CN112083431B - 基于声学轨道角动量的低频远程三维成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于声学轨道角动量的低频远程三维成像方法，包括以下步骤：构建声学轨道角动量超分辨三维成像声呐；声学轨道角动量超分辨三维成像声呐发射圆周向非均匀分布涡旋声场，并接收远处目标反射回来的回波信号；分别对俯仰角和方位角进行一次波束形成，得到得到该区域一系列二维的声呐图像切片，在距离向合成这一系列切片得到三维声呐成像；分别对俯仰角和方位角进行二次波束形成，得到超分辨的三维图像。本发明能够用较低的探测声波频率产生较高的探测精度，同时还能够提升成像分辨力，克服了探测声波的频率越高、在水中衰减也越快导致的探测距离不远的困难。

Description

基于声学轨道角动量的低频远程三维成像方法

技术领域

本发明属海洋声学装备技术领域，涉及一种三维成像声呐技术,尤其是一种基于声学轨道角动量的低频远程三维成像方法。

背景技术

水下目标高精度三维探测技术在港航安全、水下工程、应急抢险及水下航行器对抗等国防军事领域有着十分紧迫的应用需求。然而由于电磁波在水体环境中严重的传播衰减，陆地和空中常见的光学和电磁探测技术在水下可用性很低。水下三维声呐成像技术是近几年涉海各行业应用最重要的革新之一，可以对水下动态或静态目标进行多视角、高分辨连续观测，是各国政府和研究机构密切关注的水下热点。

实现水下三维成像有两种技术方法：采用航行机动扫描方法的米尔斯交叉阵多波束测深仪和大规模平面相控阵的三维成像声呐。目前三维声呐成像的声学换能器阵发射大开角声脉冲信号照射整个水下探测场景，然后利用大型平面换能器阵列接收回波信号，再运用相控技术产生数以万计的波束强度信号，进而获得水下三维瞬态空间图像，因此可以实现对水下动态目标的跟踪成像。此类三维成像声呐已被美国、英国及挪威研制出，工作距离可覆盖百米，但研发门槛高，且面临一些瓶颈问题：(1)硬件系统极其复杂，需要数以千计具有严格一致性的换能器和信号处理电路，工艺上难以实现；(2)成像分辨率比光学成像分辨率低1～2个数量级，且受限于声呐载体孔径尺寸难以进一步提升；(3)成像视角受限于像算法限制，难以有效扩展。

轨道角动量是近年来新发现的重要但尚未充分利用的声学基础物理量。携带轨道角动量的声波称为涡旋声波，与平面波相比，涡旋声波的等相位面不再是平面，而是具有空间扭曲的螺旋结构。其独特的螺旋型波前分布展现出角度分集特性，理论上可以携带无数种不同的模态，这些模态相互正交并在希尔伯特空间独立传播，可为水下三维成像提供全新的思路。通过建立基于涡旋声场的成像理论，提供全新的水下探测机理，能够突破现有三维成像声呐在硬件、成像分辨率和视角上的限制，会对水下三维成像方式和性能带来崭新变化。

基于声学轨道角动量的超精细三维成像声呐，利用携带声学轨道角动量的涡旋声场进行探测，可以比平面波或球面波探测提供更丰富的回波信息。通过不同阶数的涡旋声场对物理空间进行精细切割构造出高维数学空间，从高维空间观测目标点，得到其坐标信息，可以在大幅减少阵元数量的同时显著提升成像分辨力。然而，由于涡旋声场的声压为中心对称分布(如图4所示)，对于某特定俯仰角而言，沿着圆弧方向的声压值为定值，因此采用轨道角动量成像在圆周方位角方向的精度远小于俯仰角的精度(如图5所示)，导致成像点并非圆点状主瓣，而是长弧形主瓣，给成像带来了不必要的麻烦。此外，由于成像分辨力与探测声波的频率正相关，即频率越高，成像分辨力越好。但是，探测声波的频率越高，在水中衰减也越快，传播距离也越近，因此为保证探测精度，无法探测较远的距离。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种探测距离远、探测精准且成像分辨力高的基于声学轨道角动量的低频远程三维成像方法。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种基于声学轨道角动量的低频远程三维成像方法，包括以下步骤：

步骤1、构建声学轨道角动量超分辨三维成像声呐；

步骤2、声学轨道角动量超分辨三维成像声呐发射圆周向非均匀分布涡旋声场，并接收远处目标反射回来的回波信号；

步骤3、分别对俯仰角和方位角进行一次波束形成，得到得到该区域一系列二维的声呐图像切片，在距离向合成这一系列切片得到三维声呐成像；

步骤4、分别对俯仰角和方位角进行二次波束形成，得到超分辨的三维图像。

而且，所述步骤1的具体实现方法为：

所述声学轨道角动量超分辨三维成像声呐由换能器阵列和和信号处理电路板组成，所述换能器阵列包括一个圆环阵和一个螺旋阵，所述圆环阵为在一个半径为a的圆周上等间距的排布N个独立的收发合置换能器；所述螺旋阵设于圆环阵内，螺旋阵为在半径为a的园内螺旋排布M个接收换能器；以圆心为坐标原点，所有的阵列位于同一平面；所述信号处理电路版用于处理接收到的回波信号。

而且，所述步骤2的具体实现方法为：

所述圆周向非均匀分布涡旋声场由换能器阵列的圆环阵发射，N个收发合置换能器同时独立地发射相同频率、但幅值和初始相位不同的信号，第n个换能器的方位角为φ_n＝2πn/N，发射的信号为其中f为信号载频,/>为第n个阵元信号的初始相位，/>为第n个阵元信号的幅值；

远处目标反射回来的回波信号通过换能器阵列的圆环阵和螺旋阵实现。

而且，所述步骤2接收的回波信号为换能器阵列接收的如下信号：

式中，A和φ_e分别为幅值和相位分布：

而且，所述步骤4的具体实现方法为：

对任意一个方位，将得到的不同阶数轨道角动量一次波束形成的幅值向量与复合贝塞尔理论值A比对求相关系数，然后将一次波束形成信号除以相关系数予以放大，得到超分辨的三维图像。。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明通过控制不同发射换能器阵元的幅值遵循正弦关系，可以构造出圆周向非均匀分布的涡旋声场，提高圆周角方向的分辨力，从而将长弧形主瓣转回点状主瓣，能够最大限度地提升成像分辨力。

2、本发明通过控制发射换能器阵元的正弦幅值产生圆周向非均匀分布涡旋声场，能够用较低的探测声波频率产生较高的探测精度，因此可以克服探测声波的频率越高，在水中衰减也越快导致的探测距离不远的困难。

附图说明

图1为本发明提供的换能器阵列结构示意图。

图2为普通涡旋声场和圆周向非均匀分布涡旋声场的幅值和相位的分布对比图。

图3为某目标在平面波、普通涡旋声场和圆周向非均匀分布涡旋声场测得的波束图对比图。

图4为涡旋声场的声压分布图。

图5为普通涡旋声场的波束图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例做进一步详述：

一种基于声学轨道角动量的低频远程三维成像方法，包括以下步骤：

步骤1、构建声学轨道角动量超分辨三维成像声呐。

所述声学轨道角动量超分辨三维成像声呐由换能器阵列和和信号处理电路板组成。如图1所示，所述换能器阵列包括一个圆环阵和一个螺旋阵，所述圆环阵为在一个半径为a的圆周上等间距的排布N个独立的收发合置换能器；所述螺旋阵设于圆环阵内，螺旋阵为在半径为a的园内螺旋排布M个接收换能器；以圆心为坐标原点，所有的阵列位于同一平面；所述信号处理电路版用于处理接收到的回波信号。

上述圆环阵和螺旋阵均用于接收回波信号。

步骤2、声学轨道角动量超分辨三维成像声呐发射圆周向非均匀分布涡旋声场，并接收远处目标反射回来的回波信号。

在本步骤中，所述圆周向非均匀分布涡旋声场由圆环阵发射，所有N个收发合置换能器同时独立地发射相同频率、但幅值和初始相位不同的信号，第n个换能器的方位角为φ_n＝2πn/N，发射的信号为其中i为虚数单位，f为信号载频,π为圆周率,t为时间,/>为第n个阵元信号的初始相位，/>为第n个阵元信号的幅值，α为轨道角动量的拓扑荷数，n为换能器的序号，N为换能器的总数量。

如图2所示为普通涡旋声场和圆周向非均匀分布涡旋声场的幅值和相位的分布对比图，图中左侧为普通涡旋声场的幅值和相位分布图，右侧为圆周向非均匀分布涡旋声场的幅值和相位的分布对比图。由图可知，通过改变发射换能器阵元的统一幅值为正弦分布的幅值，可以构造圆周向非均匀分布涡旋声场，但相位仍为螺旋状分布，满足轨道角动量的性能。圆周向非均匀分布的涡旋声场，可以提高圆周角方向的分辨力，从而将长弧形主瓣转回点状主瓣，能够对超精细三维成像声呐的分辨力再次提升，因此对于低频的远距离探测有较好的分辨力。

步骤3、对接收的回波信号进行处理：分别对俯仰角和方位角进行一次波束形成，得到得到该区域一系列二维的声呐图像切片，在距离向合成这一系列切片得到三维声呐成像。

通过公式推导可知，某换能器阵元n接收到的信号为：

式中，为目标的反射系数，N为换能器个数，i为虚数单位，α为轨道角动量的拓扑荷数，r为目标距离相控阵中心的距离，ω为信号圆频率，t为时间，k为波数，x_n和y_n分别为第n个换能器在x轴和y轴的坐标，A和φ_e分别为幅值和相位分布：

式中，J_α-1和J_α+1分别为第α-1阶和第α+1阶贝塞尔函数，φ为目标的圆周角。

步骤4、在步骤3的基础上，分别对俯仰角和方位角进行二次波束形成，得到超分辨的三维图像。

所述步骤4的具体实现方法为：

对任意一个方位，将得到的不同阶数轨道角动量一次波束形成的幅值向量与复合贝塞尔理论值A比对求相关系数，然后将一次波束形成信号除以相关系数予以放大，得到超分辨的三维图像。

如图3所示，从上到下依次为某目标在平面波、普通涡旋声场和圆周向非均匀分布涡旋声场测得的波束图。其中最高的尖端称为主瓣，其余为旁瓣，主瓣越尖意味着声呐分辨力越高，旁瓣越低意味着杂波干扰越低。通过对比发现，平面波探测目标的主瓣较粗，成像分辨率较低；普通涡旋声场探测目标的主瓣宽度在俯仰角方向减小较多，但圆周角方向变化不大，导致主瓣呈现出长弧形，不利于目标探测；圆周向非均匀分布涡旋声场探测目标的主瓣在俯仰角和圆周角方向都较小，将长弧形主瓣转回点状主瓣，有力的提高了探测精度。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (2)

1.一种基于声学轨道角动量的低频远程三维成像方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、构建声学轨道角动量超分辨三维成像声呐；

步骤2、声学轨道角动量超分辨三维成像声呐发射圆周向非均匀分布涡旋声场，并接收远处目标反射回来的回波信号；

步骤3、分别对回波信号的俯仰角和方位角进行一次波束形成，得到一系列二维的声呐图像切片，在距离向合成这一系列切片得到三维声呐成像；

步骤4、分别对俯仰角和方位角进行二次波束形成，得到超分辨的三维图像；

所述步骤1的具体实现方法为：

所述声学轨道角动量超分辨三维成像声呐由换能器阵列和和信号处理电路板组成，所述换能器阵列包括一个圆环阵和一个螺旋阵，所述圆环阵为在一个半径为a的圆周上等间距的排布N个独立的收发合置换能器；所述螺旋阵设于圆环阵内，螺旋阵为在半径为a的园内螺旋排布M个接收换能器；以圆心为坐标原点，所有的阵列位于同一平面；所述信号处理电路版用于处理接收到的回波信号；

所述步骤2的具体实现方法为：

所述圆周向非均匀分布涡旋声场由换能器阵列的圆环阵发射，N个收发合置换能器同时独立地发射相同频率、但幅值和初始相位不同的信号，第n个换能器的方位角为φ_n＝2πn/N，发射的信号为其中f为信号载频,/>为第n个阵元信号的初始相位，/>为第n个阵元信号的幅值；

远处目标反射回来的回波信号通过换能器阵列的圆环阵和螺旋阵实现；

所述步骤2接收的回波信号为换能器阵列接收的如下信号：

式中，A和φ_e分别为幅值和相位分布：

2.根据权利要求1所述的基于声学轨道角动量的低频远程三维成像方法，其特征在于：所述步骤4的具体实现方法为：

对任意一个方位，将得到的不同阶数轨道角动量一次波束形成的幅值向量与复合贝塞尔理论值A比对求相关系数，然后将一次波束形成信号除以相关系数予以放大，得到超分辨的三维图像。