CN109581388A - 一种实时三维成像声纳的近场宽视角波束形成方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于三维声纳技术领域，并公开了一种实时三维成像声纳的近场宽视角波束形成方法，该方法包括如下步骤：获取声纳系统的回波采样数据矩阵S；计算聚焦目标点位于菲涅尔时延区域以内和以外的时延加权系数k₁、k₂；对回波采样数据进行L点离散傅里叶变换，获得回波信号S(l)；对回波信号S(l)进行幅值加权和相位补偿，获得补偿后的回波信号对该信号进行快速傅里叶变换，获得空间波束强度的表达式，并计算空间波束强度。本发明对聚焦目标点位于菲涅尔时延区域以外并位于拟定成像视角范围以内的情况，采用最小二乘法对时延加权系数进行优化，在保证近场波束形成计算效率的前提下，可有效提升近场聚焦精度，扩展近场成像的视角。

Description

一种实时三维成像声纳的近场宽视角波束形成方法

技术领域

本发明属于三维声纳技术领域，更具体地，涉及一种实时三维成像声纳的近场宽视角波束形成方法。

背景技术

实时三维成像声纳是近年来为满足日益增长的水下目标三维探测需求而发展起来的三维声学成像设备，此类三维声纳具有良好的成像分辨率和实时成像性能，在港口安全防御、水下工程作业、海洋科学研究以及国防军事等领域都有十分广泛的应用需求。其基本成像原理为：系统采用一个窄带声脉冲透射整个观察场景，运用相控阵技术同时产生上万个实时波束强度信号，经过实时信号处理得到一幅三维场景的图像。而该系统成像的核心技术在于波束形成算法，算法性能决定了三维声纳在整个探测空间内的聚焦和扫描效率，直接影响成像精度和成像速度。

实时三维成像声纳系统对位于近场区域内的目标体进行成像时，由于此区域的回波传递不再满足平面波假说，因而需要对近场探测目标进行时延聚焦。传统的直接波束形成算法虽然能获得准确的时延聚焦效果，但由于其时延参数存储量和波束形成计算量较高，因而难以适用于高实时成像性能要求的三维成像声纳系统。

目前实时三维成像声纳的近场成像普遍采用的是基于菲涅尔近似的快速波束形成算法。基于菲涅尔近似的快速波束形成算法可以有效减少参数存储量和计算量，因而被广泛应用于实时三维成像声纳系统中。然而，该波束形成算法受限于菲涅尔时延的精度，仅适用于视角较窄的探测区域，对实时三维成像声纳的近场成像形成了较为严格的视角限制。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种实时三维成像声纳的近场宽视角波束形成方法，其中基于菲涅尔近似时延，采用最小二乘法对菲涅尔近似时延理论适用范围以外的近场成像区域进行参数优化，相应的可有效解决探测区域较窄和近场聚焦精度低的问题，因而尤其适用于近场区域目标成像的应用场合。

为实现上述目的，本发明提出了一种实时三维成像声纳的近场宽视角波束形成方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

S1获取声纳系统的回波采样数据矩阵S，该声纳系统是由I个换能器阵元组成的换能器阵列，所述回波采样数据矩阵S的维数为K×I，其中K表示时域上的采样点数；

S2当聚焦目标点位于菲涅尔时延区域以内时，依据菲涅尔时延表达式获得时延加权系数k₁、k₂的取值，当聚焦目标点位于菲涅尔时延区域以外并位于拟定成像视角范围以内时，利用最小二乘法获得该情况下时延加权系数k₁、k₂的取值；

S3采用频域波束形成算法，对步骤S1获得的回波采样数据进行L点离散傅里叶变换，获得对应频率索引号l的回波信号S(l)；

S4根据设定的所述换能器阵列的激励权值w对步骤S3获得的回波信号S(l)进行幅值加权，同时根据步骤S2获得的时延加权系数k₂对其进行相位补偿，获得补偿后的回波信号

S5对步骤S4获得的补偿后的回波信号进行快速傅里叶变换，获得空间波束强度的表达式，并根据步骤S2获得的时延加权系数k₁计算空间波束强度。

作为进一步优选地，所述步骤S2包括如下子步骤：

S21根据菲涅尔时延理论，近场聚焦的近似时延为：

式中，k₁、k₂为时延加权系数，r为聚焦目标点与换能器阵列中心的距离，p_i为第i号换能器阵元的位置向量，为聚焦方向的单位向量，c为声速，为p_i的转置，||p_i||为p_i的欧几里得范数；

S22当聚焦目标点位于菲涅尔时延区域时，依据菲涅尔时延表达式可知k₁＝1、k₂＝-0.5；

S23当聚焦目标点位于菲涅尔时延区域以外，并位于拟定成像视角范围以内时，k₁和k₂的表达式为：

式中，p为换能器阵列的位置向量矩阵，c为声速，p^T为p的转置矩阵，||p||为p的欧几里得范数，A+为A的广义逆矩阵；

通过式(2)～(3)获得聚焦目标点位于菲涅尔时延区域以外并位于拟定成像视角范围以内时，时延加权系数k₁和k₂的取值。

作为进一步优选地，所述步骤S3中频率索引号其中f₀为声纳系统工作频率，f_s为系统回波采样频率，L为参与离散傅里叶变换的数据长度。

作为进一步优选地，所述步骤S4中补偿后的回波信号为：

式中，w为换能器阵列的激励权值，j为虚数单位，ω为系统工作频率对应的角频率。

作为进一步优选地，所述步骤S5中获得空间波束强度的表达为：

式中，B(r,α,β)为空间波束强度，α为三维声纳的水平角，β为三维声纳的垂直角，λ为三维声纳系统工作频率对应的波长，聚焦方向的单位向量

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明对聚焦目标点位于菲涅尔时延区域以内，和聚焦点位于菲涅尔时延区域以外并位于拟定成像视角范围以内的情况进行区分，不仅可以扩展近场成像的视角，而且可以保证较高的近场聚焦精度；

2.尤其是，当聚焦点位于菲涅尔时延区域以外并位于拟定成像视角范围以内时，本发明基于经典的近场聚焦菲涅尔近似时延理论，采用最小二乘法对该情况下的时延加权系数进行优化，在保证近场波束形成计算效率的前提下，可有效提升近场聚焦精度。

附图说明

图1是本发明提供的实时三维成像声纳的近场宽视角波束形成方法流程图；

图2是本发明中的实时三维成像声纳近场聚焦的模型；

图3是采用本发明提出的方法优化后的时延均方误差与菲涅尔时延的时延均方误差的比较结果图；

图4是基于菲涅尔时延理论获得的波束形成结果；

图5是利用本发明提供的方法获得的波束形成结果。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1、图2所示，本发明提出了一种实时三维成像声纳的近场宽视角波束形成方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

S1获取声纳系统的回波采样数据矩阵S，该声纳系统是由I个换能器阵元组成的换能器阵列，所述回波采样数据矩阵S的维数为K×I，其中K表示时域上的采样点数；

S2当聚焦目标点位于菲涅尔时延区域以内时，依据菲涅尔时延表达式获得时延加权系数k₁、k₂的取值，当聚焦目标点位于菲涅尔时延区域以外并位于拟定成像视角范围以内时，利用最小二乘法获得该情况下时延加权系数k₁、k₂的取值；

该步骤包括如下子步骤：

S21根据菲涅尔时延理论，以阵列中心为参考原点，聚焦目标点与第i号阵元之间的近似时延为：

式中，k₁、k₂为时延加权系数，r为聚焦目标点与换能器阵列中心的距离，pi为第i号换能器阵元的位置向量，为聚焦方向的单位向量，c为声速，为p_i的转置，||p_i||为p_i的欧几里得范数；

S22当聚焦目标点位于菲涅尔时延区域时，依据菲涅尔时延表达式

可知k₁＝1、k₂＝-0.5；

S23当聚焦目标点位于菲涅尔时延区域以外，并位于拟定成像视角范围以内时，聚焦目标点与第i号阵元之间的绝对时延为：

换能器阵列的绝对时延与近似时延之间的关系为：

式中，p为换能器阵列的位置向量矩阵，e为时延误差；

利用矩阵表达式将式(9)进一步简化为：

依据最小二乘法可得时延加权系数[k₁,k₂]^T为：

式中，A⁺为A的广义逆矩阵；

通过式(2)～(3)获得聚焦目标位于菲涅尔时延区域以外时，时延加权系数k₁和k₂的数值；

按照通用准则，利用时延均方误差对换能器阵列的聚焦时延进行判断，所述时延均方误差的表达式为

式中，θ为传统球坐标系中的俯仰角，为传统球坐标系中的方位角；

S3采用频域波束形成算法，对步骤S1获得的回波采样数据进行L点离散傅里叶变换，获得对应频率索引号l的回波信号S(l)，其中频率索引号其中f₀为声纳系统工作频率，f_s为系统回波采样频率，L为参与离散傅里叶变换的数据长度；

S4根据设定的换能器阵列的激励权值w对步骤S3获得的回波信号S(l)进行幅值加权，同时根据步骤S2获得的时延加权系数k₂对其进行相位补偿，获得补偿后的回波信号

式中，w为换能器阵列的激励权值，j为虚数单位，ω为系统工作频率对应的角频率；

S5对步骤S4获得的补偿后的回波信号进行快速傅里叶变换即FFT获得空间波束强度的表达式：

式中，B(r,α,β)为空间波束强度，α为三维声纳的水平角，β为三维声纳的垂直角，N₀为波束形成空域上的采样点数，由声纳的角度分辨率决定，λ为三维声纳系统工作频率对应的波长，聚焦方向的单位向量f₁，f₂为频点索引号，为频域波束强度，n为采样索引号，T_s为采样间隔；

根据式(8)并利用步骤S2获得的时延加权系数k₁计算获得空间波束强度。

三维声纳的角度与频点的对应关系如下：

通过式(12)～(13)可得到三维声纳的角度α和β，结合聚焦目标点与换能器阵列中心的距离r和波束强度B(r,α,β)即可得到三维声纳的图像信息。

下面根据优选实施例对本发明作进一步说明。

按照本发明的一个优选实施例，该系统的近场宽视角波束形成方法包括如下步骤：

S1在由I个换能器阵元组成的换能器阵列，以采样率f_s对声纳系统的回波数据进行采样，获取声纳系统的回波采样数据矩阵S，其维数K×I，其中K表示采样点数；在本优选实施例中，换能器阵列中换能器数目为48×48，阵元间距，阵元间距为d＝4mm，系统工作频率为f₀＝375kHz，采样率为f_s＝1.5MHz，距离分辨率为3cm，单个聚焦截面对应的采样点数为K＝60；

S2获得时延加权系数k₁、k₂的取值，其包括如下子步骤：

S21根据菲涅尔时延理论，以阵列中心为参考原点，聚焦目标点与第i号阵元之间的近似时延为：

其中，本优选实施例中聚焦目标点与换能器阵列中心的距离r＝1m，声速c＝1500m/s；

S22当聚焦目标点位于菲涅尔时延区域时，依据菲涅尔时延表达式

可知k₁＝1、k₂＝-0.5；

S24当聚焦目标点位于菲涅尔时延区域以外，并位于拟定成像视角范围以内的成像区域时，依据最小二乘法可得时延加权系数[k₁,k₂]^T为：

在本优选实施例中，菲涅尔时延区域的适用范围为俯仰角|θ|≤18°的区域，而近场聚焦成像的范围为俯仰角|θ|≤36°，对36°≥|θ|＞18°的范围进行时延优化，得到的时延加权系数为k₁＝0.9965，k₂＝-0.4466，此时，由本发明提出的方法优化后的时延均方误差与菲涅尔时延均方误差比较结果如图3所示；

S3采用频域波束形成算法，对步骤S1获得的回波采样数据进行L点离散傅里叶变换，获得对应频率索引号l的回波信号S(l)，本优选实施例中频率索引号l为15；

S4根据设定的换能器阵列的激励权值w对步骤S3获得的回波信号S(l)进行幅值加权，同时根据步骤S2获得的时延加权系数k₂对其进行相位补偿，获得补偿后的回波信号

本优选实施例中换能器阵列为均为激励，即换能器的激励权值均为1；

S5对步骤S4获得的补偿后的回波信号进行快速傅里叶变换即FFT获得空间波束强度的表达式：

本优选实施例中，对三维声纳的角度为(α,β)＝(20°,20°)，此时基于菲涅尔时延理论的波束形成结果如图4所示，采用本发明提供的方法的波束形成结果如图5所示，结果表明菲涅尔时延聚焦下的点目标分辨能力较差，主波束出现了较为轻微的展宽现象，而采用本发明提出的方法能够取得更好的聚焦效果。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种实时三维成像声纳的近场宽视角波束形成方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

S1获取声纳系统的回波采样数据矩阵S，该声纳系统是由I个换能器阵元组成的换能器阵列，所述回波采样数据矩阵S的维数为K×I，其中K表示时域上的采样点数；

S2当聚焦目标点位于菲涅尔时延区域以内时，依据菲涅尔时延表达式获得时延加权系数k₁、k₂的取值，当聚焦目标点位于菲涅尔时延区域以外并位于拟定成像视角范围以内时，利用最小二乘法获得该情况下时延加权系数k₁、k₂的取值；

S3采用频域波束形成算法，对步骤S1获得的回波采样数据进行L点离散傅里叶变换，获得对应频率索引号l的回波信号S(l)；

S4根据设定的换能器阵列的激励权值w对步骤S3获得的回波信号S(l)进行幅值加权，同时根据步骤S2获得的时延加权系数k₂对其进行相位补偿，获得补偿后的回波信号

S5对步骤S4获得的补偿后的回波信号进行快速傅里叶变换，获得空间波束强度的表达式，并根据步骤S2获得的时延加权系数k₁计算空间波束强度。

2.如权利要求1所述的实时三维成像声纳的近场宽视角波束形成方法，其特征在于，所述步骤S2包括如下子步骤：

S21根据菲涅尔时延理论，近场聚焦的近似时延为：

式中，k₁、k₂为时延加权系数，r为聚焦目标点与换能器阵列中心的距离，p_i为第i号换能器阵元的位置向量，为聚焦方向的单位向量，c为声速，为p_i的转置，||p_i||为p_i的欧几里得范数；

S22当聚焦目标点位于菲涅尔时延区域时，依据菲涅尔时延表达式可知k₁＝1、k₂＝-0.5；

S23当聚焦目标点位于菲涅尔时延区域以外，并位于拟定成像视角范围以内时，k₁和k₂的表达式为：

式中，p为换能器阵列的位置向量矩阵，c为声速，p^T为p的转置矩阵，||p||为p的欧几里得范数，A⁺为A的广义逆矩阵；

通过式(2)～(3)获得聚焦目标点位于菲涅尔时延区域以外并位于拟定成像视角范围以内时，时延加权系数k₁和k₂的取值。

3.如权利要求1或2所述的实时三维成像声纳的近场宽视角波束形成方法，其特征在于，所述步骤S3中频率索引号其中f₀为声纳系统工作频率，f_s为系统回波采样频率，L为参与离散傅里叶变换的数据长度。

4.如权利要求1～3任一项所述的实时三维成像声纳的近场宽视角波束形成方法，其特征在于，所述步骤S4中补偿后的回波信号为：

式中，w为换能器阵列的激励权值，j为虚数单位，ω为系统工作频率对应的角频率。

5.如权利要求1～4任一项所述的实时三维成像声纳的近场宽视角波束形成方法，其特征在于，所述步骤S5中获得空间波束强度的表达式为：

式中，B(r,α,β)为空间波束强度，α为三维声纳的水平角，β为三维声纳的垂直角，λ为三维声纳系统工作频率对应的波长，聚焦方向的单位向量