[论文解读] A New Framework for Synthetic Aperture Sonar Micronavigation

Salvatore Caporale, Yvan Pétillot|arXiv (Cornell University)|Jul 26, 2017

Underwater Vehicles and Communication Systems参考文献 14被引用 3

一句话总结

本文提出了一种新颖的、自包含的合成孔径声呐（SAS）亚波长微导航框架，通过最小化连续脉冲之间向量空间交集所构成的误差函数，估计亚波长量级的横向运动（纵漂、横移、偏航）。该方法在真实实验中实现了亚毫米级精度，且无需依赖惯性传感器数据，展示了在仿真与受控环境数据中的鲁棒性与通用性。

ABSTRACT

Synthetic aperture imaging systems achieve constant azimuth resolution by coherently summating the observations acquired along the aperture path. At this aim, their locations have to be known with subwavelength accuracy. In underwater Synthetic Aperture Sonar (SAS), the nature of propagation and navigation in water makes the retrieval of this information challenging. Inertial sensors have to be employed in combination with signal processing techniques, which are usually referred to as micronavigation. In this paper we propose a novel micronavigation approach based on the minimization of an error function between two contiguous pings having some mutual information. This error is obtained by comparing the vector space intersections between the pings orthogonal projectors. The effectiveness and generality of the proposed approach is demonstrated by means of simulations and by means of an experiment performed in a controlled environment.

研究动机与目标

• 解决在合成孔径声呐（SAS）中导航误差与波长相当且外部定位不可靠时的精确微导航挑战。
• 开发一种无需事先掌握惯性传感器数据或严格相位中心对齐的运动补偿技术，与传统DPCA方法形成对比。
• 通过仅利用重叠脉冲的信号数据，估计横向位移（纵漂、横移、偏航）并实现亚波长精度，从而实现精确成像。
• 通过引入基于数据驱动与凸优化的运动估计方法，减少对高精度惯性导航系统的依赖。

提出的方法

• 该方法将每个脉冲建模为对信号子空间的投影，两个连续脉冲的子空间交集构成运动误差估计的基础。
• 它定义了两个脉冲在共享交集子空间上的投影之间的凸误差函数，通过最小化该函数来估计相对位移。
• 该误差函数是假设位移的函数，其最小值对应于真实的脉冲间运动，从而实现基于优化的估计。
• 该方法采用交错排列的相位中心而非严格重合的相位中心，相较于DPCA方法提升了灵活性并降低了硬件约束。
• 该方法通过正交投影器计算与位移相关的输出，并利用凸误差度量进行比较，确保全局收敛。
• 通过组合多个脉冲之间的微分位移实现轨迹估计，累积位移经旋转以与对角线航迹对齐。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否开发一种SAS运动补偿技术，使其在无需事先掌握惯性传感器数据或严格相位中心对齐的条件下运行？
• RQ2 通过最小化基于脉冲间向量空间交集的凸误差函数，是否能够实现对亚波长横向运动（纵漂、横移、偏航）的精确估计？
• RQ3 当应用于具有非理想条件的真实SAS数据时，该方法与传统DPCA相比表现如何？
• RQ4 该方法是否能在受控环境中仅利用重叠脉冲的信号数据，实现亚毫米级的运动估计精度？

主要发现

• 在真实实验中，该方法在整条轨迹上的累积位移误差在纵漂方向小于5 mm，在横移方向小于0.5 mm。
• 偏航运动误差小于十分之一度（1.35×10⁻³ rad），证实其可忽略不计，未对图像质量造成影响。
• 真实数据的误差函数为凸函数，且与仿真行为一致，横移误差函数中的振荡周期等于105 kHz下波长的一半。
• 经过运动补偿的SIMO SAS重建复反射率在所有8组脉冲中差异可忽略，表明结果具有一致性与准确性。
• 在运动补偿后，SISO与SIMO SAS配置下重建反射率实部的绝对值保持一致，验证了该方法的有效性。
• 该方法在仿真模拟与真实实验中均表现出鲁棒性，即使在使用交错相位中心与非直线轨迹的情况下也表现有效。