CN110456362B - 一种基于脉冲对发射的目标声成像及测速方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于脉冲对发射的目标声成像及测速方法与系统，本方法包括：将信号发生器产生的脉冲对信号，经过功率放大器施加在发射换能器上，向媒质中辐射声波；通过接收换能器阵列所有阵元接收辐射声波在媒质中目标散射形成的回波信号，并将所有阵元接收通道的信号经多通道信号采集转换为数字信号；各接收通道数字信号经数字信号处理器进行延时叠加处理，完成对所有扫描波束的计算，得到波束形成；根据波束形成结果，得到目标所在体像素的径向速度估计，并提取波束的时域信号包络，完成对所有扫描波束的计算，得到扫描声图像。本发明可以在实现声成像的同时，对所有包含点状目标的像素进行速度估计，获得介质中所有目标的径向速度估计。

Description

一种基于脉冲对发射的目标声成像及测速方法与系统

技术领域

本发明属于信号处理方法技术领域，具体涉及到一种基于脉冲对发射的目标声成像及测速方法与系统。

背景技术

媒质空间场景中目标的图像与运动信息(速度或多普勒频移)是实现目标探测、定位、分类识别的重要特征参量，在声呐与雷达领域都有对目标成像与测速的现实需求。例如雷达对空中目标如飞机、导弹的探测与分类，声呐对于水下目标如潜艇、鱼类、生物的探测与分类，都需要尽可能地获取目标的高分辨率图像与速度信息。

现有成像与测速雷达或声呐通常是功能独立的，即测速雷达或声呐只能在一个或几个独立的波束上对有限个目标实现测速，不能对三维空间视场中的所有目标同时进行高分辨率的观察；而现有的成像雷达或声呐只能实现对静态目标的高分辨成像，无法同时完成对目标的测速。

目前，对特定媒质(如水、金属材料、生物组织)空间中目标的高分辨率观察可以通过声成像技术来实现，高分辨率声成像在医学、无损检测与水下声呐等领域都有广泛应用。

典型的声成像系统一般由信号发生器、功率放大器、发射换能器或换能器阵列、接收换能器阵列、多通道信号接收调理及数据采集、数据处理(波束形成)和成像结果显示等部分组成。

传统声成像的基本原理是：由信号发生器产生一个电脉冲信号，经功率放大器之后由发射换能器阵列或者单个发射换能器向介质(或媒质)中发射一个脉冲声波p(t)(简称声脉冲)，照射介质中被成像区域，该电脉冲信号可以是时域上的窄脉冲，也可以是时域编码脉冲或线性调频脉冲信号；接收换能器阵列部分或全体阵元接收介质中粒子的散射回波声信号(简称回波)，并经由多通道数据采集转化为数字信号，利用专用数字信号处理器(或计算机、或硬件如ASIC、FPGA)进行数字波束形成或者数字聚焦，重构声图像。所述的发射换能器可以是单个换能器，也可以是换能器阵列；而接收换能器则采用换能器阵列。上述的发射与接收换能器阵列一般共用同一阵列；既可以是一维(1-D)线阵，通过在一维方向上扫描实现二维(2-D)成像，也可以是二维(2-D)面阵，通过在二维方向上扫描实现三维(3-D)成像。由于传统的声成像采用发射单个声脉冲的技术方案，因此也可称为脉冲回波成像方法。

但传统的声成像技术只能对静态场景进行扫描，形成静态的声图像，无法获得空间中运动目标的速度，即无法反映目标的动态信息，从而限制了其应用范围。

发明内容

针对传统的声成像技术只能获得场景中目标静态的声图像，无法获得运动目标的速度信息的不足，本发明提出一种基于脉冲对发射的目标声成像及测速方法与系统，可以在完成声成像的同时，获得声图像中目标的径向速度估计。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于脉冲对发射的目标声成像及测速方法，包括：

1)将信号发生器产生的脉冲对信号，经过功率放大器施加在发射换能器上，向媒质中辐射声波；

2)通过接收换能器阵列所有阵元接收辐射声波在媒质中目标散射形成的回波信号，并将所有阵元接收通道的信号经多通道信号采集转换为数字信号；

3)各接收通道数字信号经数字信号处理器进行延时叠加处理，完成对所有扫描波束的计算，得到波束形成；

4)根据波束形成结果，获得目标所在体像素的径向速度估计以及扫描声图像。

进一步地，所述的脉冲对信号由两个相同且且时间间隔为T的单脉冲信号组成；所述单脉冲信号为时域的窄脉冲信号，或经过脉冲压缩实现时域窄脉冲的时域编码信号；所述发射换能器包括单个换能器、发射换能器阵。

进一步地，所述接收换能器阵列所有阵元接收通道接收到的同一点状目标的散射幅度相同。

进一步地，所述的波束是在二维方向上扫描的。

进一步地，所述声图像通过以下步骤获得：

1)提取波束的时域信号包络，完成对所有扫描波束的计算，得到脉冲对扫描声图像；

2)对所述的脉冲对扫描声图像的图像失真进行校正，并显示校正后声图像。

进一步地，采用解卷积方法，通过过门限判决，获得目标所在的像素集合，实现所述校正；所述的门限是通过计算本底图像灰度均值获得。

进一步地，所述目标所在体像素的径向速度估计通过以下步骤获得，包括：

1)将所述的波束形成的时域实信号进行正交解调，并进行低通滤波，解调后的正交分量构成该波束的时域基带复信号；

2)用时间窗口[τ₀，τ₀+2(T+δ)]截取时域基带复信号片段，并求取该时域复信号片段的自相关函数；其中τ₀为第i个存在目标的像素单元对应回波的时域起始点，δ为最大多普勒频移引起的信号片段的时间长度变化；

3)在自相关函数时间间隔T处的相角得到第i个存在目标的像素单元的径向速度估计

其中，

为时域起始点为τ₀的像素单元的径向速度估计，c为介质中的声速，f₀为声载波频率，R_xx(·)为自相关函数，r₀为第i个存在目标的像素单元起始点沿波束方向距离阵列中心的距离，(θ_ap，θ_eq)为二维波束主轴方向，θ_ap为二维波束主轴在xz平面内投影与z轴的夹角，θ_eq为二维波束主轴在yz平面内投影与z轴的夹角；p、q为上述两个扫描角度序号，即-N_b/2≤p≤N_b/2-1，-M_b/2≤q≤M_b/2-1，N_b,M_b分别为在xz平行平面及yz平行平面内的扫描波束数；

4)改变存在目标的像素点位置，顺次重复步骤2)和步骤3)，得到场景中所有存在目标的像素单元的径向速度估计。

进一步地，所述所有存在目标的像素单元可以通过过门限判决来确定。

一种基于脉冲对发射的目标声成像及测速系统，包括信号发生器、功率放大器、发射换能器阵列、多通道信号采集器、数字信号处理器、波束形成模块、速度估计模块和图像显示模块，其中：信号发生器模块用以产生一组脉冲对信号；经功率放大器施加在发射换能器阵列上，以向媒质中辐射声波；接收换能器阵列接收辐射声波在媒质中目标散射形成的回波信号，并经多通道信号采集转换为数字信号；波束形成模块中的数字信号处理器处理数字信号，完成波束形成；速度估计模块根据波束形成结果，得到目标所在体像素的径向速度；图像显示模块提取波束的时域信号包络，完成对所有扫描波束的计算，获得并显示扫描声图像。

进一步地，还包括图像校正模块，对所述声图像进行校正。

通过本发明所提出的脉冲对发射技术，可以在实现声成像的同时，对所有包含点状目标的像素进行速度估计，获得介质中所有目标的径向速度估计。

附图说明

附图1是本发明的系统流程图。

附图2(a)是3-D声成像阵列及波束角定义的示意图；(b)是3-D声成像像素的定义的示意图。

附图3是本发明的实施例中的2-D Fermat spiral(费马螺旋)阵列图。

附图4是本发明实施例中所用阵列示意图及3-D声成像场景图。

附图5是本发明实施例中的两个三角形目标的3-D图像解卷积前后，在三个坐标平面上的投影图。(a)是两个三角形在x-y平行平面上的投影图；(b)是两个三角形在y-z平行平面上的投影图；(c)是两个三角形在x-z平行平面上的投影图；(d)是附图5(b)对应的解卷积后恢复的正确图像的示意图；(e)是附图5(c)对应的解卷积后恢复的正确图像的示意图。

附图6(a)是距离50m处的球型目标的3-D图像在x-y平行平面上的投影图；(b)是解卷积前该目标在x-z平行平面上的投影图；(c)是解卷积后该目标在x-z平行平面上的投影图。

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晰，下面对本发明进行进一步详细阐述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下以单个发射换能器(但不限于单个换能器，也可以是发射换能器阵)发射声波，由具有M₀个接收换能器阵元(简称阵元)的2-D接收换能器阵列接收目标回波，进行远场波束形成，实现3-D声成像的场景为例，并结合所附图作详细说明。

如附图2(a)所示，发射换能器为位于坐标原点(0,0)的单个无指向性换能器(也称均匀指向性换能器)或由多个发收共用的换能器阵元组成无指向性虚拟球源发射器，其等效球心位于坐标原点；接收阵为2-D面阵，位于x-y平面，阵列中心位于坐标原点；接收阵元m(1≤m≤M₀)的坐标为(x_m,y_m,0)，z轴为介质纵深方向；

为扫描波束主轴的单位方向矢量，其在xz，yz平面内投影与z轴的夹角分别用(θ_a,θ_e)表示，分别称为水平扫描角及竖直扫描角。在该方向角定义下，单位方向矢量的表达式为：

设定一幅3-D声图像共需扫描N_b*M_b个波束来完成，分别以p、q标记上述两个扫描角度序号，即(θ_ap,θ_eq)，其中-N_b/2≤p≤N_b/2-1，-M_b/2≤q≤M_b/2-1。为了保证p、q为整数，上述扫描波束数N_b及M_b均取2的整数倍。

3-D声成像场景一般可以看作由大量细微的弱散射粒子和有限个大尺寸强散射目标构成。大量弱散射粒子形成了声成像结果中的背景或本底图像，强散射目标形成了声成像结果中的目标声图像。强散射目标即本发明所述的目标。3-D声成像场景中的沿波束方向、距离阵列中心r₀和时域距离τ₀的体像素定义如附图2(b)所示，时域纵向分辨率用τ_r表示，角度分辨率用θ_L表示。由于成像分辨率限制，当3-D场景中的目标尺寸小于像素尺寸时，只能当成一个点目标；而当目标尺寸较大时，可以看作是分布于多个像素中的多个点目标的集合。假设3-D成像场景内的目标覆盖有若干个像素单元(如I个)，则可以看作I个点目标，即像素单元与点目标个数是一致的。假设每个点目标用序号i(i≤I)表示，则第m个阵元接收的回波信号表示为：

其中，s(t)是空间刚性点目标对于发射信号的散射声信号波形，在刚性点目标及介质均匀无损耗假设情况下，与发射声脉冲信号波形p(t)具有相同的形式，即：s(t)＝p(t)；A_im与τ_im分别是由发射换能器发射和第i个目标散射后，由第m个阵元接收时的幅度及时间延迟。

设定发射声脉冲为：

其中a(t)为基带信号波形，f₀为声载波频率。

所述声成像技术中所发射的声脉冲信号p(t)，可以是时域的窄脉冲信号，也可以是时域编码调制的脉冲信号(如伪随机码调制信号或者时域的调频信号)，通过脉冲压缩技术获得时域的窄脉冲。

设定第i个目标位于焦点为r₀的像素单元内，并设2-D阵所有阵元具有均匀指向性，则2-D阵关于波束指向角为(θ_ap,θ_eq)，距离为r₀的焦点处的波束形成结果为：

其中w_m是第m个接收阵元的权值，τ(m,r₀,θ_ap,θ_eq)是第m个阵元接收的焦点为r₀处目标散射信号相对于阵元中心的时间延迟(简称时延)。

远场时(r₀>D²/2λ，其中D为阵列最大孔径的尺寸，λ为波长)，上述时延可近似表示为：

对于近场菲涅耳区(0.96D<r₀≤D²/2λ)，上述时延可采用菲涅耳近似，表示为：

对于r₀<0.96D的情况，由于过于靠近换能器阵列，接近成像盲区，本发明不予以考虑。

现有技术中，3-D声成像通过发射一个式(3)的具有波形p(t)的单个声脉冲，由M₀个阵元的2-D接收换能器阵列接收目标回波，依据式(4)-式(6)，提取每个扫描角度(θ_ap,θ_eq)方向的波束形成的时域信号包络，完成对所有扫描波束的计算，即可获得一幅3-D扫描声图像。

应用上述现有技术，结合以下实施例，详细说明本发明的技术方案，如附图1所示。

在本方法中，如附图2所示的声成像场景中，信号发生器产生的发射信号波形，如式(3)，不再是一个单脉冲，而是包含两个相距一个固定时间间隔T的脉冲，称为脉冲对，即：

则2-D阵关于波束指向角为(θ_ap,θ_eq)，距离为r₀的焦点处的波束形成结果为：

本方法的3-D声成像过程为：信号发生器产生式(7)的发射波形p(t)，由功率放大器放大并由发射换能器或换能器阵列发射声波至介质中；M₀个阵元的2-D接收换能器阵列接收目标回波，经过多通道数据采集5将回波信号转化为数字信号；数字信号处理器依据式(8)及式(5)-式(6)的时延，通过延时叠加，完成扫描角度(θ_ap,θ_eq)方向的波束计算，实现该方向的波束形成，并通过匹配滤波提取波束的时域信号包络；完成对所有扫描波束的计算，获得一幅3-D脉冲对扫描声图像；通过速度估计模块完成目标所在像素的径向速度估计；经过图像校正模块对因脉冲对发射引起的图像失真进行校正，并由显示模块进行校正后声图像显示。

由于采用了脉冲对发射进行3-D声成像的方法，本方法利用脉冲相干法对3-D声成像场景中的所有含有点目标的体像素进行径向(沿波束方向)速度估计，进而获得目标的径向速度，具体方案如下：

设定3-D声成像场景中有I个点状目标位于不同的体像素内，各目标均具有一定的运动速度。所述含有点目标的体像素可以通过过门限判决来确定。设定第i个点目标的径向速度为v_i，由此产生的多普勒频移为f_di，采用本方法所提出的脉冲对发射时，脉冲对时间间隔T发生相应的伸缩变化，变为T_di，则有：

其中，c为介质中的声速。

根据式(8)的单脉冲波束形成结果，则本方法的脉冲对波束形成结果为：

设定接收换能器阵列中所有阵元接收到的同一点状目标的散射幅度均相同，即：A_i≈A_im。则位于方向为(θ_ap,θ_eq)的波束中，且在距离为r₀处体像素内的第i个点目标，其时间延迟存在近似关系：

τ_im≈τ_i-τ(m,r₀,θ_ap,θ_eq) (12)

其中τ_i＝2r_i/c，即τ_i为第i个点目标至阵列中心的2倍时域距离。

对式(11)的(θ_ap,θ_eq)方向波束的实信号进行正交解调，即分别乘以cos(2πf₀t)及sin(2πf₀t)并进行低通滤波，获得基带复信号：

用时间窗口[τ₀,τ₀+2(T+δ)]截取包含第i个目标所在区间回波的时域复信号片段x(t,r₀,θ_ap,θ_ep)，其中τ₀为包含第i个目标的体像素回波的时域起始点，τ₀＝2r₀/c，δ为最大多普勒频移引起的信号片段的时间长度变化，即

其中rect()为矩形窗函数。

对截取的复信号片段代入式(12)的关系，并求取自相关函数，即

其中，‘x*’表示x的共轭。

由于自相关函数在时间间隔T处的相角与该点处像素单元速度具有正比关系，故包含第i个点目标的体像素的径向速度估计可由自相关函数在时间间隔T处的相角得到，为：

该速度同时也是第i个点目标的径向速度估计值。

重复利用式(11)-式(16)可以对3-D声图像中所有含点状目标的体像素进行速度估计，所有含点状目标的集合即为场景中的实际目标图像，因而所有的含点状目标像素的速度估计结果反映了介质中所有目标的径向速度。

另外，由于采用脉冲对发射，会产生图像的失真的不利影响。采用脉冲对发射时，由式(8)得到，2-D阵关于波束指向角为(θ_ap,θ_eq)，距离为r₀的焦点处目标的波束形成结果(11)可以进一步写作如下形式：

相当于现有技术中单脉冲发射波束形成结果与一个延迟时间T并有相位因子

的波束形成结果的叠加，其结果是一个单点目标产生了两个图像，一个原始图像及一个伪像。最终使得整个3-D声图像由大量目标的原始声图像与伪像叠加而成，产生图像失真。对于本方法所产生的伪像，可通过图像校正模块，采用解卷积方法(M.Bertero andP.Boccacci,“A simple method for the reduction of boundary effects in theRichardson-Lucy approach to image deconvolution,”Astronomy&Astrophysics,vol.437,no.1,pp.369-374,Jan.2005.)，通过过门限判决，获得目标所在的像素集合，实现声图像的校正，对目标声图像进行显示。所述的门限是通过计算本底图像灰度均值获得的，是本底灰度均值的若干倍(一般为5倍或以上)，所述的本底图像是指无目标处的图像。

下面为一具体声成像及目标测速实例来解释说明本发明方法：

设定采用位于2-D阵列中心的一个发射换能器进行发射，发射波形为由间隔T＝1ms的2个上述LFM单脉冲构成的脉冲对，利用附图3的2-D费马螺旋阵接收目标回波信号，实现3-D扫描成像，在目标存在的单元内进行测速，并利用解卷积方法回复正确图像。

如附图3所示，2-D接收阵采用256阵元的具有黄金角度的Fermat spiral(费马螺旋)阵，孔径1.2m.。单脉冲发射波形为中心频率为300kHz，带宽200kHz，持续时间1ms的契比雪夫(Chebyshev)包络的线性调频(LFM)信号。计算得到LFM信号横向与竖向角度分辨率为0.25°。

附图4显示的是一个水下3-D声成像场景，上述2-D费马螺旋阵位于x-y平面上，典型目标为z轴上距离阵列中心20m的两个直角三角形框架，边长为1m，角距离0.5°；两个球型目标，距离阵列中心分别为50m及200m，半径均为2m。设定两个三角形的径向速度分别为0.2m/s和0.4m/s，距离50m及200m的两个球型目标的速度均为0.2m/s.。

利用均匀随机函数设定目标散射粒子分布及散射幅度，利用式(11)-(15)对四个目标所在全部像素进行速度估计，求速度估计的均值及均方根误差。对于两个三角形测速的结果是：均值分别为0.213m/s及0.420m/s，均方根误差分别为0.0024m/s and 0.0063m/s.对于距离50m及200m的两个球型散射目标的测速结果为：均值分别为0.188m/s及0.187m/s，均方根误差分别为0.0341m/s及0.0402m/s。

附图5显示了在脉冲对发射时，两个三角形目标的3-D图像解卷积前后，在三个坐标平面上的投影；其中附图5(a)显示了两个三角形在x-y平行平面上的投影，显示3-D成像算法可以分辨横向0.5°的角距离；附图5(b)和(c)分别显示了两个三角形在y-z及x-z平行平面上的投影，反映了因脉冲对发射导致的三角形在z方向上的图像及其伪像；附图5(d)和(e)分别显示了附图5(b)和(c)对应的解卷积后恢复的正确图像。

附图6(a)显示了在脉冲对发射时，距离50m处的球型目标的3-D图像，在x-y平行平面上的投影；附图6(b)显示了解卷积前后，该目标在x-z平行平面上的投影，解卷积前，球型目标在z方向上存在伪像，解卷积后，消除了伪像，恢复了正确图像。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims (8)

1.一种基于脉冲对发射的目标声成像及测速方法，包括：

1)将信号发生器产生的脉冲对信号，经过功率放大器施加在发射换能器上，向媒质中辐射声波；

2)通过接收换能器阵列所有阵元接收辐射声波在媒质中目标散射形成的回波信号，并将所有阵元接收通道的信号经多通道信号采集转换为数字信号；

3)各接收通道数字信号经数字信号处理器进行延时叠加处理，完成对所有扫描波束的计算，得到波束形成；

4)根据波束形成结果，获得目标所在体像素的径向速度估计以及扫描声图像，其中通过以下步骤获得目标所在体像素的径向速度估计：

4.1)对波束形成结果中波束指向角(θ_ap,θ_eq)方向波束的实信号进行正交解调，获得基带复信号；

4.2)根据基带复信号，用时间窗口截取包含第i个目标所在区间回波的时域复信号片段；

4.3)计算接收换能器阵列中阵元与位于(θ_ap,θ_eq)方向波束中，且在距离为r₀处体像素内的第i个点目标之间的时间延迟关系；

4.4)将时域复信号片段代入时间延迟关系，并求取自相关函数；

4.5)依据自相关函数在时间间隔T处的相角，得到第i个点目标的体像素的径向速度估计；

4.6)重复步骤4.1)-4.5)，获得目标所在体像素的径向速度估计。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的脉冲对信号由两个相同且且时间间隔为T的单脉冲信号组成；所述单脉冲信号为时域的窄脉冲信号，或经过脉冲压缩实现时域窄脉冲的时域编码信号；所述发射换能器包括单个换能器、发射换能器阵。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述接收换能器阵列所有阵元接收通道接收到的同一点状目标的散射幅度相同。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的波束是在二维方向上扫描的。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述声图像通过以下步骤获得：

1)提取波束的时域信号包络，完成对所有扫描波束的计算，得到脉冲对扫描声图像；

2)对所述的脉冲对扫描声图像的图像失真进行校正，并显示校正后声图像。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，采用解卷积方法，通过过门限判决，获得目标所在的像素集合，实现所述校正；所述的门限是通过计算本底图像灰度均值获得。

7.一种基于脉冲对发射的目标声成像及测速系统，包括信号发生器、功率放大器、发射换能器阵列、多通道信号采集器、数字信号处理器、波束形成模块、速度估计模块和图像显示模块，其中：信号发生器模块用以产生一组脉冲对信号；经功率放大器施加在发射换能器阵列上，以向媒质中辐射声波；接收换能器阵列接收辐射声波在媒质中目标散射形成的回波信号，并经多通道信号采集转换为数字信号；波束形成模块中的数字信号处理器处理数字信号，完成波束形成；速度估计模块根据波束形成结果，得到目标所在体像素的径向速度；图像显示模块提取波束的时域信号包络，完成对所有扫描波束的计算，获得并显示扫描声图像；通过以下步骤获得目标所在体像素的径向速度：

1)对波束形成结果中波束指向角(θ_ap,θ_eq)方向波束的实信号进行正交解调，获得基带复信号；

2)根据基带复信号，用时间窗口截取包含第i个目标所在区间回波的时域复信号片段；

3)计算接收换能器阵列中阵元与位于(θ_ap,θ_eq)方向波束中，且在距离为r₀处体像素内的第i个点目标之间的时间延迟关系；

4)将时域复信号片段代入时间延迟关系，并求取自相关函数；

5)依据自相关函数在时间间隔T处的相角，得到第i个点目标的体像素的径向速度估计；

6)重复步骤1)-5)，获得目标所在体像素的径向速度估计。

8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，还包括图像校正模块，对所述声图像进行校正。

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