CN112083432A - 基于声学轨道角动量的超精细三维成像方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于声学轨道角动量的超精细三维成像方法，其技术特点是：构建声学轨道角动量超精细三维成像声呐；声学轨道角动量超精细三维成像声呐发射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，得到超精细图像。本发明设计合理，其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，可在大幅减少阵元数量的同时显著提升成像分辨力。

Description

基于声学轨道角动量的超精细三维成像方法
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超精细三维成像方法
背景技术
随着海洋技术的发展，人们对水下感知的技术越来越重视，由于电磁波和光在水中衰减非常快，因此声波探测为水下感知的主要方式。声呐为一种声学探测设备，广泛运用于水下导航、定位、测距和目标跟踪等多种任务。在成像声呐中，二维成像声呐得到的声学图像仅含有距离和方位信息。然而，现实中的目标形状大多是三维的。在水下成像过程中，如果将接收到的声学信号处理后形成目标的空间三维信息并实时显示，将有助于全面直观地了解目标的信息，帮助用户做出更准确的判断。因此水下三维声成像技术越来越受到重视，在海底成像、海底测绘、水下目标探测等领域的应用也越来越广泛。
目前水下三维声成像使用的方法主要有三种：(1)利用一维线性阵列，在垂直(或平行)航迹方向上形成多波束，获取观测区域的二维信息，在平行(或垂直)于航迹方向上进行机械扫描，通过计算机拟合获取的二维信息最终生成三维图像，如美国RESON公司的SeaBat8125成像声呐；(2)利用平面阵具有两个扫描角度，在空间进行多波束扫描，直接获取目标的水平、垂直、距离3个方向上的分辨率，形成三维图像。如CodaOctopus公司的Echoscope系列声呐；(3)利用声透镜技术中的干涉原理获取观测区域的高度信息，实时形成目标的三维图像，如干涉测深仪等。
对于以上三种方法，方法(2)具有最好的水下三维成像效果。该方法的声呐由换能器阵列和信号处理电路板组成。其中，换能器阵列一般为方形阵列，如图5所示，每一个点代表一个换能器。其工作原理是：声呐系统向感兴趣的水下区域发射声信号，然后分别对俯仰角和方位角进行波束形成，即对多元阵阵元接收信号进行时延或相移补偿，使对预定方向的入射信号形成同向相加，可得到该区域一系列二维的声呐图像切片。最后在距离向合成这一系列切片就可以得到三维声呐图像。
但是实践证明，为了得到较高的成像分辨力，需要较多的阵元，如Echoscope三维成像声呐的换能器阵列有48行48列共2304个阵元。大规模的阵元数量会导致采集到的数据量很大，对硬件要求极高，成本也非常高。此外，如果想进一步提高成像分辨力，就需要更多的阵元，限制了成像分辨率的提高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种设计合理、可以大幅减少阵元数量并提升成像分辨力的基于声学轨道角动量的超精细三维成像方法。
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超精细三维成像方法，包括以下步骤：
步骤1、构建声学轨道角动量超精细三维成像声呐；
步骤2、声学轨道角动量超精细三维成像声呐发射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，得到超精细图像。
而且，所述声学轨道角动量超精细三维成像声呐由换能器阵列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；以圆环阵的圆心为坐标原点，所有的阵列位于同一平面。
而且，所述步骤2的具体实现方法为：
涡旋声场的发射通过换能器阵列的圆环阵实现，N个收发合置换能器同时独立地发射相同频率、但初始相位不同的信号，第n个换能器的方位角为φn＝2πn/N，发射的信号为
Figure BDA0002674770720000021
其中，f为信号载频，
Figure BDA0002674770720000022
为第n个阵元信号的初始相位；
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3的具体实现方法为：
信号处理电路板对回波信号进行时延或相移补偿，使对预定方向的入射信号形成同向相加，可得到该区域一系列二维的声呐图像切片，最后在距离向合成这一系列切片，得到三维声呐图像。
而且，所述步骤4的具体实现方法为：
信号处理电路板对任意一个方位，将步骤3得到的不同阶数轨道角动量一次波束形成的幅值向量与贝塞尔理论值比对求相关系数，然后将一次波束形成信号除以相关系数予以放大，得到超精细的三维图像。
本发明的优点和积极效果是：
1.本发明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。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。
2.本发明的换能器阵列由一个圆环阵和一个螺旋阵组成，其中圆环阵用于发射携带有轨道角动量的涡旋声场，圆环阵和螺旋阵用于共同接收回波信号，通过螺旋阵可以辅助圆环阵降低回波旁瓣。采用上述换能器阵列结构可大幅降低阵元个数，从而降低系统复杂程度和成本。
3.本发明通过对俯仰角和方位角进行二次波束形成，对任意一个方位，将不同阶数轨道角动量一次波束形成的幅值向量与贝塞尔理论值比对求相关系数，然后将一次波束形成信号除以相关系数予以放大，从而得到超精细的图像。
附图说明
图1为本发明提供的换能器阵列示意图。
图2为不同轨道角动量阶数的涡旋声场。
图3为某单目标在平面波、涡旋声场一次波束形成、涡旋声场二次波束形成得到的波束图。
图4为某三个目标在平面波、涡旋声场一次波束形成、涡旋声场二次波束形成得到的波束图。
图5为现有技术中传统方形换能器阵列示意图。
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超精细三维成像方法，包括以下步骤：
步骤1、构建声学轨道角动量超精细三维成像声呐。
所述声学轨道角动量超精细三维成像声呐由换能器阵列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。
上述圆环阵和螺旋阵均用于接收远处目标反射回来的回波信号。
步骤2：换能器阵列发射涡旋声场并接收远处目标反射回来的回波信号；重复以上过程，依次发射和接收第0阶到第N阶轨道角动量的涡旋声场；换能器阵列将接收到的回波信号发送给信号处理电路板进行处理；
在本步骤中，涡旋声场的发射由圆环阵实现，N个收发合置换能器同时独立地发射相同频率、但初始相位不同的信号，第n个换能器的方位角为φn＝2πn/N，发射的信号为
Figure BDA0002674770720000031
即可发射轨道角动量阶数为α的涡旋声场。如图2所示，从左到右依次为轨道角动量阶数为1、4、8和12的涡旋声场。
其中，f为信号载频，
Figure BDA0002674770720000032
为第n个阵元信号的初始相位，π为圆周率，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。
步骤3：信号处理电路板分别对回波信号俯仰角和方位角进行一次波束形成，即对多元阵阵元接收信号进行时延或相移补偿，使对预定方向的入射信号形成同向相加，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：在步骤3的基础上，再分别对俯仰角和方位角进行二次波束形成，得到超精细图像。
在本步骤中，对任意一个方位，将步骤3得到的不同阶数轨道角动量一次波束形成的幅值向量与贝塞尔理论值比对求相关系数，然后将一次波束形成信号除以相关系数予以放大，得到超精细的三维图像。
如图3所示，从左到右依次为某单目标在平面波、涡旋声场一次波束形成、涡旋声场二次波束形成得到的波束图。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。一般情况下，希望主瓣越高越好，旁瓣越低越好。通过对比发现，经过涡旋声场一次波束形成的波束主瓣比起平面波波束没有太多提高，但是降低了旁瓣的幅值。而经过涡旋声场二次波束形成得到的波束图，不仅大幅降低了主瓣宽度，还极大程度的减少了旁瓣。
如图4所示，从左到右依次为某三个目标在平面波、涡旋声场一次波束形成、涡旋声场二次波束形成得到的波束图。通过对比发现，传统的平面波波束形成只能出现两个目标的尖峰，没有完全找到三个目标。而经过涡旋声场一次波束形成的波束明显找到了三个目标，且降低了传统平面波波束形成的旁瓣。而经过涡旋声场二次波束形成得到的波束图，不仅大幅降低了主瓣宽度，还极大程度的减少了旁瓣数量，实现了超精细成像。
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 (5)

1.一种基于声学轨道角动量的超精细三维成像方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、构建声学轨道角动量超精细三维成像声呐；
步骤2、声学轨道角动量超精细三维成像声呐发射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，得到超精细图像。
2.根据权利要求1所述的基于声学轨道角动量的超精细三维成像方法，其特征在于：所述声学轨道角动量超精细三维成像声呐由换能器阵列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；以圆环阵的圆心为坐标原点，所有的阵列位于同一平面。
3.根据权利要求2所述的基于声学轨道角动量的超精细三维成像方法，其特征在于：所述步骤2的具体实现方法为：
涡旋声场的发射通过换能器阵列的圆环阵实现，N个收发合置换能器同时独立地发射相同频率、但初始相位不同的信号，第n个换能器的方位角为φn＝2πn/N，发射的信号为
Figure FDA0002674770710000011
其中，f为信号载频，
Figure FDA0002674770710000012
为第n个阵元信号的初始相位；
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。
4.根据权利要求2所述的基于声学轨道角动量的超精细三维成像方法，其特征在于：所述步骤3的具体实现方法为：
信号处理电路板对回波信号进行时延或相移补偿，使对预定方向的入射信号形成同向相加，可得到该区域一系列二维的声呐图像切片，最后在距离向合成这一系列切片，得到三维声呐图像。
5.根据权利要求2所述的基于声学轨道角动量的超精细三维成像方法，其特征在于：所述步骤4的具体实现方法为：
信号处理电路板对任意一个方位，将步骤3得到的不同阶数轨道角动量一次波束形成的幅值向量与贝塞尔理论值比对求相关系数，然后将一次波束形成信号除以相关系数予以放大，得到超精细的三维图像。
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