High-Definition Sonar Imaging Using 2-D Low-Complexity Adaptive Processing

Jiahao Fan

doi:10.1109/TIM.2025.3604926

2025-01-01

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DOI：10.1109/TIM.2025.3604926

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前视声呐（FLS）利用匹配滤波（MF）和常规波束形成（CBF）来处理回波并获取2-D图像。成像结果存在分辨率低和旁瓣水平（SLLs）高的问题，导致图像清晰度低。为解决此问题，我们提出了一种2-D低复杂度自适应（LCA）声呐成像方法，以实现高清晰度图像。在方位维度上，我们采用一组预设计的Chebyshev和Kaiser窗，结合这些窗的左移和右移变体，执行角度LCA波束形成。在距离维度上，我们使用加权MF与Chebyshev和Kaiser窗相结合，以提高距离分辨率并降低距离旁瓣水平。在方位和距离两个维度上，所提方法在最小功率无失真响应约束下，自适应地从预设计窗集中选择最优窗。这种方法可视为2-D自适应处理的离散形式，在提高成像质量的同时保持鲁棒性和低复杂度。仿真研究用于评估所提方法的性能。结果表明，该方法在半功率波束宽度（HPBW）、峰值旁瓣水平比（PSLR）和平均旁瓣水平（ASL）等关键指标上优于现有声呐成像方法。此外，该方法在小阵列流形误差、低信噪比（SNR）和低信混响比（SRR）环境下均表现出鲁棒性。基于峰值信噪比（PSNR）和结构相似性指数测量（SSIM）的定量图像质量评估进一步证实了所提方法的优越性。这些改进表明，增强的成像性能可有利于水下目标检测和分类任务。此外，在湖泊环境中进行的实数据实验验证了该方法在生成高清晰度声呐图像（具有增强的清晰度和细节）方面的实际有效性。这些发现凸显了所提方法在高清晰度声呐成像中的实际价值。

Keyword:

Forward-looking sonar (FLS)

high-resolution imaging

sidelobe suppression

sonar imaging

underwater acoustics