CN112764041B - 成像系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种成像系统，所述成像系统包括：发射器阵列、接收器阵列和成像器，其中，所述接收器阵列中各接收器按照预设排列规则在所述接收器阵列中进行排列；所述发射器阵列，用于向目标物体发射涡旋声波，以使所述涡旋声波到达所述目标物体时，产生反射回波；所述接收器阵列，用于接收所述反射回波；所述成像器，用于基于所述反射回波，获得所述目标物体的声图像，所述声图像包括所述目标物体的目标位置信息和目标轮廓信息。本发明还公开了一种成像方法。利用本法发明的成像系统，获得目标物体的声图像的准确率较高，从而使得目标物体的目标位置信息和目标轮廓信息准确率较高。
Description
技术领域
本发明涉及成像技术领域，特别涉及一种成像系统和方法。
背景技术
目前，在水下目标物体的定位领域中，利用光学成像技术获得水下的目标物体的光学图像，其中，光学图像包括目标物体的位置信息和轮廓信息。但是，水下透光条件较差，光学成像效果较差。
相关技术中，提出了一种水下成像方法，通过声成像技术获得水下的目标物体的声图像，声图像包括目标物体的位置信息和轮廓信息；由于，相比于光学成像，声成像作用距离远，声成像技术获得的水下的目标物体的声图像准确率较高。
但是，采用现有的水下成像方法，虽然声成像作用距离较远，但是，获得的声图像准确率依旧较低，进而使得目标物体的位置信息和轮廓信息准确率较低。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种成像系统和方法，旨在解决现有技术中获取水下目标物体的位置信息和轮廓信息准确率较低的技术问题。
为实现上述目的，本发明提出一种成像系统，所述成像系统包括：发射器阵列、接收器阵列和成像器，其中，所述接收器阵列中各接收器按照预设排列规则在所述接收器阵列中进行排列；
所述发射器阵列，用于向目标物体发射涡旋声波，以使所述涡旋声波到达所述目标物体时，产生反射回波；
所述接收器阵列，用于接收所述反射回波；
所述成像器，用于基于所述反射回波，获得所述目标物体的声图像，所述声图像包括所述目标物体的目标位置信息和目标轮廓信息。
可选的，
所述接收器阵列包括多个接收器，每个接收器按照预设间距等间距的分布在所述接收器阵列中；
所述发射器阵列为环形发射器阵列，所述环形发射器阵列包括多个发射器，每个发射器等间距的分布在所述环形发射器阵列中。
可选的，
所述发射器阵列，用于向目标物体发射多种阶数的涡旋声波，以使所述多种阶数的涡旋声波到达所述目标物体时，产生所述多种阶数的涡旋声波对应的多种阶数的反射回波；
所述接收器阵列，用于接收所述多种阶数的反射回波；
所述成像器，用于基于所述多种阶数的反射回波，获得所述声图像。
可选的，所述成像器存储有所述接收器阵列中各接收器的位置信息；
所述成像器，还用于在基于所述多种阶数的反射回波，获得所述声图像之前，对预设角度信息进行离散化处理，以获得离散角度信息；基于所述多种阶数的反射回波和所述各接收器的位置信息，获得所述离散角度信息中每个离散角度信息对应的多种阶数的预处理波束，并基于所述每个离散角度信息对应的多种阶数的预处理波束，获得所述每个离散角度信息对应的结果角度信息和距离信息；以及基于所述结果角度信息和所述距离信息，获得所述声图像。
可选的，
所述成像器，还用于基于所述每个离散角度信息对应的多种阶数的预处理波束，获得所述每个离散角度信息对应的结果波束；基于所述每个离散角度信息对应的结果波束，获得所述每个离散角度信息对应的距离信息，以及对所述每个离散角度信息对应的结果波束进行归一化处理，获得所述每个离散角度信息对应的最终波束；基于所述每个离散角度信息对应的最终波束，获得所述每个离散角度信息对应的结果角度信息。
可选的，
所述成像器，还用于基于所述多种阶数的反射回波和所述各接收器的位置信息，利用公式一，获得所述离散角度信息中每个离散角度信息对应的多种阶数的预处理波束；
所述公式一为：
其中，g为所述各接收器中的一个接收器的横坐标编号，h为该接收器的纵坐标编号，g和h均为整数，g∈[1，H]，h∈[1，H]，H为所述接收器阵列中接收器的数量，Sgh为该接收器接收的所述多种阶数的反射回波中的第l阶反射回波，wgh为所述Sgh的加权值，ω为所述第l阶反射回波的回波频率，
为所述离散角度信息中的一个离散角度信息
对应的第l阶预处理波束，i和j均为整数，i∈[1，A]，j∈[1，B]，A为所述离散角度信息中离散方位角的数量，B为所述离散角度信息中离散俯仰角的数量。
可选的，
所述成像器，还用于基于所述每个离散角度信息对应的多种阶数的预处理波束，利用公式二，获得所述每个离散角度信息对应的结果波束；
所述公式二为：
其中，
为所述离散角度信息/>
对应的结果波束，所述多种阶数的取值区间为分别为/>
N为大于1的自然数，/>
c为声音速度，Jl为第一类第l阶预处理波束的贝塞尔函数，e为自然常数，a为所述发射器阵列的半径。/>
可选的，
所述成像器，还用于利用公式三，对所述每个离散角度信息对应的结果波束进行归一化处理，获得所述每个离散角度信息对应的最终波束；
所述公式三为：
其中，
为所述离散角度信息/>
对应的最终波束。
可选的，
所述成像器，还用于对所述每个离散角度信息对应的结果波束的频率进行傅里叶变换，获得所述每个离散角度信息对应的距离信息。
此外，为实现上述目的，本发明还提出了一种成像方法，用于成像系统，所述成像系统包括：发射器阵列、接收器阵列和成像器，其中，所述接收器阵列中各接收器按照预设排列规则在所述接收器阵列中进行排列；所述方法包括以下步骤：
利用所述发射器阵列向目标物体发射涡旋声波，以使所述涡旋声波到达所述目标物体时，产生反射回波；
利用所述接收器阵列接收所述反射回波；
利用所述成像器基于所述反射回波，获得所述目标物体的声图像，所述声图像包括所述目标物体的目标位置信息和目标轮廓信息。
本发明技术方案提出了一种成像系统，所述成像系统包括：发射器阵列、接收器阵列和成像器，其中，所述接收器阵列中各接收器按照预设排列规则在所述接收器阵列中进行排列；所述发射器阵列，用于向目标物体发射涡旋声波，以使所述涡旋声波到达所述目标物体时，产生反射回波；所述接收器阵列，用于接收所述反射回波；所述成像器，用于基于所述反射回波，获得所述目标物体的声图像，所述声图像包括所述目标物体的目标位置信息和目标轮廓信息。由于，声波在水下传播时，声波信息损失较多，使得接收到的反射回波信息量较少，导致声图像的准确率较低；而本发明的发射器阵列发射涡旋声波，涡旋声波具有螺旋形的波前相位，可以将额外的信息调制到涡旋声波上，使得涡旋声波具有较高的信息运载能力，同时，接收器阵列中各接收器按照预设排列规则在所述接收器阵列中进行排列，使得接收器阵列中各接收器接收到的反射回波包括较多的信息，从而使得成像器基于包括较多信息的反射回波，获得较高准确率的声图像，所以，利用本法发明的成像系统，获得目标物体的声图像的准确率较高，从而使得目标物体的目标位置信息和目标轮廓信息准确率较高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明实施例方案涉及的成像器结构示意图；
图2为本发明成像系统第一实施例的结构框图；
图3为本发明发射器阵列和接收器阵列的位置示意图；
图4为本发明成像系统对应的最终波束图；
图5为本发明成像系统对应的最终波束与现有成像系统对应的最终波束对比图；
图6为本发明成像方法第一实施例的流程图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1，图1为本发明实施例方案涉及的成像器结构示意图。
成像器可以是移动电话、智能电话、笔记本电脑、数字广播接收器、个人数字助理(PDA)、平板电脑(PAD)等用户设备(User Equipment，UE)、手持设备、车载设备、可穿戴设备、计算设备或连接到无线调制解调器的其它处理设备、移动台(Mobile station，MS)等。成像器可能被称为用户终端、便携式终端、台式终端等。
通常，成像器包括：至少一个处理器301、存储器302以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的定位程序，所述定位程序配置为实现如前所述的成像方法的步骤。
处理器301可以包括一个或多个处理核心，比如4核心处理器、8核心处理器等。处理器301可以采用DSP(Digital Signal Processing，数字信号处理)、FPGA(Field－Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)、PLA(Programmable Logic Array，可编程逻辑阵列)中的至少一种硬件形式来实现。处理器301也可以包括主处理器和协处理器，主处理器是用于对在唤醒状态下的数据进行处理的处理器，也称CPU(CentralProcessingUnit，中央处理器)；协处理器是用于对在待机状态下的数据进行处理的低功耗处理器。在一些实施例中，处理器301可以在集成有GPU(Graphics Processing Unit，图像处理器)，GPU用于负责显示屏所需要显示的内容的渲染和绘制。处理器301还可以包括AI(Artificial Intelligence，人工智能)处理器，该AI处理器用于处理有关成像方法操作，使得成像方法模型可以自主训练学习，提高效率和准确度。
存储器302可以包括一个或多个计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质可以是非暂态的。存储器302还可包括高速随机存取存储器，以及非易失性存储器，比如一个或多个磁盘存储设备、闪存存储设备。在一些实施例中，存储器302中的非暂态的计算机可读存储介质用于存储至少一个指令，该至少一个指令用于被处理器301所执行以实现本申请中方法实施例提供的成像方法。
在一些实施例中，终端还可选包括有：通信接口303和至少一个外围设备。处理器301、存储器302和通信接口303之间可以通过总线或信号线相连。各个外围设备可以通过总线、信号线或电路板与通信接口303相连。具体地，外围设备包括：射频电路304、显示屏305和电源306中的至少一种。
通信接口303可被用于将I/O(Input/Output，输入/输出)相关的至少一个外围设备连接到处理器301和存储器302。在一些实施例中，处理器301、存储器302和通信接口303被集成在同一芯片或电路板上；在一些其他实施例中，处理器301、存储器302和通信接口303中的任意一个或两个可以在单独的芯片或电路板上实现，本实施例对此不加以限定。
射频电路304用于接收和发射RF(Radio Frequency，射频)信号，也称电磁信号。射频电路304通过电磁信号与通信网络以及其他通信设备进行通信。射频电路304将电信号转换为电磁信号进行发送，或者，将接收到的电磁信号转换为电信号。可选地，射频电路304包括：天线系统、RF收发器、一个或多个放大器、调谐器、振荡器、数字信号处理器、编解码芯片组、用户身份模块卡等等。射频电路304可以通过至少一种无线通信协议来与其它终端进行通信。该无线通信协议包括但不限于：城域网、各代移动通信网络(2G、3G、4G及5G)、无线局域网和/或WiFi(Wireless Fidelity，无线保真)网络。在一些实施例中，射频电路304还可以包括NFC(Near Field Communication，近距离无线通信)有关的电路，本申请对此不加以限定。
显示屏305用于显示UI(User Interface，用户界面)。该UI可以包括图形、文本、图标、视频及其它们的任意组合。当显示屏305是触摸显示屏时，显示屏305还具有采集在显示屏305的表面或表面上方的触摸信号的能力。该触摸信号可以作为控制信号输入至处理器301进行处理。此时，显示屏305还可以用于提供虚拟按钮和/或虚拟键盘，也称软按钮和/或软键盘。在一些实施例中，显示屏305可以为一个，电子设备的前面板；在另一些实施例中，显示屏305可以为至少两个，分别设置在电子设备的不同表面或呈折叠设计；在再一些实施例中，显示屏305可以是柔性显示屏，设置在电子设备的弯曲表面上或折叠面上。甚至，显示屏305还可以设置成非矩形的不规则图形，也即异形屏。显示屏305可以采用LCD(LiquidCrystal Display，液晶显示屏)、OLED(Organic Light-Emitting Diode,有机发光二极管)等材质制备。
电源306用于为电子设备中的各个组件进行供电。电源306可以是交流电、直流电、一次性电池或可充电电池。当电源306包括可充电电池时，该可充电电池可以支持有线充电或无线充电。该可充电电池还可以用于支持快充技术。本领域技术人员可以理解，图1中示出的结构并不构成对成像器的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。
此外，本发明实施例还提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有定位程序，所述定位程序被处理器执行时实现如上文所述的成像方法的步骤。因此，这里将不再进行赘述。另外，对采用相同方法的有益效果描述，也不再进行赘述。对于本申请所涉及的计算机可读存储介质实施例中未披露的技术细节，请参照本申请方法实施例的描述。确定为示例，程序指令可被部署为在一个成像器上执行，或者在位于一个地点的多个成像器上执行，又或者，在分布在多个地点且通过通信网络互连的多个成像器上执行。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，上述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，上述的计算机可读存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(RandomAccessMemory，RAM)等。
参照图2，图2为本发明成像系统第一实施例的结构框图，所述成像系统包括：发射器阵列10、接收器阵列20和成像器30，其中，所述接收器阵列中各接收器按照预设排列规则在所述接收器阵列中进行排列；
所述发射器阵列10，用于向目标物体发射涡旋声波，以使所述涡旋声波到达所述目标物体时，产生反射回波；
所述接收器阵列20，用于接收所述反射回波；
所述成像器30，用于基于所述反射回波，获得所述目标物体的声图像，所述声图像包括所述目标物体的目标位置信息和目标轮廓信息。
需要说明的时，本发明的发射器阵列中的发射器可以是换能器，接收器阵列中的接收器可以是水听器；成像器可以是上述任意一种成像器，本发明不做限制。
通常，成像系统用于水下定位，确定一个目标区域，目标区域中的目标物体即是需要获得目标位置信息和目标轮廓信息的物体；在目标区域布置发射器阵列，用于向目标物体发射涡旋声波，同时，为了发射涡旋声波，发射器阵列为环形阵列，另外，还需要在目标区域布置接收器阵列，用于接收涡旋声波到达目标物体之后，反射的反射回波；最后利用成像器基于反射回波，获得目标区域中的目标物体的声图像，声图像包括目标位置信息和目标轮廓信息，目标位置信息即为目标物体的位置信息，目标位置信息通常为包括方位角、俯仰角和距离的三维信息，目标轮廓信息即为目标物体的轮廓信息，目标轮廓信息包括目标物体的大小和形状等；可以理解的是，声图像是一种三维图像，同时，在目标物体为运动物体时，可以是获得目标物体在连续一段时间内对应的多个声图像，多个声图像组成目标视频，目标视频用于描述目标物体的状态，目标视频的每一帧图像都包括该帧所对应时刻，目标物体的目标位置信息和目标轮廓信息。
进一步的，所述接收器阵列20包括多个接收器，每个接收器按照预设间距等间距的分布在所述接收器阵列中。
所述发射器阵列10为环形发射器阵列，所述环形发射器阵列包括多个发射器，每个发射器等间距的分布在所述环形发射器阵列中。
通常，在目标区域中确定出目标形状的第一选定区域，在第一选定区域内按照预设间距(预设间距通常为涡旋声波半波长)等间距设置多个接收器，以获得所述接收器阵列，即接收器阵列中的接收器密度分布均匀。其中，目标形状可以是圆形或正方形，本发明不做限制。
另外，通常以第一选定区域的中心为环形的第二选定区域的圆心，在第一选定区域内做最大的内接圆，圆周对应的区域即为环形的第二选定区域，将发射器布置在环形的第二选定区域，以获得发射器阵列；其中，第二选定区域的发射阵列中的发射器均匀布置，即，等间距布置。
另外，可以将第二选定区域(环形区域)周围的部分水听器用收发合置的换能器，并将其移动到第二选定区域(环形区域)而得到发射器阵列。
参照图3，图3为本发明发射器阵列和接收器阵列的位置示意图；目标区域中确定的第一选定区域为边长10(单位长度为涡旋声波波长)的正方形，正方形内部等间距的设置预设接收布阵点，预设接收布阵点之间的间距均为预设间距即，涡旋声波半波长，一个预设接收布阵点用于放置一个接收器，将全部接收布阵点完成接收器的放置后，获得所述接收器阵列；另外，基于第一选定区域——边长为10的正方形，将正方形中心确定为圆心，并利用该圆心，在第一选定区域内做最大的内接圆，圆周所对应的区域为环形第二选定区域，圆周上的一个点表示一个发射器的发射布阵点，用于放置一个发射器，整个圆周对应的全部发射器即为所述发射器阵列。
参照图3，第一选定区域和第二选定区域所在的目标区域的横坐标跨度为-5到+5，纵坐标跨度为-5到+5，横纵坐标用于表示各接收器和各发射器的位置坐标。用户可以根据自己的需求设定其他类型的坐标，本发明不做限制，例如，横坐标跨度为0到10，纵坐标跨度为0到10等，只要可以表示各接收器和各发射器的位置坐标即可，位置坐标可以是相对位置坐标或世界坐标。
进一步的，所述发射器阵列10，用于向目标物体发射多种阶数的涡旋声波，以使所述多种阶数的涡旋声波到达所述目标物体时，产生所述多种阶数的涡旋声波对应的多种阶数的反射回波；
所述接收器阵列20，用于接收所述多种阶数的反射回波；
所述成像器30，用于基于所述多种阶数的反射回波，获得所述声图像。
需要说明的是，所述发射器阵列可以每次发射一种阶数的涡旋声波，同时接收器阵列接收一种阶数的反射回波；在具体应用中，为了保证获得的目标位置信息准确率较高，需要利用所述发射器阵列进行多次涡旋声波的发射，每次发射不同种阶数的涡旋声波，以使接收器阵列接收不同种阶数的反射回波。例如，发射器阵列分别发射6次，发射了6种阶数的涡旋声波，接收器阵列接收6次，接收到6种阶数的反射回波。较优的，涡旋声波的阶数取值不小于6，即至少需要发射6种阶数的涡旋声波。
通常，发射器的数量为P，第p个发射器发射的涡旋声波信号为：
代表发射调相，e为自然常数，l为涡旋声波的阶数，ω为涡旋声波的频率，
t为时间。
具体应用中，假设目标物体为亮点模型，由M个理想的散射点组成，第m个点的球坐标为
散射系数为σm。其中，接收器的坐标为(xg，yh)，g和h均为整数，g为接收器的横坐标编号，h为该接收器的纵坐标编号，g∈[1，H]，h∈[1，H](接收器阵列共有H个接收器)。则反射回波为：
其中，波数
c为声音速度，Jl为第一类第l阶涡旋声波的贝塞尔函数，通常，第一类第l阶涡旋声波的贝塞尔函数对应的第一类第l阶反射回波的贝塞尔函数是相同的。
进一步的，所述成像器存储有所述接收器阵列中各接收器的位置信息；
所述成像器30，还用于在基于所述多种阶数的反射回波，获得所述声图像之前，对预设角度信息进行离散化处理，以获得离散角度信息；基于所述多种阶数的反射回波和所述各接收器的位置信息，获得所述离散角度信息中每个离散角度信息对应的多种阶数的预处理波束，并基于所述每个离散角度信息对应的多种阶数的预处理波束，获得所述每个离散角度信息对应的结果角度信息和距离信息；以及基于所述结果角度信息和所述距离信息，获得所述声图像。
具体的，所述成像器30，还用于基于所述每个离散角度信息对应的多种阶数的预处理波束，获得所述每个离散角度信息对应的结果波束；基于所述每个离散角度信息对应的结果波束，获得所述每个离散角度信息对应的距离信息，以及对所述每个离散角度信息对应的结果波束进行归一化处理，获得所述每个离散角度信息对应的最终波束；基于所述每个离散角度信息对应的最终波束，获得所述每个离散角度信息对应的结果角度信息。
需要说明的是，各接收器的位置信息可以是上文所述的坐标信息，例如，(xg，yh)。预设角度信息可以是整个空间的涉及的全部角度信息，即预设角度信息包括的俯仰角范围为0°-360°，预设角度信息包括的方位角范围为0°-360°，预设角度信息为俯仰角和方位角的组合信息。
可以理解的是，空间内预设角度信息包括的俯仰角和方位角均是连续的无穷多值，需要对其进行离散化处理，获得离散角度信息，离散角度信息包括有限的离散俯仰角和有限的离散方位角，预设角度信息离散化处理后的其中一个离散角度信息可以为
i和j均为整数，i∈[1，A]，j∈[1，B]，A和B均为自然数，分别表示预设角度信息的方位角和俯仰角离散化之后，离散方位角和离散俯仰角的数量。其中，离散化之后离散方位角的数量A和离散俯仰角的数量B的值基于成像器等硬件设备的分辨率确定，本发明不做限定。
进一步的，所述成像器30，还用于基于所述多种阶数的反射回波和所述各接收器的位置信息，利用公式一，获得所述离散角度信息中每个离散角度信息对应的多种阶数的预处理波束；
所述公式一为：
其中，g为所述各接收器中的一个接收器的横坐标编号，h为该接收器的纵坐标编号，g和h均为整数，g∈[1，H]，h∈[1，H]，H为所述接收器阵列中接收器的数量，Sgh为该接收器接收的所述多种阶数的反射回波中的第l阶反射回波，Wgh为所述Sgh的加权值，ω为所述第l阶反射回波的回波频率，
为所述离散角度信息中的一个离散角度信息
对应的第l阶预处理波束，i和j均为整数，i∈[1，A]，j∈[1，B]，A为所述离散角度信息中离散方位角的数量，B为所述离散角度信息中离散俯仰角的数量。
需要说明的是，第l阶反射回波的回波频率与对应的第l阶涡旋声波的频率是相同的，不变；wgh基于该接收器从
方向接收反射回来的反射回波的延迟确定。
进一步的，所述成像器30，还用于基于所述每个离散角度信息对应的多种阶数的预处理波束，利用公式二，获得所述每个离散角度信息对应的结果波束；
所述公式二为：
其中，
为所述离散角度信息/>
对应的结果波束，所述多种阶数的取值区间为分别为/>
N为大于1的自然数，/>
c为声音速度，Jl为第一类第l阶预处理波束的贝塞尔函数，e为自然常数，a为所述发射器阵列的半径。
需要说明的是，通常N可以去5-15的整数，即涡旋声波的阶数通常为5-15阶为优，一般而言，N还可以是发射器阵列发射器的数量。其中，第一类第l阶预处理波束的贝塞尔函数与第一类第l阶涡旋声波(或反射回波)的贝塞尔函数是相同的。
进一步的，所述成像器30，还用于利用公式三，对所述每个离散角度信息对应的结果波束进行归一化处理，获得所述每个离散角度信息对应的最终波束；
所述公式三为：
其中，
为所述离散角度信息/>
对应的最终波束。
进一步的，所述成像器30，还用于对所述每个离散角度信息对应的结果波束的频率进行傅里叶变换，获得所述每个离散角度信息对应的距离信息。
需要说明的是结果波束的频率，与原始涡旋声波的频率相同，即原始涡旋声波、原始涡旋声波对应的反射回波、反射回波对应的预处理波束、预处理波束对应的结果波束和结果波束对应的最终波束的频率均相同，为原始涡旋声波的频率。
基于所述每个离散角度信息对应的最终波束，获得所述每个离散角度信息对应的结果角度信息；基于所述结果角度信息和所述距离信息，获得所述声图像，以基于声图像，获得所述目标物体的目标位置信息和目标轮廓信息。即通过遍历所述离散角度信息中的全部离散角度信息和全部距离信息，获得目标物体的方位角-俯仰角-距离，以及获得目标物体的目标轮廓信息。
可以理解的是，成像器基于多种阶数的反射回波，获得的信息为声图像，声图像具有所述目标位置信息和所述目标轮廓信息。
另外，还可以生成不同频率的涡旋声波，对于每一种频率的涡旋声波发射多种阶数的涡旋声波，以获得不同频率涡旋声波分别对应的目标物体的多个声图像(每个声图像均包括目标位置信息和目标轮廓信息，一种频率的多种阶数的涡旋声波对应一个声图像)；基于多个声图像，确定目标物体的最终声图像，最终声图像包括最终目标位置信息和最终目标轮廓信息，最终目标位置信息和最终目标轮廓信息的准确率会进一步提高。
本发明技术方案提出了一种成像系统，所述成像系统包括：发射器阵列、接收器阵列和成像器，其中，所述接收器阵列中各接收器按照预设排列规则在所述接收器阵列中进行排列；所述发射器阵列，用于向目标物体发射涡旋声波，以使所述涡旋声波到达所述目标物体时，产生反射回波；所述接收器阵列，用于接收所述反射回波；所述成像器，用于基于所述反射回波，获得所述目标物体的声图像，所述声图像包括所述目标物体的目标位置信息和目标轮廓信息。由于，声波在水下传播时，声波信息损失较多，使得接收到的反射回波信息量较少，导致声图像的准确率较低；而本发明的发射器阵列发射涡旋声波，涡旋声波具有螺旋形的波前相位，可以将额外的信息调制到涡旋声波上，使得涡旋声波具有较高的信息运载能力，同时，接收器阵列中各接收器按照预设排列规则在所述接收器阵列中进行排列，使得接收器阵列中各接收器接收到的反射回波包括较多的信息，从而使得成像器基于包括较多信息的反射回波，获得较高准确率的声图像，所以，利用本法发明的成像系统，获得目标物体的声图像的准确率较高，从而使得目标物体的目标位置信息和目标轮廓信息准确率较高。
参照图4-5，图4为本发明成像系统对应的最终波束图；图5为本发明成像系统对应的最终波束与现有成像系统对应的最终波束对比图；在图4中，可以看到本发明成像系统对应的最终波束主瓣尖锐和旁瓣级别低；图5中，本发明的成像系统与现有的成像系统均是具有相同数量的接收器，A曲线为本发明成像系统对应的最终波束，B曲线为现有成像系统对应的最终波束图，可见，本发明成像系统对应的最终波束图具有较尖锐的主瓣和更低的旁瓣。
参照图6，图6为本发明成像方法第一实施例的流程图，方法用于成像系统，所述成像系统包括：发射器阵列、接收器阵列和成像器，其中，所述接收器阵列中各接收器按照预设排列规则在所述接收器阵列中进行排列；所述方法包括以下步骤：
步骤S11：利用所述发射器阵列向目标物体发射涡旋声波，以使所述涡旋声波到达所述目标物体时，产生反射回波；
步骤S12：利用所述接收器阵列接收所述反射回波；
步骤S13：利用所述成像器基于所述反射回波，获得所述目标物体的声图像，所述声图像包括所述目标物体的目标位置信息和目标轮廓信息。
参照上文描述，此处不再赘述。
以上所述仅为本发明的可选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (6)
1.一种成像系统，其特征在于，所述成像系统包括：发射器阵列、接收器阵列和成像器，其中，所述接收器阵列中各接收器按照预设排列规则在所述接收器阵列中进行排列；
所述发射器阵列，用于向目标物体发射涡旋声波，以使所述涡旋声波到达所述目标物体时，产生反射回波；
所述接收器阵列，用于接收所述反射回波；
所述成像器，用于基于所述反射回波，获得所述目标物体的声图像，所述声图像包括所述目标物体的目标位置信息和目标轮廓信息；
所述接收器阵列包括多个接收器，每个接收器按照预设间距等间距的分布在所述接收器阵列中；
所述发射器阵列为环形发射器阵列，所述环形发射器阵列包括多个发射器，每个发射器等间距的分布在所述环形发射器阵列中；
所述发射器阵列，用于向目标物体发射多种阶数的涡旋声波，以使所述多种阶数的涡旋声波到达所述目标物体时，产生所述多种阶数的涡旋声波对应的多种阶数的反射回波；
所述接收器阵列，用于接收所述多种阶数的反射回波；
所述成像器，用于基于所述多种阶数的反射回波，获得所述声图像；
所述成像器存储有所述接收器阵列中各接收器的位置信息；
所述成像器，还用于在基于所述多种阶数的反射回波，获得所述声图像之前，对预设角度信息进行离散化处理，以获得离散角度信息；基于所述多种阶数的反射回波和所述各接收器的位置信息，获得所述离散角度信息中每个离散角度信息对应的多种阶数的预处理波束，并基于所述每个离散角度信息对应的多种阶数的预处理波束，获得所述每个离散角度信息对应的结果角度信息和距离信息；以及基于所述结果角度信息和所述距离信息，获得所述声图像；
所述成像器，还用于基于所述每个离散角度信息对应的多种阶数的预处理波束，获得所述每个离散角度信息对应的结果波束；基于所述每个离散角度信息对应的结果波束，获得所述每个离散角度信息对应的距离信息，以及对所述每个离散角度信息对应的结果波束进行归一化处理，获得所述每个离散角度信息对应的最终波束；基于所述每个离散角度信息对应的最终波束，获得所述每个离散角度信息对应的结果角度信息。
2.如权利要求1所述的成像系统，其特征在于，
所述成像器，还用于基于所述多种阶数的反射回波和所述各接收器的位置信息，利用公式一，获得所述离散角度信息中每个离散角度信息对应的多种阶数的预处理波束；
所述公式一为：
其中，
为所述各接收器中的一个接收器的横坐标编号，/>
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为所述离散角度信息中的一个离散角度信息（/>
）对应的第l阶预处理波束，i和j均为整数，i/>
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，A为所述离散角度信息中离散方位角的数量，B为所述离散角度信息中离散俯仰角的数量。
3.如权利要求2所述的成像系统，其特征在于，
所述成像器，还用于基于所述每个离散角度信息对应的多种阶数的预处理波束，利用公式二，获得所述每个离散角度信息对应的结果波束；
所述公式二为：
其中，
为所述离散角度信息（/>
）对应的结果波束，所述多种阶数的取值区间为分别为/>
]，N为大于1的自然数，k=/>
，c为声音速度，/>
为第一类第l阶预处理波束的贝塞尔函数，/>
为自然常数，a为所述发射器阵列的半径。
4.如权利要求3所述的成像系统，其特征在于，
所述成像器，还用于利用公式三，对所述每个离散角度信息对应的结果波束进行归一化处理，获得所述每个离散角度信息对应的最终波束；
所述公式三为：
其中，
为所述离散角度信息（/>
）对应的最终波束。
5.如权利要求4所述的成像系统，其特征在于，
所述成像器，还用于对所述每个离散角度信息对应的结果波束的频率进行傅里叶变换，获得所述每个离散角度信息对应的距离信息。
6.一种成像方法，其特征在于，用于成像系统，所述成像系统包括：发射器阵列、接收器阵列和成像器，其中，所述接收器阵列中各接收器按照预设排列规则在所述接收器阵列中进行排列；所述方法包括以下步骤：
利用所述发射器阵列向目标物体发射涡旋声波，以使所述涡旋声波到达所述目标物体时，产生反射回波；
利用所述接收器阵列接收所述反射回波；
利用所述成像器基于所述反射回波，获得所述目标物体的声图像，所述声图像包括所述目标物体的目标位置信息和目标轮廓信息；
所述接收器阵列包括多个接收器，每个接收器按照预设间距等间距的分布在所述接收器阵列中；
所述发射器阵列为环形发射器阵列，所述环形发射器阵列包括多个发射器，每个发射器等间距的分布在所述环形发射器阵列中；
所述利用所述发射器阵列向目标物体发射涡旋声波，以使所述涡旋声波到达所述目标物体时，产生反射回波，具体包括：
利用所述发射器阵列向目标物体发射多种阶数的涡旋声波，以使所述多种阶数的涡旋声波到达所述目标物体时，产生所述多种阶数的涡旋声波对应的多种阶数的反射回波；
所述利用所述接收器阵列接收所述反射回波，具体包括：
利用所述接收器阵列接收所述多种阶数的反射回波；
所述利用所述成像器基于所述反射回波，获得所述目标物体的声图像，具体包括：
利用所述成像器基于所述多种阶数的反射回波，获得所述声图像；
所述成像器存储有所述接收器阵列中各接收器的位置信息；
所述利用所述成像器基于所述多种阶数的反射回波，获得所述声图像之前，所述方法还包括：
利用所述成像器对预设角度信息进行离散化处理，以获得离散角度信息；基于所述多种阶数的反射回波和所述各接收器的位置信息，获得所述离散角度信息中每个离散角度信息对应的多种阶数的预处理波束，并基于所述每个离散角度信息对应的多种阶数的预处理波束，获得所述每个离散角度信息对应的结果角度信息和距离信息；以及基于所述结果角度信息和所述距离信息，获得所述声图像；
其中，所述基于所述每个离散角度信息对应的多种阶数的预处理波束，获得所述每个离散角度信息对应的结果角度信息和距离信息，具体包括：
基于所述每个离散角度信息对应的多种阶数的预处理波束，获得所述每个离散角度信息对应的结果波束；基于所述每个离散角度信息对应的结果波束，获得所述每个离散角度信息对应的距离信息，以及对所述每个离散角度信息对应的结果波束进行归一化处理，获得所述每个离散角度信息对应的最终波束；基于所述每个离散角度信息对应的最终波束，获得所述每个离散角度信息对应的结果角度信息。
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