； 具体包括： 0045 声呐在天向的实际天向航迹与声呐在天向的理想天向航迹之间的运动误差称为 升沉误差； 0046 令zuzu1,zu2,.,zuN， 则升沉误差可表示为： 0047 hzu-hm (12) 0048其中， 其中，zuk为声呐天向位移坐标。 0049 作为上述技术方案的改进之一， 所述根据横荡误差和升沉误差， 计算实际声程差， 再换算成时延对合成孔径声呐采集的回波数据补偿； 具体包括： 0050 运动误差会影响声呐理想航迹与实际航迹之间的实际声程差， 实际声程差的2倍 除以声速可得到时延。 0051 把式(8)与式(12)代入式(13)， 则可。

24、计算实际声程差r ： 0052 0053 其中， x声呐与测绘带中心之间的地距； h为声呐的距底高度： 0054 将实际声程差r 乘以2再除以声速得到时延； 其中， 声速为1500m/s； 0055 对声呐采集的回波数据进行时延校正， 则可获得对回波数据的运动补偿。 0056 本发明相比于现有技术的有益效果在于： 0057 在惯导和DVL噪声统计特性未知的情况下， 本发明的方法采用Sage-Husa滤波方 法， 处理惯导和DVL的速度量测值， 通过时变噪声统计估值器qk,Qk,rk,Rk， 实时估计和修正 说明书 4/12 页 8 CN 110221278 A 8 系统噪声和量测噪声的统计特性。

25、参数， 降低了Sage-Husa滤波模型误差， 提高了声呐速度的 估计精度。 另外， 本发明的方法对运动误差得到准确而有效的估计， 提高了运动误差补偿的 准确性， 显著改善了声呐的成像效果。 附图说明 0058 图1是本发明的合成孔径声呐系统的结构示意图； 0059 图2是本发明的合成孔径声呐成像几何模型示意图； 0060 图3是本发明的合成孔径声呐运动测量系统结构示意图； 0061 图4是本发明的一种基于多传感器组合的合成孔径声呐运动补偿方法中的步骤1) 的采用Sage-Husa基本方程滤波， 其具体的迭代过程示意图； 0062 图5(a)是本发明的方法的Sage-Husa滤波、 现有的常规。

26、卡尔曼滤波、 现有的H滤波 的北向速度误差与时间关系的示意图； 0063 图5(b)是本发明的方法的Sage-Husa滤波、 现有的常规卡尔曼滤波、 现有的H滤波 的东向速度误差与时间关系的示意图； 0064 图5(c)是本发明的方法的Sage-Husa滤波、 现有的常规卡尔曼滤波、 现有的H滤波 的天向速度误差与时间关系的示意图； 0065 图6(a)是现有的常规卡尔曼滤波点目标成像结果； 0066 图6(b)是现有的H滤波点目标成像结果； 0067 图6(c)是本发明的方法的Sage-Husa滤波点目标成像结果； 0068 图7(a)是现有的常规卡尔曼滤波点目标方位向剖面图； 0069 图。

27、7(b)是现有的H滤波点目标方位向剖面图； 0070 图7(c)是本发明的方法的Sage-Husa滤波点目标方位向剖面图。 具体实施方式 0071 现结合附图对本发明作进一步的描述。 0072 本发明的创新之处在于对惯导和DVL测量的声呐运动速度采用Sage-Husa滤波方 法进行声呐运动速度融合， 获得声呐速度的最优估计值。 然后对该声呐运动速度的最优估 计值进行积分， 计算声呐运动的实际航迹； 在最小二乘准则下， 将声呐的实际航迹拟合成声 呐的理想航迹， 由此计算出横荡误差和升沉误差。 最后将运动误差换算成时延对声呐采集 的回波数据补偿。 以下为本发明的方法对其进行详细的阐述： 0073 。

28、如图1所示， 本发明提出了一种基于多传感器组合的合成孔径声呐运动补偿方法， 该方法考虑了横荡误差和升沉误差对合成孔径声呐成像造成的影响， 依靠多传感器组合估 计运动误差； 该方法具体包括： 0074 步骤1)基于合成孔径声呐运动测量系统， 获得惯导测量的声呐运动速度和多普勒 计程仪测量的声呐运动速度； 0075 具体地， 所述合成孔径声呐运动测量系统包括： 惯导、 多普勒计程仪和GPS； 合成孔 径声呐内设置惯导和多普勒计程仪， 所述惯导， 用于测量惯导的声呐运动速度和姿态数据； 所述多普勒计程仪， 用于测量多普勒计程仪的声呐运动速度； 合成孔径声呐与GPS通过拖缆 连接， 用于将纬度数据输入。

29、至惯导。 所述姿态数据包括惯导的偏航角， 俯仰角和横滚角； 说明书 5/12 页 9 CN 110221278 A 9 0076 步骤2)采用Sage-Husa滤波， 对惯导测量的声呐运动速度和多普勒计程仪测量的 声呐运动速度进行融合， 得到声呐运动速度的最优估计值； 0077 具体包括： 0078 根据合成孔径声呐运动测量系统的结构， 利用Sage-Husa滤波， 采用完全状态方 法， 建立惯导和DVL的状态方程和量测方程： 其中， 0079 合成孔径声呐运动测量系统的结构如图3所示， 其包括： 惯导、 DVL和GPS； 合成孔径 声呐内设置惯导和DVL， 惯导输出声呐运动速度和姿态数据， 。

30、DVL输出声呐运动速度； 合成孔 径声呐与GPS通过拖缆连接， 用于将纬度数据输入至惯导。 由于惯导正常工作需要纬度数据 辅助， 因此GPS作为外部设备通过拖缆将纬度数据输入给惯导， 以使惯导输出姿态数据。 所 述姿态数据包括惯导的偏航角， 俯仰角和横滚角： 0080惯导和DVL的状态方程 0081 0082 其中， 91代表合成孔径声呐运动测量系统噪声， 即惯导和DVL的系统噪声， 为白噪 声； 均值为qn； 方差为Qn； 0083 0084 0085 其中， Ve,Vn,Vu分别代表惯导测量的声呐在东北天3个方向的声呐运动速度； L代表 纬度； R代表地球半径； wie代表地球自转角速度；。

31、 fe,fn,fu分别代表加速度计在东北天3个方 向上的比力向量； VeI, VnI, VuI分别代表惯导在东北天3个方向上的速度误差； 分别代表惯导偏航角、 俯仰角和横滚角误差； VeD, VnD, VuD分别代表DVL在东 北天3个方向上的速度误差； 0086 惯导和DVL的量测方程Z： 0087 0088其中，分别代表DVL测量的声呐在东北天3个方向的声呐运动速度； 说明书 6/12 页 10 CN 110221278 A 10 0089 0090 31为量测噪声， 为白噪声； 均值为rn； 方差为Rn； 0091 根据线性系统理论， 将惯导和多普勒计程仪的状态方程和量测方程离散化， 再。

32、按 照Sage-Husa基本方程滤波， 进行迭代， 得到惯导在东北天3方向的声呐速度误差估计值 0092用该惯导在东北天3方向的声呐速度误差估计值去校正惯导输出的 声呐运动速度Ve,Vn,Vu； 0093可得到声呐在东北天3方向运动速度的最优估计值 0094 0095 具体地， 根据线性系统理论， 将惯导和DVL的状态方程和量测方程离散化， 得到状 态量X离散化的结果为离散量Xk， 量测量Z离散化的结果为离散量Zk， 系统噪声序列期望阵为 qk、 系统噪声序列方差阵为Qk， 量测噪声序列期望阵为rk， 量测噪声序列方差阵为Rk。 其中， 状态方程和量测方程中状态量X和量测量Z都是连续量； k代。

33、表第k时刻。 再按照Sage-Husa基 本方程滤波， 迭代过程， 得到惯导的声呐速度误差估计值， 用该惯导的声呐速度误差的估计 值去校正惯导输出的声呐运动速度， 可得到声呐运动速度的最优估计值。 0096 Sage-Husa滤波依据最小均方误差准则， 利用惯导和DVL对声呐运动速度的量测数 据进行递推滤波的同时， 通过时变噪声统计估值器， 实时估计和修正惯导的系统噪声、 DVL 的系统噪声、 惯导的量测噪声和DVL的量测噪声的统计特性参数， 达到降低Sage-Husa滤波 模型误差、 抑制滤波发散、 提高滤波精度的目的。 0097 其中， 具体的迭代过程如图4所示， 0098 其中， b(0。

34、,1)， 为遗忘因子， dk为加权因子， k,k-1为k-1时刻至k时刻的一步转移 矩阵， 即F99离散化的结果，为状态一步预测值， vk为新息， Kk为滤波增益， Pk为估计均 方误差， Pk/k-1为k-1时刻至k时刻一步预测均方误差，为离散量Xk的状态估计值， 为系 统噪声序列期望阵qk的估计值，为系统噪声序列方差阵Qk的估计值， 为量测噪声序列 期望阵的估计值， 为量测噪声序列方差阵Rk的估计值。 0099 具体地， 在本实施例中， 针对东北天3方向， 获得声呐运动速度的最优估计值， 具体 如下： 0100 根据运动测量系统的结构， 建立东北天3向的惯导和DVL的状态方程和量测方程。 。

35、根据线性系统理论， 将东北天3向的惯导和DVL的状态方程和量测方程离散化， 再按照Sage- Husa基本方程滤波， 迭代过程如图4所示。 说明书 7/12 页 11 CN 110221278 A 11 0101 经过Sage-Husa滤波， 得到惯导在东北天3方向的声呐速度误差估计值， 用该惯导 的声呐速度误差的估计值去校正惯导输出的东北天3方向声呐运动速度， 可得到东北天3方 向声呐运动速度的最优估计值。 0102 步骤3)对所述声呐运动速度的最优估计值进行积分， 计算声呐的实际平面航迹和 天向航迹； 具体地， 0103 选取某一段时间内合成孔径声呐在东北方向上的速度最优估计值， 该段时间。

36、包含 多个脉冲时间间隔。 从该段时间初始时刻开始， 将声呐速度最优估计值与声呐脉冲时间间 隔相乘， 可以得到合成孔径声呐在该脉冲时间间隔内沿该方向的位移， 通过不断累加位移 得到合成孔径声呐沿该东北方向的总位移， 该东北向的总位移为声呐的实际平面航迹； 0104 选取某一段时间内合成孔径声呐在天方向上的速度最优估计值， 该段时间包含多 个脉冲时间间隔； 从该段时间初始时刻开始， 将声呐速度最优估计值与声呐脉冲时间间隔 相乘， 可以得到合成孔径声呐在该脉冲时间间隔内沿该方向的位移， 通过不断累加位移得 到合成孔径声呐沿该天方向的总位移， 该天方向的总位移为声呐的实际天向航迹。 0105 在本实施。

37、例中， 如图2所示， 以初始时刻位置为原点， 对声呐的东、 北向声呐运动速 度的最优估计值进行积分得到声呐的实际平面航迹； 对声呐的天向声呐运动速度的最优估 计值进行积分得到声呐的实际天向航迹； 0106 将积分后获得的声呐的实际平面航迹表示为(xe1,yn1) ,(xe2,yn2) ,.,(xeN, ynN)， 将积分后获得的声呐天向实际航迹表示为zu1,zu2,.,zuN)， 其中， N为采样点个数。 0107 步骤4)根据声呐的实际平面航迹和天向航迹， 拟合最小二乘准则下的理想平面航 迹和天向航迹； 0108 具体包括： 0109 利用最小二乘法对声呐的实际水平面航迹拟合出一条直线， 作。

38、为声呐在水平面的 理想航迹； 0110 利用最小二乘法对声呐的实际天向航迹拟合出一条直线， 作为声呐在天向的理想 航迹。 0111 在本实施例中， 为了得到东北向理想平面直线航迹， 即ynxeA +B ， 利用最小二乘 法对声呐的实际水平面航迹进行估计， 并拟合出一条直线航迹， 作为东北向理想平面航迹； 利用最小二乘法对声呐的实际天向航迹拟合出一条直线， 作为声呐在天向的理想航迹。 0112 步骤5)计算合成孔径声呐实际平面航迹与理想平面航迹之间的横荡误差； 具体 地， 0113 声呐在东北向水平面的实际平面航迹与声呐在水平面的理想平面航迹之间的运 动误差称为横荡误差； 具体地， 0114 构。

39、造线性观测方程为： 0115 ynkxekA +B + k,k1,2,.,N (4) 0116 其中， ynk为声呐北向位移坐标； xek为声呐东向位移坐标； k是ynk与xek线性组合的 观测噪声。 0117 令ynyn1,yn2,.,ynNT,xexe1,xe2,.,xeNT, 1, 2,., N， 将式(3)写 成矩阵形式为： 0118 ynwK+ (5) 说明书 8/12 页 12 CN 110221278 A 12 0119其中，A 为x的一次项系数； B 为常数项。 0120 根据最小二乘法构造规则， 使误差平方和最小， 即 0121 0122J1达到最小， 则得到K的最小二乘估计。

40、 0123 0124 因此， 可以得到横荡误差x为： 0125 0126 所述计算合成孔径声呐实际天向航迹与理想天向航迹之间的升沉误差； 具体包 括： 0127 声呐在天向的实际天向航迹与声呐在天向的理想天向航迹之间的运动误差称为 升沉误差； 0128 构造线性观测方程为： 0129 zukhm+ k,k1,2,.,N (9) 0130 其中， zuk为声呐天向位移坐标； hm为天向的理想航迹， 为常数； k是zuk的观测噪声。 0131 根据最小二乘法构造规则， 使误差平方和最小， 即 0132 0133 J2达到最小， 则得到 0134 0135 其中， zuk为声呐天向位移坐标； 013。

41、6 令zuzu1,zu2,.,zuN， 则升沉误差可表示为： 0137 hzu-hm (12) 0138 其中， 横荡误差和升沉误差为运动误差； 为了得到实际航迹与理想航迹之间的运 动误差， 首先需要获取声呐运动速度， 然后对该声呐运动速度积分得到实际平面航迹和天 向航迹。 拖曳式声呐工作时， 拖船通过拖缆连接着拖体在水中航行， 由于水声环境复杂多 变， 传感器噪声统计特性参量很难准确描述， 因此， 选择建立Sage-Husa滤波模型， 通过传感 器的量测值估计噪声统计特性参量， 融合惯导和DVL测量的声呐运动速度数据， 实现对声呐 运动速度的最优估计值。 0139 步骤6)根据横荡误差和升沉。

42、误差， 计算实际声程差， 再换算成时延对合成孔径声 呐采集的回波数据补偿； 具体包括： 0140 由于运动误差会影响声呐理想航迹与实际航迹之间的实际声程差， 因此， 实际声 程差的2倍除以声速可得到时延。 其中， 实际声程差r 是指声呐实际航迹相比于理想航迹 的差。 具体地， 0141 把式(8)与式(12)代入式(13)， 则可计算实际声程差r ： 说明书 9/12 页 13 CN 110221278 A 13 0142 0143 其中， x为声呐与测绘带中心之间的地距； h为声呐的距底高度： 0144 将实际声程差r 乘以2再除以声速得到时延； 其中， 声速为1500m/s； 0145 对。

43、声呐采集的回波数据进行时延校正， 则可获得对回波数据的运动补偿。 0146 其中， 实际声程差r 的具体推导过程如下： 0147 建立合成孔径声呐成像几何模型， 声呐成像是根据实际航迹的声程， 如图2所示， 合成孔径声呐沿与Y轴平行的方向运动， 与XOY平面的垂直距离为h。 假设某一时刻， 合成孔 径声呐运动到点A， 坐标值为(0,0,h)， 在合成孔径声呐照射的波束范围内存在一个点目标 P， 坐标值为(x,y,0)， 则合成孔径声呐与目标P之间的理论声程AP表示为r ： 0148 0149 假设X轴方向上的横荡误差为x； Z轴方向上的升沉误差为h， 合成孔径声呐实 际位置处于点B(-x,0,。

44、h+h)， 则声呐与目标P之间的实际声程BP表示为r : 0150 0151 则理论声程差表示为r： 0152 0153 假设声呐方位向波束足够窄， 则可以认为相同距离门不同方位处的目标具有相同 的声程差， 通过一些近似， 则实际声程差r 0154 0155 在本实施例中， 本发明采用的参数如下表1所示： 0156 0157 引入常规卡尔曼滤波和H滤波， 作为和Sage-Husa滤波的对照试验， 东北天3方向 的速度估计误差曲线如图5(a)、 图5(b)和图5(c)所示， 东北天3方向的速度估计性能指标如 下表2所示： 说明书 10/12 页 14 CN 110221278 A 14 0158。

45、 0159 通过图5(a)、 图5(b)和图5(c)可以看出， Sage-Husa算法通过自适应估计传感器噪 声统计特性不断进行递推滤波， 将速度误差控制在较小的范围， 滤波效果最好。 表2统计结 果清晰反映出Sage-Husa算法在滤波效果上的优越性， 并且表现得十分稳健。 根据均方根误 差结果可得， Sage-Husa方法至少可以将精度提高37。 0160 选择点目标成像结果来检验滤波的准确性和有效性。 将滤波得到的东北天3方向 速度进行积分得到实际航迹， 计算运动误差并对原始回波补偿， 成像结果如图6(a)、 图(b) 和图(c)所示。 图6中3种滤波方法得到得到点目标距离向脉压结果基本。

46、相同， 方位向脉压结 果则存在较大的差异。 给出点目标方位向剖面图进行对比， 如图7(a)、 图7(b)和图7(c)所 示。 使用常规卡尔曼滤波和H滤波补偿后的点目标在方位向上存在较多幅值较大的旁瓣， 说明点目标在方位向上能量并不集中， 散焦严重。 Sage-Husa自适应滤波能够更准确地估计 运动状态， 抑制了旁瓣峰值， 增加了主瓣能量， 使目标聚焦效果更好。 表3是点目标方位向辐 射性能指标， 如下表所示： 0161 0162 Sage-Husa方法的峰值旁瓣比和积分旁瓣比均小于其他两种方法， 峰值旁瓣比接 近理想值， 由此可以判定， Sage-Husa滤波对运动状态估计更准确， 补偿后的。

47、图像质量更高。 0163 本发明提出了一种基于多传感器组合的合成孔径声呐运动补偿方法， 该方法为在 传感器噪声统计特性不确定的情况下， 基于Sage-Husa滤波的多传感器组合的合成孔径声 呐运动补偿方法； 该方法使用Sage-Husa滤波算法融合多种异类运动传感器的数据， 自适应 估计声呐速度的最优值， 从而计算横荡误差和升沉误差， 最后通过时延补偿声呐采集的回 波数据。 其中， 所述多种异类运动传感器数据包括： 惯导的姿态和速度数据， DVL的速度数 据， 以及GPS的纬度数据。 该方法具有较强的适应性， 能够通过时变噪声统计估值器， 实时估 计和修正系统噪声和量测噪声的统计特性参数， 达。

48、到降低模型误差、 抑制滤波发散的目的； 减小了运动误差对成像造成的影响， 运动补偿效果显著， 适用于运动传感器系统噪声协方 差阵和量测噪声协方差阵均不确定的运动测量系统。 0164 最后所应说明的是， 以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。 尽管参 说明书 11/12 页 15 CN 110221278 A 15 照实施例对本发明进行了详细说明， 本领域的普通技术人员应当理解， 对本发明的技术方 案进行修改或者等同替换， 都不脱离本发明技术方案的精神和范围， 其均应涵盖在本发明 的权利要求范围当中。 说明书 12/12 页 16 CN 110221278 A 16 图1 图2 说明书附图 1/6 页 17 CN 110221278 A 17 图3 图4 图5(a) 说明书附图 2/6 页 18 CN 110221278 A 18 图5(b) 图5(c) 说明书附图 3/6 页 19 CN 110221278 A 19 图6(a) 图6(b) 说明书附图 4/6 页 20 CN 110221278 A 20 图6(c) 图7(a) 说明书附图 5/6 页 21 CN 110221278 A 21 图7(b) 图7(c) 说明书附图 6/6 页 22 CN 110221278 A 22 。