CN208334642U - 基于球面阵的水下目标声成像装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于球面阵的水下目标声成像装置。本实用新型包括信号发生模块、功率放大模块、相控发射模块、相控接收模块、前置放大模块、数据采集模块、球面阵、消声水箱和程控计算。所述的球面阵具有61个阵元，其中的32个阵元作为发射阵元，其余阵元作为接收阵元；所述的相控发射模块、相控接收模块构成相控系统，所述的相控系统控制球面阵的聚焦波束在三维空间中扫描。本实用新型不需要冗杂的算法和外设电路，仅对阵型和收发方式进行一定的设计和处理，就能达到旁瓣抑制的目的。

Description

基于球面阵的水下目标声成像装置

技术领域

本实用新型属于超声成像技术领域，尤其是涉及一种基于球面阵的水下目标声成像装置。

背景技术

水下目标成像技术能够较为完整地获取目标的特征信息，在海洋探测中有着重要的作用。目前，对目标进行光成像和电磁波成像的技术发展得较为成熟，但是这些方法仅限于陆地，由于水中介质很复杂，光波和无线电波在水中衰减严重，传播距离有限，且生成的目标图像质量较差，图像分辨率低。考虑到声波在水中可以传播的很远，能够克服复杂的水文条件，人们多采用声成像技术对水下目标进行探测和识别，其中，基于波束形成技术的水下声成像技术通过对阵列中每个阵元接收的信号作一定的处理，使形成的波束指向性足够尖锐，并衰减来自其它方向上的干扰回波，对扫描区域重复波束形成过程，就可以对目标观测区域进行成像，因此应用十分广泛。然而，面对实际复杂的水域，特别是在存在海底背景或非成像目标强干扰的情况下对掩埋物成像时，对于多波束成像系统，波束旁瓣和成像分辨率的高低直接影响着成像效果的好坏，因此改善波束性能和提高系统分辨率是水下声成像研究中的一个重要问题。

为了抑制波束旁瓣，以往采用的方法主要为幅值加权处理法和自适应波束形成法，虽然这些方法能够得到比较低的旁瓣，但是在约束旁瓣的同时，主瓣有或多或少的展宽，使得成像分辨力有所下降，且涉及到各种算法，计算量庞大，甚至对硬件要求较高，使得在实际工程应用中受限。如今，从阵元排布方面考虑，利用不等间隔阵并运用孔径变迹技术来抑制旁瓣的方法研究越来越多，该方法能够有效抑制旁瓣且主瓣基本不受影响，实现过程简单。但在众多研究中，都是以一维线列阵为研究对象，没有对基阵的阵型进行深入研究，若能利用波束形成技术，使用面阵甚至是体积阵对水下目标进行成像，不仅能够抑制波束旁瓣，提高成像分辨力，而且能够直接获取目标的三维信息。

发明内容

本实用新型针对现有技术的不足，从阵列类型的角度考虑，提出了一种利用球面阵进行水下目标声成像的装置。

本实用新型解决技术问题所采取的技术方案是：

本实用新型包括信号发生模块、功率放大模块、相控发射模块、相控接收模块、前置放大模块、数据采集模块、球面阵、消声水箱和程控计算，信号发生模块的输入端与程控计算的一个输出端连接，信号发生模块的输出端与功率放大模块的输入端连接，功率放大模块的输出端与相控发射模块的一个输入端连接，相控发射模块的另一个输入端与程控计算的另一个输出端连接，相控发射模块的输出端与球面阵的输入端连接；所述球面阵设置在消声水箱内，且水下目标位于球面阵的聚焦点；球面阵的输出端与相控接收模块的一个输入端连接，相控接收模块的另一个输入端与程控计算的再一个输出端连接，相控接收模块的输出端与前置放大模块的输入端连接，前置放大模块的输出端与数据采集模块的输入端连接，数据采集模块输出端与程控计算的输入端连接。

所述的球面阵具有61个阵元，其中的32个阵元作为发射阵元，其余阵元作为接收阵元；所述的相控发射模块、相控接收模块构成相控系统，所述的相控系统控制球面阵的聚焦波束在三维空间中扫描。

进一步说，所述的球面阵由1个曲率半径为150mm的刚性球冠体和61 个直径为16mm，厚度为1.5mm的平面圆形压电陶瓷阵元组成，球面阵的孔径为160mm。

进一步说，在刚性球冠体的中央单独放置了1个阵元，其余阵元紧密排布于圆心同轴的不等半径的4层圆环上，由内向外，依次排布6、12、18和 24个阵元。

本实用新型的有益效果在于：

1.不需要冗杂的算法和外设电路，仅对阵型和收发方式进行一定的设计和处理，就能达到旁瓣抑制的目的。

2.利用了二维面阵并结合相控发射与接收系统，能够直接获取水下目标的三维信息。

3.由于球面阵辐射声波时，具有自聚焦的能力，能够更进一步优化波束。

4.随机选取球面阵中的部分阵元作发射，部分阵元作接收，不仅实现了自发自收功能，而且满足了不等间隔阵的条件，能够有效抑制旁瓣的产生。

5.通过发射波束与接收波束旁瓣间的抵消效果，在双程波束响应上降低了旁瓣，提高了成像对比度，同时适当减小了主瓣宽度，提高了成像分辨力。

6.设计的成像检测系统，检测效率高、精度高，操作方便，通过波束扫描，提取散射回波中基频波的幅值对水下目标进行成像，容易推广到医学超声成像检测中，对肿瘤等疾病进行诊断。

7.检测系统测量得到的数据可实时通过上位机软件进行显示、处理和成像输出，且数据可以长期保存，有利于后期的复核查证。

附图说明

下面结合附图对本实用新型进一步说明。

图1(a)是本实用新型中球面阵结构示意图；

图1(b)是图1(a)的侧视图；

图2是本实用新型的结构示意图；

图3是本实用新型的取接收回波中5个周期的稳态波示意图；

图4是本实用新型中利用球面阵的聚焦波束对图4所示笔芯的前端面进行二维扫描时的单程聚焦发射波束响应与双程波束响应的对比图；

图5是本实用新型中利用球面阵中多个随机阵元的自发自收功能对笔芯的前端面进行二维扫描检测的重构图像，该图像是幅值归一化后的二维图像；

图6是本实用新型中重构图像中最大幅值下降6dB的等高线与笔芯前端面的实际轮廓对比图。

具体实施方式

以下结合本实用新型的具体实施方式和附图对本实用新型作进一步描述，从而本实用新型的有益效果将进一步明确。

本实用新型鉴于球面阵具有自聚焦的能力，利用球面阵上的部分随机阵元发射聚焦波束，余下阵元作聚焦接收，这样，不仅能够从双程波束响应上降低旁瓣级，提高成像的对比度，而且二维球面阵相较于常规的一维线列阵，具有较高的空间分辨力，再结合相控技术，能够直接获得目标物体三维的空间信息和细节特征。

本实用新型主要包括自发研制的球面阵、消声水箱、信号发生模块、功率放大模块、相控发射模块、相控接收模块、前置放大模块、数据采集模块和程控计算机等。信号发生模块的输入端与程控计算的一个输出端连接，信号发生模块的输出端与功率放大模块的输入端连接，功率放大模块的输出端与相控发射模块的一个输入端连接，相控发射模块的另一个输入端与程控计算的另一个输出端连接，相控发射模块的输出端与球面阵的输入端连接；所述球面阵设置在消声水箱内，且水下目标位于球面阵的聚焦点；球面阵的输出端与相控接收模块的一个输入端连接，相控接收模块的另一个输入端与程控计算的再一个输出端连接，相控接收模块的输出端与前置放大模块的输入端连接，前置放大模块的输出端与数据采集模块的输入端连接，数据采集模块输出端与程控计算的输入端连接。

本实用新型为了能够重建水下目标的三维图像，获得较为全面的目标特征信息，利用二维面阵结合相控技术对其波束进行处理和优化，控制聚焦波束对整个三维空间进行扫描成像。由于球面阵具有自聚焦的能力，能够优化波束性能，进一步提高检测的空间分辨力，设计了61阵元的球面阵列。鉴于利用阵元的不等间距排列能够控制波束旁瓣和栅瓣，在使用球面阵对水下目标进行检测成像时，随机挑选部分阵元作聚焦发射，部分阵元作聚焦接收，实现自发自收功能，同时达到了随机阵的效果，在单程波束响应上尽可能的抑制旁瓣的产生。对于上述能够自发自收的球面阵而言，依据电声互易原理和指向性乘法定理，将发射波束响应与接收波束响应相乘，使得两者旁瓣部分相互抵消，从而在总体系统的双程波束响应上进一步降低旁瓣，增强波束的尖锐性，提高成像质量。为了利用上述聚焦波束对水下目标进行成像，设计出成像检测系统，结合上位机中的数据处理软件和相关算法，提取来自目标的散射回波信号中的基频波幅值，对被测目标的多维信息进行成像显示。

实施例：

如图1(a)、(b)所示，设计了一种61阵元的球面阵，球面阵由一个曲率半径D为150mm的刚性球冠体和若干个直径d为16mm，厚度为1.5mm 的平面圆形压电陶瓷小阵元组成，其孔径L为160mm。由于阵元的密集分布(需要使相邻环之间的间隔以及同环内相邻阵元的间距尽可能小)，以及阵元的不等间距排列能够降低旁瓣，在球冠体的中央单独放置了一个阵元，其余阵元紧密排布于圆心同轴(Z轴)的不等半径的4层圆环上，由内向外，依次排布6、12、18和24个阵元。这种排布方式在一定程度上保证了阵元之间的不规则性，不仅能够减小旁瓣，而且能够保证最高的阵元利用效率。

如图2所示为水下目标成像检测系统，该系统主要包括信号发生模块、功率放大模块、前置放大模块、数据采集模块、基于FPGA的超声相控发射与接收模块、程控计算机、大小为1m×2m的消声水箱以及图1(a)所示的球面阵。将球面阵装载在消声水箱中上，考虑随机阵能够增强波束的尖锐性，有效抑制旁瓣，随机挑选球面阵中32个阵元作为发射，依据所要聚焦的位置，由程控计算机先设定好相控发射模块中对应发射阵元的时延值，再控制信号发生模块产生20个正弦填充脉冲信号，经过功率放大模块和相控发射模块后，实现聚焦发射，驱动上述32个随机阵元共同辐射声波；将球面阵中余下的阵元作为接收，同样由程控计算机先设定好相控接收模块中对应接收阵元的时延值，再利用余下的阵元聚焦接收，接收来自聚焦位置点的散射回波信号，该接收信号经过前置放大模块被适当滤波和放大后，被数据采集模块所采集输入到程控计算机中，而后通过数据处理软件和相关算法，取接收到的回波信号中的稳态部分中5个周期的波形数据，如图3所示，对其进行 FFT处理，提取出基频波幅值。利用相控系统控制球面阵的聚焦波束在三维空间中扫描，从而测量来自目标物体各点的散射声场，计算出每个测量点对应的基频波幅值，进而重构出目标物体的多维图像。

下面以一实例进行说明，本实用新型中利用球面阵进行水下目标声成像的有益效果将被进一步表现出来：以内径4.1mm，外径5.5mm的环状笔芯作为水下被测目标，随机挑选球面阵中32个阵元作为聚焦发射，余下阵元作为聚焦接收，利用相控系统，控制聚焦波束在笔芯的前端面进行弓字型的二维扫描，扫描的平面大小为10mm×10mm，步长为0.2mm，相应的波束特性如图4所示，通过对比单程聚焦发射波束响应和总体双程波束响应，发现利用球面阵的自发自收波束间的旁瓣抵消作用，能够在总体双程波束上降低旁瓣级，减小主瓣宽度，提高成像的对比度和分辨力，进而提高成像的质量。通过计算扫描的二维平面上各个点的回波信号中5个稳态波的基频波幅值，并对幅值进行归一化处理，用于成像输出，结果如图5所示。为了评价重建图像的效果，取重构图像中最大幅值下降6dB的等高线与实际笔芯前端面的轮廓作对比，结果如图6所示，发现吻合度较高，成像质量较好。

Claims (3)

1.基于球面阵的水下目标声成像装置，包括信号发生模块、功率放大模块、相控发射模块、相控接收模块、前置放大模块、数据采集模块、球面阵、消声水箱和程控计算，其特征在于：

信号发生模块的输入端与程控计算的一个输出端连接，信号发生模块的输出端与功率放大模块的输入端连接，功率放大模块的输出端与相控发射模块的一个输入端连接，相控发射模块的另一个输入端与程控计算的另一个输出端连接，相控发射模块的输出端与球面阵的输入端连接；所述球面阵设置在消声水箱内，且水下目标位于球面阵的聚焦点；球面阵的输出端与相控接收模块的一个输入端连接，相控接收模块的另一个输入端与程控计算的再一个输出端连接，相控接收模块的输出端与前置放大模块的输入端连接，前置放大模块的输出端与数据采集模块的输入端连接，数据采集模块输出端与程控计算的输入端连接；

所述的球面阵具有61个阵元，其中的32个阵元作为发射阵元，其余阵元作为接收阵元；所述的相控发射模块、相控接收模块构成相控系统，所述的相控系统控制球面阵的聚焦波束在三维空间中扫描。

2.根据权利要求1所述的基于球面阵的水下目标声成像装置，其特征在于：所述的球面阵由1个曲率半径为150mm的刚性球冠体和61个直径为16mm，厚度为1.5mm的平面圆形压电陶瓷阵元组成，球面阵的孔径为160mm。

3.根据权利要求2所述的基于球面阵的水下目标声成像装置，其特征在于：在刚性球冠体的中央单独放置了1个阵元，其余阵元紧密排布于圆心同轴的不等半径的4层圆环上，由内向外，依次排布6、12、18和24个阵元。