CN103969641B - 一种多波束发射三维成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多波束发射三维成像方法，发射阵和接收阵为垂直相交的均匀直线阵，发射信号由若干个相互独立的子脉冲在时域上叠加得到，发射前对各个子脉冲进行发射加权，使各个子脉冲分别指向对应的某个条带，发射阵的各个发射阵元在同一时刻发送相同的子脉冲，使用接收阵采集各个条带的回波；用各个子脉冲的拷贝对接收阵上的回波进行匹配滤波处理，分离出各个子脉冲对应的回波分量后进行波束形成，获得各个条带的三维像；拼接各个条带的三维像，获得整个目标区域的三维像。本发明的工作效率远大于传统十字阵成像系统，可避免使用复杂的正交编码类信号。

Description

一种多波束发射三维成像方法

技术领域

本发明涉及一种阵列成像方法。

背景技术

三维成像系统通常使用矩形平面阵等阵列对回波进行采集和处理(MurinoVandTruccoA,Three-dimensionalimagegenerationandprocessinginunderwateracousticvision,inProc.IEEE,2000；88(12):1903-1948.)。然而，使用平面阵等会带来阵元数目巨大的缺点，导致三维成像系统的成本极其高昂。为了节省阵元成本，可以使用由两条相互垂直的直线阵组成的十字阵进行三维成像(deJongCD,LachapelleG,SkoneS.Multibeamsonartheoryofoperation.Delft:DelftUniversityPress,2002.)。十字阵可以通过自身的运动获得与矩形平面阵类似三维成像能力，也可以通过机械扫描的方式进行三维成像。但是，这些十字阵三维成像系统在一ping(一个发射与接收周期)只能对一两个条带进行成像，效率低下。

不同于传统阵列，MIMO阵列在发射端利用多个阵元同时发射相互独立的信号，在接收端使用发射信号的拷贝对回波进行匹配滤波，可产生远多于实际发射与接收通道的虚拟通道，从而获得大量的虚拟阵元(LiJ,andStoicaP.MIMOradarsignalprocessing.Hoboken,NJ:JohnWiley&SonsInc.,2009.孙超,刘雄厚.MIMO声纳:概念与技术特点探讨.声学技术,2012；31(2):117-124.)。根据这一优点，段广青(DuanGQ,WangDWandMaXY,Three-dimensionalimagingviawidebandMIMOradarsystem,IEEELett.Geos.remotesens.,2010；7(3):445-449.)和刘雄厚(LiuXH,SunC,ZhuoJ,etal.DevisingMIMOarraysforunderwater3-Dshort-rangeimaging.inProcOCEANS’12MTS/IEEE,HamptonRoads,USA,2012.)等人研究了多输入多输出(MIMO，Multiple-InputMultiple-Output)阵列的三维成像能力，通过使用两个相互垂直的直线阵(一个直线阵为发射阵，另一个直线阵为接收阵)来等效成一个虚拟矩形平面阵，达到了节省阵元个数并降低系统成本的目的。但是，MIMO阵列的发射阵元同时发射相互独立的信号，因此MIMO阵列不具备传统相控阵所具有的发射阵增益，这导致MIMO阵列的作用距离有限。此外，MIMO阵列成像中使用的发射信号多为正交编码类信号(段军旗.正交波形MIMO雷达信号设计及处理研究.电子科技大学博士论文,2009.)。为了抑制互相关干扰和自相关旁瓣干扰，这些编码类信号都需要采用较多的子码个数来合成长脉冲信号，给接收端的匹配滤波处理带来较大的运算负担。此外，这些正交编码类信号的波形过于复杂，其在恶劣环境中的稳健性不如传统的简单波形，如连续波(CW:ContinuousWave)脉冲和线性调频(LFM:LinearFrequencyModulation)脉冲。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种三维成像方法，利用两个相互垂直的直线阵(其中一个直线阵作为发射阵，另一个直线阵作为接收阵)通过发射特定组合后的独立脉冲来进行多波束发射，本发明在一ping内可同时对多个条带进行成像，工作效率远大于传统十字阵成像系统。此外，本发明既可获得发射阵增益，也可避免使用复杂的正交编码类信号(如使用一组中心频率不同的CW脉冲或一组频带相互分开的LFM脉冲)。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

1)设定发射阵和接收阵均为均匀直线阵，发射阵和接收阵垂直相交，发射阵的发射信号由若干个相互独立的子脉冲在时域上叠加而得到，在发射前，先对各个子脉冲进行发射加权，使各个子脉冲分别指向对应的某个条带，各个子脉冲之间的互相关函数峰值小于等于自相关函数峰值的0.2倍；发射阵的各个发射阵元在同一时刻发送相同的子脉冲，使用接收阵采集各个条带的回波；

2)用各个子脉冲的拷贝对接收阵上的回波进行匹配滤波处理，分离出各个子脉冲对应的回波分量；

3)对各个回波分量进行波束形成处理，获得各个条带的三维像；对各个条带的三维像进行拼接处理，获得整个目标区域的三维像。

所述的发射加权是指第l个子脉冲的主瓣指向对应的第m个发射阵元进行时延 $\mathrm{\Δ}{\mathrm{\τ}}_m^l=\frac{{\left[u^l\right]}^T{x}_{\mathrm{tm}}}{c},$ 其中， $u^l={[\sin {\mathrm{\θ}}^l,0,\sqrt{{\cos }^2{\mathrm{\θ}}^l-{\sin }^2\mathrm{\φ}}]}^T$ 为第l个子脉冲的发射加权向量，θ^l为发射第l个子脉冲时发射阵的波束指向角，φ为第l个子脉冲与xoz平面的夹角，所述的xoz平面位于由发射阵为x轴、接收阵为y轴构成的三维坐标体系，为第m个发射阵元的三维坐标，c为声波在介质中的传播速度，d_t为发射阵的阵元间距，M为发射阵的阵元数量。

本发明的有益效果是：本发明将多个相互独立的子脉冲经过发射加权以指向不同的条带，在时域上叠加为一个脉冲后再利用直线阵进行发射。这些子脉冲通过发射加权后由发射直线阵发射时，可同时形成多个发射波束并“照亮”多个条带。在接收端，使用各子脉冲的拷贝对接收直线阵(与发射直线阵垂直)上的回波进行匹配滤波处理，可利用子脉冲之间的独立性来分离出各个条带的回波。处理各个条带回波获得各个条带的像，最后经过拼接等处理获得目标区域的三维像。

与传统的使用矩形平面阵的三维成像方法相比，本发明中提出的方法可以节省大量阵元，其节省阵元数N_saved可表示为

N_saved＝MN+1-(M+N)

与使用MIMO阵列的三维成像方法相比，本发明中的方法获得了发射阵增益，也降低了对发射信号的要求(仅要求互相关特性满足式(15))，可以使用波形更为简单的CW脉冲或LFM脉冲。

与传统使用十字阵进行条带式测深和机械扫描三维成像的系统相比，本发明中的方法在一ping内即可完成对多个条带进行成像，效率远大于传统十字阵成像系统。

本发明的基本原理经过了理论推导，实施方案经过了计算机数值仿真的验证，其结果表明本发明提出的方法可以有效地对目标区域进行三维成像。

附图说明

图1是本发明中的阵列在工作时的示意图以及阵列和目标所处的三维坐标系；

图2是多个独立脉冲经过发射加权再时域叠加的示意图；

图3是发射直线阵发射叠加后的脉冲并同时照射多个条带的流程图；

图4是直接获得所有波束“脚印”的三维坐标和对应的散射强度的流程图；

图5是本发明中所涉及步骤的主要流程图；

图6是位于z＝-10米平面上的水下凸起与成像阵列的相对位置关系图；

图7是估计出的所有波束“脚印”上的三维坐标图，即三维成像结果；

图8是估计出的所有波束“脚印”的散射强度图，图中Am代表归一化的幅度。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明的主要内容有：

1.对多个独立子脉冲在发射前进行加权，保证一个子脉冲可以照射一个特定的条带。将这些经过发射加权后的子脉冲在时域上叠加为单个脉冲。利用两条相互垂直的直线阵分别作发射阵和接收阵。发射直线阵发射叠加后的独立脉冲，在一ping内同时形成多个发射波束，这些发射波束都由各自对应的子脉冲产生，且按照发射加权指向不同的条带。接收直线阵对回波进行采集，并利用匹配滤波处理以分离出不同子脉冲产生的回波。最后，对回波进行波束形成等一系列处理获得目标区域的三维像。

2.通过计算机仿真，对本发明所提出的多波束发射三维成像方法进行了检验，证明了本发明中所提方法的有效性。

本发明解决现存问题所采用的技术方案可分为以下3个步骤：

1)设定发射阵列和接收阵列的参数并对多个相互独立的子脉冲进行加权、时域叠加、发射和接收。

发射阵为M元均匀直线阵，其阵元间距为d_t。接收阵为N元均匀直线阵，其阵元间距为d_r。发射直线阵和接收直线阵相互垂直，两者可组成十字阵，也可组成“L”型阵或“T”型阵。对某个发射阵元而言，发射信号由L个相互独立的子脉冲在时域上叠加而得到。对某个子脉冲而言，所有发射阵元同时发射该子脉冲，并利用发射加权使该子脉冲指向某个条带。在发射前，先对L个子脉冲进行发射加权，然后将这些子脉冲在时域上叠加为单个脉冲再发射出去。为了保证子脉冲之间的独立性，要求所有子脉冲之间的互相关函数峰值小于等于自相关函数峰值的0.2倍。由于这些子脉冲之间是相互独立的，在时域上叠加后再发射时，相互之间不干扰，因此各子脉冲会按照各自的发射加权指向对应的条带，即一ping内同时产生L个发射波束，每个发射波束都有一个子脉冲与之对应。由此可知，发射阵具有指向性和发射阵增益。使用接收直线阵采集这些被“照亮”的条带的回波。

2)用各子脉冲的拷贝对接收阵上的回波进行匹配滤波处理以分离出各个子脉冲对应的回波分量。由于不同子脉冲“照亮”不同的条带，因此各个子脉冲产生的回波分量也就是被其“照亮”条带的回波分量。已知发射信号为L个子脉冲的时域叠加，因此N元接收阵上的回波主要来自于L个条带回波的时域叠加。又由于L个子脉冲是相互独立的，当利用与第l(l＝1,2,…,L)个发射子脉冲对应的匹配滤波器来处理接收阵上的回波时，能够在获得第l个条带回波的同时抑制其他条带的回波。因此，忽略掉回波的多普勒频移，与第l个发射脉冲对应的匹配滤波的输出可以简化为第l个脉冲的自相关函数项。

3)对匹配滤波器的输出进行波束形成等处理，获得三维像。对第l个条带的回波分量进行多波束处理，获得第l个条带的三维像。处理完L个条带的回波，获得L个条带的三维像。最后对L个条带的三维像进行拼接等处理，即可获得整个目标区域的三维像。

下面对本发明的每个步骤作详细说明：

步骤1)的具体内容如下：

三维成像系统中的发射阵为间距等于d_t的M元均匀直线阵，接收阵为间距等于d_r的N元均匀直线阵。发射直线阵和接收直线阵相互垂直。发射直线阵与接收直线阵可组成十字阵，也可组成“L”型阵或“T”型阵。

以十字阵为例，发射阵为阵元间距等于d_t的M元ULA，接收阵为阵元间距等于d_r的N元ULA。发射ULA位于x轴，接收ULA位于y轴，两者都位于z＝0m的平面且几何中心与坐标原点重合。十字阵的三维坐标体系如图1所示。

图1中u为三维空间向量，其表达式为：

$u={[\sin \mathrm{\θ},\sin \mathrm{\φ},\sqrt{{\cos }^2\mathrm{\θ}-{\sin }^2\mathrm{\φ}}]}^T---\left(1\right)$

其中θ为u与yoz平面的夹角，φ为u与xoz平面的夹角，上标[]^T表示转置。

未经发射加权时，第l(l＝1,2,…，L)个LFM子脉冲可以表示为

$s^l\left(t\right)=\frac{1}{\sqrt{T_0}}\mathrm{rect}\left(\frac{t}{T_0}\right)\exp \left[j2\mathrm{\π}(-\frac{B_0}{2}t+\frac{1}{2}\frac{B_0}{T_0}{t}^2)\right]\exp \left(j2\mathrm{\π}{f}_{l}t\right)---\left(2\right)$

其中，

$f_l=f_0+(l-1-\frac{L-1}{2})(B_0+\mathrm{\ΔB})---\left(3\right)$

为第l个子脉冲的中心频率，f₀为整体发射信号的中心频率，t代表时域，ΔB为相邻子脉冲之间的频带间隔，即后一个子脉冲的起始频率与前一个子脉冲的结束频率之差。

以对第l个子脉冲进行发射加权为例，与其主瓣指向对应的第m个发射阵元的时延 $\mathrm{\Δ}{\mathrm{\τ}}_m^l$ 为

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\τ}}_m^l=\frac{{\left[u^l\right]}^T{x}_{\mathrm{tm}}}{c}---\left(4\right)$

其中，

$u^l={[\sin {\mathrm{\θ}}^l,0,\sqrt{{\cos }^2{\mathrm{\θ}}^l-{\sin }^2\mathrm{\φ}}]}^T---\left(5\right)$

为第l个子脉冲的发射加权向量，θ^l为发射第l个子脉冲时发射ULA的波束指向角，

$x_{\mathrm{tm}}={\left[(m-1-\frac{M-1}{2}{d}_t,\mathrm{0,0})\right]}^T---\left(6\right)$

为第m(m＝1,2,…,M)个发射阵元的三维坐标，c为声波在介质中的传播速度。与式(4)中时延对应的相移为

对子脉冲根据式(7)来移相，可以使得每个子脉冲照射不同的条带。第m个发射阵元上经过发射加权的第l个子脉冲可表示为

$s_m^l\left(t\right)={\left[{\mathrm{\ω}}_m^l\right]}^c{s}^l\left(t\right)---\left(8\right)$

其中，

为第m个发射阵元上第l个子脉冲的加权值，为幅度加权，上标[]^c表示共轭。

将式(8)表示的经过发射加权后的L个子脉冲在时域上叠加后再发射出去。第m个发射阵元的发射信号可表示为

$s_m\left(t\right)=\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{\left[{\mathrm{\ω}}_m^l\right]}^c{s}^l\left(t\right)---\left(10\right)$

对M元发射ULA上的L个子脉冲进行发射加权再叠加的示意图如图2所示，发射直线阵发射叠加后的脉冲同时照射L个条带的示意图如图3所示。

由于子脉冲之间是相互独立的，相互之间的干扰很低。因此在发射时，叠加后的发射信号按照各子脉冲的主瓣指向同时“照亮”L个条带。在接收端，接收阵元上的回波可看作是L个条带的回波的叠加。忽略掉扩展损失和介质吸收损失后，第n(n＝1,2,…,N)个接收阵元上的回波x_n(t)可表示为L个条带回波的叠加：

$x_n\left(t\right)=\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{x}^l\left(t\right)+n\left(t\right)---\left(11\right)$

其中n(t)为噪声项，x^l(t)为第l个条带的回波。设第l个条带可建模为P_l个散射点，其中第p(p＝1,2,…P_l)个散射点的散射系数为σ^l,p。第l个条带的回波均由这P_l个散射点的回波所贡献，其表达式为

$\begin{array}{c}{x}^l\left(t\right)=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{p=1}{\overset{P_l}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\σ}}^{l,p}{s}_m^l(t-{\mathrm{\τ}}_{t,m}^{l,p}-{\mathrm{\τ}}_{r,n}^{l,p})\\ =\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{p=1}{\overset{P_l}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\σ}}^{l,p}{\left[{\mathrm{\ω}}_m^l\right]}^c{s}^l(t-{\mathrm{\τ}}_{t,m}^{l,p}-{\mathrm{\τ}}_{r,n}^{l,p})\end{array}---\left(12\right)$

其中，为第m个发射阵元到第l个条带中第p个散射点的时延，为第n个接收阵元到相同散射点的时延，σ^l,p为第l个条带中第p个散射点的散射强度。

步骤2)到步骤3)所涉及的相关理论和具体内容如下：

由于发射子脉冲之间是相互独立的，且照射不同的条带，因此可以利用匹配滤波处理来分离出所有条带的回波。对第n个阵元上的接收信号用第l个脉冲的拷贝信号来进行匹配滤波处理，其输出的表达式为

$y_n^l\left(t\right)=x_n\left(t\right)*h_l\left(t\right)---\left(13\right)$

其中h_l(t)＝[s^l(T₀-t)]^c为与第l个子脉冲对应的冲击响应函数，*代表求卷积。不考虑回波的多普勒频移，匹配滤波处理可以看作是对回波求相关，每个匹配滤波器的输出为发射子脉冲的自相关函数和互相关函数的叠加。将式(10)、式(11)和式(12)带入式(13)，得到：

$\begin{array}{c}{y}_n^l\left(t\right)=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{p=1}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\σ}}^{l,p}{\left[{\mathrm{\ω}}_m^l\right]}^c{r}_{l,l}(t-{\mathrm{\τ}}_{t,m}^{l,p}-{\mathrm{\τ}}_{r,n}^{l,p}-T_0)\\ +\underset{\widetilde{l\≠l}}{\underset{\tilde{l}=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}}\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{p=1}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\σ}}^{l,p}{\left[{\mathrm{\ω}}_m^{\tilde{l}}\right]}^c{r}_{l,\tilde{l}}(t-{\mathrm{\τ}}_{t,m}^{\widetilde{l,p}}-{\mathrm{\τ}}_{r,n}^{\tilde{l},p}-T_0)+n\left(t\right)*h_1\left(t\right)\end{array}---\left(14\right)$

其中，r_l,l(t)为第l个脉冲的自相关函数，为第l个脉冲与第个脉冲之间的互相关函数，和分别与式中和的意义一样，区别仅在于将l换成了

实际情况中，发射脉冲之间的独立性很难严格满足要求。在本发明中，只要脉冲的自相关峰值和互相关函数峰值满足下式：

$\frac{\max \left[r_{l,\tilde{l}}\left(t\right)\right]}{\max \left[r_{l,l}\left(t\right)\right]}\≤0.2---\left(15\right)$

即可认为子脉冲之间是独立的。其中，max[]代表取最大值。此外，当发射子脉冲与噪声的相关输出满足

$\frac{\max [n\left(t\right)*h_1\left(t\right)]}{\max \left[r_{l,l}\left(t\right)\right]}\≤0.2---\left(16\right)$

可以认为发射子脉冲与噪声之间是不相关的。满足式(15)和式(16)后，式(14)可以简化为仅包含自相关函数项的输出：

$y_n^l\left(t\right)=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{p=1}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\σ}}^{l,p}{\left[{\mathrm{\ω}}_m^l\right]}^c{r}_{l,l}(t-{\mathrm{\τ}}_{t,m}^{l,p}-{\mathrm{\τ}}_{r,n}^{l,p}-T_0)---\left(17\right)$

由式(17)可知，第l个匹配滤波器的输出为可以简化为第l个子脉冲的自相关函数项。据此可知，波束形成器的输入为某个发射子脉冲的自相关函数项经过不同时延和幅度衰减后的时域叠加。因此，只要子脉冲之间的互相关函数满足式(15)，其都可以用作本发明中的发射信号，如一组具有不同中心频率的CW脉冲或一组频带相互分开的LFM脉冲。如此，本发明对发射信号的要求远低于MIMO阵列成像对发射信号的要求(MIMO阵列成像不但要求发射信号的互相关特性要满足式(15)，同时也要求自相关函数具有相同的主瓣和低旁瓣)，可以避免使用MIMO阵列三维成像中的正交编码类信号，降低了发射波形的复杂度。

对匹配滤波器的输出进行波束形成，表达式为

$B_q^l\left(t\right)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left[{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rn}}^q\right]}^c{y}_n^l\left(t\right)---\left(18\right)$

其中为对第l个条带进行波束形成时第q个波束的输出，

为对应的加权值，为幅度加权值，其中的相移可类比式(7)表示为

其中，u^q和x_rn分别为接收端的方向向量和接收阵元坐标，表达式分别为：

$u^q={[0,\sin {\mathrm{\φ}}^q,\sqrt{{\cos }^2\mathrm{\θ}-{\sin }^2{\mathrm{\φ}}^q}]}^T---\left(21\right)$

$x_{\mathrm{rn}}={[0,(n-1)d_r-\frac{N-1}{2}{d}_r,0]}^T---\left(22\right)$

对第l个条带回波的匹配滤波的输出按照式(18)到式(22)进行处理，获得该条带的二维或三维像。处理完所有L个条带的匹配滤波输出，即可获得所有条带的二维或三维像。最后将这些条带的像进行拼接处理，即可获得目标区域的三维像。

根据式(18)对第l个条带回波的匹配滤波输出进行波束形成，获得波束输出并估计其回波时延。此时，估计出的时延要减去匹配滤波器的固定延时(即单个子脉冲的脉宽T₀)。第l个条带中第q个波束的时延可表示为

${\mathrm{TOA}}_q^l={\mathrm{\τ}}_q^l-T_0---\left(23\right)$

其中为用时延算法估计出的第l个条带中第q个波束“脚印”对应的时延。该波束“脚印”的三维坐标可表示为

$x_q^l=\frac{{\mathrm{TOA}}_q^l\×c}{2}\sin \left({\mathrm{\θ}}^l\right)---\left(24\right)$

$y_q^l=\frac{{\mathrm{TOA}}_q^l\×c}{2}\sin \left({\mathrm{\φ}}^q\right)---\left(25\right)$

$z_q^l=\frac{{\mathrm{TOA}}_q^l\×c}{2}\sqrt{{\cos }^2{\mathrm{\θ}}^l-{\sin }^2{\mathrm{\φ}}^q}---\left(26\right)$

根据式(23)到式(26)，就可以获得第l个条带上所有波束“脚印”的三维坐标。获得波束“脚印”的三维坐标后，也可以同时获取该波束“脚印”对应的散射强度值。第l个条带中第q个波束“脚印”的强度值为

$A_q^l=\max \left|B_q^l\left(t\right)\right|---\left(27\right)$

将所有条带的三维坐标拼接起来，就获得了目标区域的三维图。同时，也可按照式(27)获得该区域的三维散射强度图。处理多条带回波获得三维像的流程如图4所示。本发明的主要步骤流程如图5所示。

以典型的水下三维声成像过程为例，给出本发明的实施实例。实施实例利用计算机进行数值仿真，来验证本发明中三维成像方法的效果。

设定阵列和目标参数：

设发射信号为声波，其在水下的传播速度为1500米/秒。发射直线阵沿x轴布置，接收直线阵沿y轴布置，且都位于z＝0米的平面上。发射阵与接收阵阵元个数均为32，阵列的几何中心与坐标原点重合。在阵列正下方z＝-10米的平面上，有一个凸起，该凸起的顶点坐标为(0，0，-8)米。目标区域沿x轴和y轴的范围都是从-3.5米到3.5米，且所有散射点的散射强度都设为1。每个接收上的信噪比设为10dB，所加噪声为高斯白噪声。接收端采样频率设为2000kHz。阵列和该目标区域的相对置关系如图6所示。

设定发射信号参数

仿真中的发射信号为8个脉宽等于4毫秒的LFM脉冲的叠加信号，其起始频率分别为360kHz、370kHz、380kHz、390kHz、400kHz、410kHz、420kHz和430kHz，带宽都等于10kHz。这8个LFM脉冲的发射主瓣指向θ^l分别为(-19°,-14°,-8.5°,-2.9°,2.9°,8.5°,14°,19°)。接收主瓣也为8个，其指向φ^q与发射波束指向θ^l对应相等。在进行发射和接收波束形成时，都是采用-15dB的Chebyshev窗。一ping中，发射信号同时“照亮”8个条带，每个条带又分为8个波束“脚印”，因此共形成64个波束“脚印”来覆盖整个目标区域。

进行三维成像

仿真中采用估计所有波束“脚印”三维坐标及其散射强度的方法。根据图2和图3的流程进行信号的发射、采集与处理，获得每个波束“脚印”的三维坐标。对所有波束“脚印”的三维坐标估计结果如图7所示，所有波束“脚印”的归一化散射强度如图8所示。

由图7可以看出，利用本发明中的方法，对波束“脚印”的三维坐标估计结果与原目标区域的轮廓相符合。为了进行定量分析，根据所有波束“脚印”的真实坐标，计算出图7中估计结果的均方误差。估计出的x坐标、y坐标和z坐标对应的均方误差分别为0.0160米、0.0199米和0.0291米，这说明估计出的三维坐标是准确的。由图8可知，所有波束“脚印”的归一化散射强度值都相互接近，符合目标区域为等强度散射的仿真条件。通过计算，可以得到这些归一化散射强度的均值为0.9361、方差为0.0921。这说明估计出的波束“脚印”散射强度与仿真条件—目标区域由等强度的散射点组成—是相吻合的。对图7和图8的分析结果表明，本发明中提出的方法可以有效地对目标区域进行三维成像。

根据实施实例，可以认为本发明提出的方法能够运用到阵列三维成像领域。

Claims (1)

1.一种多波束发射三维成像方法，其特征在于包括下述步骤：

1)设定发射阵和接收阵均为均匀直线阵，发射阵和接收阵垂直相交，发射阵的发射信号由若干个相互独立的子脉冲在时域上叠加而得到，在发射前，先对各个子脉冲进行发射加权，使各个子脉冲分别指向对应的某个条带，各个子脉冲之间的互相关函数峰值小于等于自相关函数峰值的0.2倍；发射阵的各个发射阵元在同一时刻发送相同的子脉冲，使用接收阵采集各个条带的回波；其中所述的发射加权是指第l个子脉冲的主瓣指向对应的第m个发射阵元进行时延 其中，为第l个子脉冲的发射加权向量，θ^l为发射第l个子脉冲时发射阵的波束指向角，φ为第l个子脉冲与xoz平面的夹角，所述的xoz平面位于由发射阵为x轴、接收阵为y轴构成的三维坐标体系，为第m个发射阵元的三维坐标，c为声波在介质中的传播速度，d_t为发射阵的阵元间距，M为发射阵的阵元数量；

2)用各个子脉冲的拷贝对接收阵上的回波进行匹配滤波处理，分离出各个子脉冲对应的回波分量；

3)对各个回波分量进行波束形成处理，获得各个条带的三维像；对各个条带的三维像进行拼接处理，获得整个目标区域的三维像。