Optimizing Hydrophone Array Configurations for ۶-DoF Motion-Induced Phase Error Correction in Synthetic Aperture Sonar Imaging

سال انتشار: 1404
نوع سند: مقاله ژورنالی
زبان: انگلیسی
مشاهده: 133

فایل این مقاله در 19 صفحه با فرمت PDF قابل دریافت می باشد

استخراج به نرم افزارهای پژوهشی:

لینک ثابت به این مقاله:

شناسه ملی سند علمی:

JR_IJMTE-22-2_003

تاریخ نمایه سازی: 1 تیر 1405

چکیده مقاله:

Synthetic aperture sonar (SAS) achieves high-resolution imaging by coherently integrating echoes along the platform trajectory, making it inherently sensitive to six-degree-of-freedom (۶-DOF) motion. Sub-wavelength perturbations distort phase, broaden the main lobe, and raise sidelobes. This paper introduces a geometry-centric array optimization framework that: (i) operationalizes a Phase Sensitivity Index (PSI) with translational and rotational components to quantify array-dependent motion sensitivity; and (ii) calibrates PSLR/ISLR to image signatures (main-lobe width and sidelobe proximity) against a back-projection (BP) reference, ensuring physics-consistent visual interpretation. Three receiver arrays—۲D planar, ۳D cubic, and ۳D hemispherical (۳۶ elements each)—are evaluated under six motions (surge, sway, heave, roll, pitch, yaw) and three imaging states (ideal, motion-degraded, corrected), yielding ۵۴ scenarios. Motion parameters reflect realistic autonomous underwater vehicle conditions: translational RMS ۲.۰–۳.۲ mm, rotational RMS ۰.۲۵°–۰.۳۵°, platform speed ۲.۵ m/s, and dominant ۰.۲–۲ Hz content. The hemispherical array attains the lowest normalized PSI and consistently superior sidelobe metrics, outperforming the planar array by approximately ۶.۵ dB in PSLR and ۵.۶ dB in ISLR on updated corrected global means, and the cubic array by approximately ۲.۹ dB in both PSLR and ISLR. Yaw and Heave cause the greatest degradation; Roll is least harmful. Motion correction improves PSLR by ≥۴ dB and ISLR by ≥۳ dB relative to degraded images, while the residual gap to ideal remains ≤۴ dB, by design. The proposed framework enables quantitative array selection and supports robust SAS imaging in embedded AUVs without external navigation sensors.

کلیدواژه ها:

Synthetic Aperture Sonar (SAS) ، ۶-DoF motion ، Phase Sensitivity Index (PSI) ، Hydrophone Array Optimization ، Back-Projection

نویسندگان

Hamid Hajirahimi Kashani

Faculty of Engineering, Ferdowsi University of Mashhad

Seyed Alireza Seyedin

Faculty of Engineering, Ferdowsi University of Mashhad

مراجع و منابع این مقاله:

لیست زیر مراجع و منابع استفاده شده در این مقاله را نمایش می دهد. این مراجع به صورت کاملا ماشینی و بر اساس هوش مصنوعی استخراج شده اند و لذا ممکن است دارای اشکالاتی باشند که به مرور زمان دقت استخراج این محتوا افزایش می یابد. مراجعی که مقالات مربوط به آنها در سیویلیکا نمایه شده و پیدا شده اند، به خود مقاله لینک شده اند :
  • Zeng, S., Fan, W. and Du, X., (۲۰۲۲), Three-Dimensional Imaging ...
  • Gill, J. and Rama Rao, V.V.S., (۲۰۱۴), Motion Compensation of ...
  • Zhang, J., Cheng, G., Tang, J., Wu, H. and Tian, ...
  • Zhang, X., Huang, P., Sun, H., Ying, W. and Yang, ...
  • Zhang, X., Yang, P. and Zhou, M., (۲۰۲۳), Multireceiver SAS ...
  • Baron, V., Finez, A., Bouley, S., Fayet, F., Mars, J.I. ...
  • Król, J. and Błażejewski, A., (۲۰۲۰), Fibonacci Array-Based Focused Acoustic ...
  • Zhang, L., Liu, H., Liu, Y., et al., (۲۰۱۹), Direction-of-Arrival ...
  • de Bree, H.E., Druyvesteyn, W.F. and co-authors, (۲۰۰۸), Moving Microphone ...
  • Zhong, H., Zhou, Z., Zhang, P., et al., (۲۰۲۲), An ...
  • Zeng, S., Fan, W. and Du, X., (۲۰۲۲), Three-Dimensional Imaging ...
  • Gill, J. and Rama Rao, V.V.S., (۲۰۱۴), Motion Compensation of ...
  • Zhang, J., Cheng, G., Tang, J., Wu, H. and Tian, ...
  • Zhang, X., Huang, P., Sun, H., Ying, W. and Yang, ...
  • Zhang, X., Yang, P. and Zhou, M., (۲۰۲۳), Multireceiver SAS ...
  • Baron, V., Finez, A., Bouley, S., Fayet, F., Mars, J.I. ...
  • Król, J. and Błażejewski, A., (۲۰۲۰), Fibonacci Array-Based Focused Acoustic ...
  • Zhang, L., Liu, H., Liu, Y., et al., (۲۰۱۹), Direction-of-Arrival ...
  • de Bree, H.E., Druyvesteyn, W.F. and co-authors, (۲۰۰۸), Moving Microphone ...
  • Zhong, H., Zhou, Z., Zhang, P., et al., (۲۰۲۲), An ...
  • نمایش کامل مراجع