CN109375227B - 一种解卷积波束形成三维声成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种解卷积波束形成三维声成像方法，所述方法包括：基于均匀布阵的二维阵列完成二维解卷积波束形成处理，获得可视化三维声成像。针对水下三维成像声纳成像分辨率难于提高的问题，本发明的方法可以有效的提高三维成像声纳的成像分辨率，并降低三维成像声纳旁瓣能量，能够有效地提升三维成像声纳的图像质量。

Description

一种解卷积波束形成三维声成像方法

技术领域

本发明涉及成像声纳系统领域，特别涉及一种解卷积波束形成三维声成像方法。

背景技术

水下三维成像技术是水下小目标探测及识别的重要手段，提高三维成像的成像分辨率能够获得更清晰、易于识别的三维图像，能够有效的提升水下目标的识别率。基于传统的波束形成方法的水下三维成像技术具有稳定的优势，但该方法成像分辨率难于提高，需要增加接收阵元数，很大程度上增加算法的计算量和系统复杂度。

受到广泛研究的MVDR(Mininum-variance Distortionless Response)等高分辨波束形成技术，可以获得高分辨、低旁瓣的成像结果，但该方法需要进行信号相关矩阵求逆，计算量需求过高，并对信号失配敏感，稳定性差，难于在三维成像系统中发挥作用。

综上所述，基于常规波束形成方法的水下三维成像技术具有稳定的优势，但该方法成像分辨率难于提高，并具有较高的旁瓣级。自适应高分辨波束形成技术可以获得高分辨、低旁瓣的成像结果，但该类方法需要进行信号相关矩阵求逆，对信号失配敏感，难于在三维成像系统中发挥作用。

发明内容

本发明的目的在于克服三维成像声纳成像分辨率难于提高的问题，提出了一种解卷积波束形成三维声成像方法，获得了与高分辨波束形成技术相当的成像分辨率和更低的旁瓣值，并保持了传统波束形成的稳定性。

为了实现上述目的，本发明提出了一种解卷积波束形成三维声成像方法，所述方法包括：该方法基于均匀布阵的二维阵列完成二维解卷积波束形成处理，获得可视化三维声成像。

作为上述方法的一种改进，所述方法具体包括：

步骤1)设接收平面阵为均匀布阵，阵元数为M×N，布阵间隔为d；接收平面阵采集的远场窄带信号表示为

步骤2)选取一个扫描方向，基于远场窄带信号

进行常规波束形成计算，得到常规波束形成结果；

步骤3)令初始化的信号能量分布函数为常规波束形成结果，计算波束能量和均匀布阵平面阵的点源扩散函数；

步骤4)基于步骤3)的计算结果，利用Richardson-Lucy算法对三维成像声纳波束能量进行解卷积处理，获得信号能量分布函数；

步骤5)反复执行步骤2-步骤4)，完成距离向上所有方向的解卷积波束形成，生成三维声图像数据，然后经过常规的滤波、插值、平滑处理后形成可视化三维声图像数据。

作为上述方法的一种改进，所述步骤2)具体包括：

步骤2-1)选取一个扫描方向：方位角为α，俯仰角为β；

步骤2-2)计算该扫描方向的方位向波束形成导向矢量

其中第m个分量s_α,m为：

f为频率，c为声速；

步骤2-3)计算该扫描方向的俯仰向导向矢量为

其中第n个分量s_β,n为：

步骤2-4)计算该扫描方向的常规波束形成结果Y(sinα,sinβ)：

其中H表示共轭转置，*表示共轭。

作为上述方法的一种改进，所述步骤3)具体包括：

步骤3-1)令初始化的信号能量分布函数S⁽⁰⁾(u,v)为常规波束形成结果：

S⁽⁰⁾(u,v)＝Y(sinα,sinβ)

其中，u＝sinα,v＝sinβ；

步骤3-2)计算波束能量分布函数Bp(u-u_x,v-v_y)和波束能量b_s(u,v)；

波束能量分布函数Bp(u-u_x,v-v_y)为：

其中，u_x,v_y分别表示目标的方位角和俯仰角；λ表示信号波长，λ＝c/f；

波束能量b_s(u,v)：

步骤3-3)计算均匀布阵平面阵的点源扩散函数：

其中，sinc(x)＝sinx/x。

作为上述方法的一种改进，所述步骤4)具体包括：

步骤4-1)令迭代次数it＝0；

步骤4-2)将信号能量分布函数S^(it)(u,v)和点源扩散函数psf(u,v)经过FFT变换到波数域，获得

和PSF(k_u,k_v)；

步骤4-3)根据

和PSF(k_u,k_v)计算实际波束能量：

步骤4-4)计算波束能量与实际波束能量的比值，并变换到波数域，得到波束域的比值Q^(it)(k_u,k_v)：

步骤4-5)计算信号能量分布函数的更新率Δs^(it)(u,v)：

Δs^(it)(u,v)＝IFFT(Q^(it)(k_u,k_v)×PSF(k_u,k_v)) (23)

步骤4-6)计算更新后的信号能量分布函数：

S^(it+1)(u,v)＝S^(it)(u,v)×Δs^(it)(u,v) (24)

步骤4-7)判断S^(it+1)(u,v)是否收敛，如果收敛，停止迭代，进入步骤5)；否则，令it增加1，转入步骤4-2)。

本发明的优势在于：

1、本发明的方法可以获得与高分辨波束形成技术相当的成像分辨率和更低的旁瓣值，并保持了传统波束形成的稳定性；

2、针对水下三维成像声纳成像分辨率难于提高的问题，本发明的方法可以有效的提高三维成像声纳的成像分辨率，并降低三维成像声纳旁瓣能量，并能够有效地提升三维成像声纳的图像质量。

附图说明

图1为方位角与俯仰角定义示意图；

图2(a)为点目标在(0°，0°)处直接波束形成方位向-俯仰向成像结果；

图2(b)为点目标在(0°，0°)处直接波束形成俯仰向波束能量图俯仰向侧视图；

图2(c)为本发明的方法的方位向-俯仰向成像结果；

图2(d)为本发明的方法的俯仰向波束能量图俯仰向侧视图；

图3(a)为本发明的解卷积波束形成三维成像与直接波束形成方法的俯仰向波束形成结果对比图；

图3(b)为本发明的解卷积波束形成三维成像与直接波束形成方法的方位向波束形成结果对比图；

图4(a)为信噪比0dB下，点目标在(0°，0°)处直接波束形成方位向-俯仰向成像结果；

图4(b)为信噪比0dB下，点目标在(0°，0°)处直接波束形成俯仰向波束能量图俯仰向侧视图；

图4(c)为本发明的方法的方位向-俯仰向成像结果示意图；

图4(d)为本发明的方法的俯仰向波束能量图俯仰向侧视图；

图5(a)为信噪比5dB下本发明的方法的三维成像的俯仰向波束能量剖面结果；

图5(b)为信噪比0dB下本发明的方法的三维成像的俯仰向波束能量剖面结果；

图5(c)为信噪比-5dB下本发明的方法的三维成像的俯仰向波束能量剖面结果；

图5(d)为信噪比-10dB下本发明的方法的三维成像的俯仰向波束能量剖面结果。

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步的描述。

假设接收平面阵的阵元数为M×N，均匀布阵，布阵间隔为d。根据方位角与俯仰角的定义，如图1所示，第i(1≤i≤P)个目标(P为目标的个数)的方位角α_i为单位方向矢量

与其在yoz平面上的投影之间的夹角，俯仰角β_i为

与其在xoz平面上的投影之间的夹角。该方向角定义下的单位方向矢量

的表达式为：

在远场条件下，接收换能器接收到的信号可以假设为平面波，(α_i,β_i)方向的远场窄带信号可以表示为：

其中A_i表示信号幅度值；

表示噪声矩阵；

表示与目标方向相关的信号相位，具体表示为：

(1)传统波束形成三维成像方法

从远场条件下三维成像声纳信号模型中可以发现，在新的方位角、俯仰角的定义下，由目标方向引起的回波信号的相位可以分成平面阵俯仰向和方位向，两者相互独立。据此可以利用常规波束形成完成方位向和俯仰向成像处理，方位向波束形成导向矢量可以表示为

其中

同理，俯仰向导向矢量可以表示为

其中，α为需要扫描的方位角，β为需要扫描的俯仰角；因此，常规波束形成计算式为：

其中H表示共轭转置，*表示共轭，u_α,i和u_β,i分别表示为：

函数sinc(x)＝sinx/x。所以，波束能量函数可以表示为：

当sinα＝sinα_i并且sinβ＝sinβ_i时，波束能量输出最大，输出最大信号幅度为 |A_i|²。对于三维成像声纳系统而然，是对目标进行成像，针对的成像目标会产生无数散射点的回波，所以，对于多个回波方向不同的回波信号可以表示为

多目标波束形成结果可以表示为

对于公式(10)表述波束输出结果可以表示波束幅度与信号幅度的卷积形式

其中u＝sinα,v＝sinβ，u_x＝sinα_i,v_y＝sinβ_i，Yp(u-u_x,v-v_y)表示波束幅度分布函数：

A(u_x,v_y)表示信号幅度分布函数

同理，可以获得波束能量的卷积计算形式

Bp(u-u_x,v-v_y)表示波束能量分布函数

S(u_x,v_y)表示信号能量分布函数：

(2)解卷积波束形成三维成像方法

利用Richardson-Lucy算法进行三维成像声纳波束能量计算公式(14)进行解卷积处理，Richardson-Lucy算法是一类迭代算法，该算法应用在三维成像方法中，可以将波束能量分布函数Bp(u-u_x,v-v_y)定义为信道相应函数h(y|x)，在图像解卷积处理中称之为点源扩散函数(PSF，Point Scattering Function)。

根据Richardson-Lucy算法对公式(14)进行解卷积处理，获得精确的目标能量分布函数S(u_x,v_y)。

首先根据迭代算法计算如下公式

其中

(it)表示迭代次数，迭代收敛的判断表达式为

其中，

根据上述迭代算法完成解卷积波束形成三维成像处理，获得高分辨的俯仰向与方位向分辨率。

为了提高计算效率，本发明基于Richardson-Lucy的解卷积波束形成三维成像方法在频域实现，具体实现步骤如下：

步骤1)初始化参量，首先初始化信号能量分布函数S⁽⁰⁾(u,v)，根据公式(14) 进行波束能量计算b_s(u,v)，计算均匀布阵平面阵的点源扩散函数：

步骤2)将信号能量分布函数S^(it)(u,v)、波束能量函数b_s(u,v)和点源扩散函数psf(u,v)经过FFT变换到波数域，获得

B_s(k_u,k_v)和PSF(k_u,k_v)；根据初始化化的信号能量分布函数、点源扩散函数计算波束能量值表示为：

步骤3)计算估计的波束能量与实际波束能量的比值，并变换到波数域，可以表示为

步骤4)计算信号能量分布函数的更新率，可以表示为：

Δs^(it)(u,v)＝IFFT(Q^(it)(k_u,k_v)×PSF(k_u,k_v)) (23)

步骤5)获得一次更新后的信号能量分布函数：

S^(it+1)(u,v)＝S^(it)(u,v)×Δs^(it)(u,v) (24)

步骤6)根据公式(18)判断其是否收敛，如收敛，停止迭代，否则，从步骤2 )开始进行下一次迭代运算。

(3)仿真

为了验证本发明的方法的有效性，通过计算机仿真对本发明的解卷积波束形成三维成像方法的成像性能进行详细分析。具体仿真参数：均匀布阵，阵元数为为 48×48阵元均匀布阵，阵元间隔为4.5mm，信号为300KHz的单频CW信号，脉宽为 33μs，观测范围为50°×50°，信号采样率为2MHz。波束数为P×Q＝128×128。

按照上述仿真参数进行计算机仿真，得到直接波束形成三维成像结果和本发明的解卷积波束形成三维成像结果如图2所示。其中图2(a)、图2(b)是直接波束形成技术实现的点目标三维成像结果，图2(b)中可以看出波束能量的最高旁瓣为 -13.27dB；图2(c)、图2(d)是本发明的方法实现的点目标三维成像结果，迭代次数10次，与图2(a)、图2(b)相比，本发明的方法的成像分辨率得到了明显提升，并获得了更低的旁瓣值，可以获得更为清晰的三维成像结果。

图3(a)和图3(b)给出了本发明的方法与传统方法俯仰向和方位向波束能量的对比结果，可以看出本发明的方法的成像分辨率得到了明显提升，旁瓣也得到了明显的抑制。

在信噪比SNR＝0dB情况下，直接波束形成三维成像算法和本发明的方法的成像结果如图4(a)-(d)所示，迭代次数为10次。其中图4(a)、图4(b)是直接波束形成技术实现的点目标三维成像结果；图4(c)、图4(d)是本发明的方法实现的点目标三维成像结果，迭代次数10次，与图4(a)、图4(b)相比，本发明的方法在信噪比SNR＝0dB情况下的成像分辨率也可以获得明显提升，同时旁瓣值也较低，对于目标成像仍可以获得较为清晰的成像结果。

为了进一步分析低信噪比情况下本发明的方法的有效性，图5(a)-(d)给出了信噪比为5dB、0dB、-5dB和-10dB情况下三维成像的俯仰向波束能量剖面结果，可以看出，本发明的方法在不同信噪比情况下均可以获得更优的成像效果。

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。

Claims (2)

1.一种解卷积波束形成三维声成像方法，所述方法包括：基于均匀布阵的二维阵列完成二维解卷积波束形成处理，获得可视化三维声成像；

所述方法具体包括：

步骤1)设接收平面阵为均匀布阵，阵元数为M×N，布阵间隔为d；接收平面阵采集的远场窄带信号表示为

步骤2)选取一个扫描方向，基于远场窄带信号

进行常规波束形成计算，得到常规波束形成结果；

步骤3)令初始化的信号能量分布函数为常规波束形成结果，计算波束能量和均匀布阵平面阵的点源扩散函数；

步骤4)基于步骤3)的计算结果，利用Richardson-Lucy算法对三维成像声纳波束能量进行解卷积处理，获得信号能量分布函数；

步骤5)反复执行步骤2-步骤4)，完成距离向上所有方向的解卷积波束形成，生成三维声图像数据，然后经过常规的滤波、插值、平滑处理后形成可视化三维声图像数据；

所述步骤2)具体包括：

步骤2-1)选取一个扫描方向：方位角为α，俯仰角为β；

步骤2-2)计算该扫描方向的方位向波束形成导向矢量

其中第m个分量s_α,m为：

f为频率，c为声速；

步骤2-3)计算该扫描方向的俯仰向导向矢量为

其中第n个分量s_β,n为：

步骤2-4)计算该扫描方向的常规波束形成结果Y(sinα,sinβ)：

其中H表示共轭转置，*表示共轭；

所述步骤3)具体包括：

步骤3-1)令初始化的信号能量分布函数S⁽⁰⁾(u,v)为常规波束形成结果：

S⁽⁰⁾(u,v)＝Y(sinα,sinβ)

其中，u＝sinα,v＝sinβ；

步骤3-2)计算波束能量分布函数Bp(u-u_x,v-v_y)和波束能量b_s(u,v)；

波束能量分布函数Bp(u-u_x,v-v_y)为：

其中，u_x,v_y分别表示目标的方位角和俯仰角；λ表示信号波长，λ＝c/f；

波束能量b_s(u,v)：

步骤3-3)计算均匀布阵平面阵的点源扩散函数：

其中，sinc(x)＝sinx/x。

2.根据权利要求1所述的解卷积波束形成三维声成像方法，其特征在于，所述步骤4)具体包括：

步骤4-1)令迭代次数it＝0；

步骤4-2)将信号能量分布函数S^(it)(u,v)和点源扩散函数psf(u,v)经过FFT变换到波数域，获得

和PSF(k_u,k_v)；

步骤4-3)根据

和PSF(k_u,k_v)计算实际波束能量：

步骤4-4)计算波束能量与实际波束能量的比值，并变换到波数域，得到波束域的比值Q^(it)(k_u,k_v)：

步骤4-5)计算信号能量分布函数的更新率Δs^(it)(u,v)：

Δs^(it)(u,v)＝IFFT(Q^(it)(k_u,k_v)×PSF(k_u,k_v)) (23)

步骤4-6)计算更新后的信号能量分布函数：

S^(it+1)(u,v)＝S^(it)(u,v)×Δs^(it)(u,v) (24)

步骤4-7)判断S^(it+1)(u,v)是否收敛，如果收敛，停止迭代，进入步骤5)；否则，令it增加1，转入步骤4-2)。

Images