一種多頻率發(fā)射波束形成方法及應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及三維聲學成像領(lǐng)域，尤其涉及一種多頻率發(fā)射波束形成方法及應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 水下實時三維聲學成像技術(shù)是近幾年受到廣泛關(guān)注的一種新型水下探測技術(shù)，其 在海上工程建設(shè)、海底地形測繪、水下設(shè)施檢查、水下考古、重大海洋工程和軍事工程防護 等眾多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
[0003]目前主要的三種三維聲學成像方法是：聚焦聲學成像/聲透鏡聚焦成像、波束形 成聲學成像和全息聲學成像。其中，數(shù)字波束形成技術(shù)具有靈活、高效等優(yōu)勢，因此在聲學 成像系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。
[0004] 在水下實時三維聲學成像系統(tǒng)中，為獲得場景的三維信息，通常需要一個二維平 面換能器陣列用于接收聲納回波信號，并基于該信號進行波束形成計算，構(gòu)建三維聲學圖 像。而二維平面接收陣的使用，通常伴隨著龐大的陣元數(shù)量，從而導致了以下兩個制約水下 三維聲學成像技術(shù)發(fā)展的難題：1)硬件系統(tǒng)復雜，二維平面換能器陣列龐大的陣元數(shù)量導 致與其相關(guān)的信號濾波、放大、采樣以及數(shù)字信號處理等硬件電路規(guī)模巨大；2)計算量龐 大，同時形成數(shù)以萬計個波束強度信號的波束形成算法計算量需求過高。
[0005] 為了克服上述難題，一部分學者采用稀疏陣列和波束形成算法優(yōu)化的方式來降低 系統(tǒng)硬件復雜度以及算法計算量。而另一部分學者利用發(fā)射和接收過程共同的波束形成作 用，以多個線陣代替平面接收陣，從而達到了降低陣列維度，減少陣元數(shù)量的目的。其中最 典型的應(yīng)用即十字型陣列（Mill's cross)。然而，十字型陣列在進行三維聲學圖像的構(gòu)建 時，需要根據(jù)垂直波束方向?qū)τ^測場景進行依次掃描，這導致其成像時間過長，圖像更新幀 率過低。因此，傳統(tǒng)十字型陣列只適用于一些近場或無實時性需求的場景。
[0006] 在十字型陣列的傳統(tǒng)應(yīng)用中，為了構(gòu)建整個觀測場景的三維聲學圖像，發(fā)射陣列 需要向所有垂直波束方向發(fā)射扇形波束信號，并且每次發(fā)射都需等待聲納回波從最遠探測 距離返回。因此，十字型陣列需要相當長的時間掃描整個觀測場景，其生成一楨三維聲學圖 像所需時間正比于發(fā)射次數(shù)（垂直波束方向數(shù)Q)和最遠探測距離（Rmax)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明提供了一種多頻率發(fā)射波束形成方法，應(yīng)用于十字型陣列波束形成。該方 法針對水下三維聲學成像系統(tǒng)硬件開銷和計算量龐大，以及十字型陣列的實時性不足難 題，以減小十字型陣列的發(fā)射次數(shù)為出發(fā)點，有效地將十字型陣列的發(fā)射次數(shù)從垂直波束 方向數(shù)減小到劃分的扇面數(shù)，大幅縮短了構(gòu)建一幀三維聲學圖像所需的時間，在一定程度 上解決了十字型陣列實時性不足的問題，并且能夠獲得與二維平面接收陣列DM算法相近 的波束性能指標（主瓣寬度、旁瓣峰值），同時大幅降低計算量需求。
[0008] 本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下：
[0009] -種多頻率發(fā)射波束形成方法，包括步驟：
[0010] (1)將十字型陣列中發(fā)射陣列的波束方向分割為多個扇面，在每個扇面里依次發(fā) 射一系列不同頻率的扇形聲納波束信號，每個頻率的扇形聲納波束信號指向?qū)?yīng)扇面內(nèi)的 一個波束方向；
[0011] (2)每個扇面內(nèi)所有頻率的扇形聲納波束信號發(fā)射結(jié)束后，利用十字型陣列中的 接收陣列接收聲納回波信號，通過離散傅里葉變換抽取各扇面內(nèi)所有扇形聲納波束信號對 應(yīng)的頻率信息，并在頻率信息對應(yīng)的頻域內(nèi)進行波束形成計算，得到相應(yīng)數(shù)量的波束強度 結(jié)果。
[0012] 本發(fā)明中，十字型陣列的水平方向的接收陣列包含M個陣元，垂直方向的發(fā)射陣 列包含N個陣元，接收陣和發(fā)射陣的陣元間距分別為dr和dt。垂直發(fā)射波束方向數(shù)為Q， 多頻率發(fā)射波束形成方法將預(yù)設(shè)的垂直波束方向分割為K個扇面，在每個扇面內(nèi)，依次向 預(yù)設(shè)的J個垂直波束方向（Q = KXJ)發(fā)射不同頻率的扇形聲納波束信號，每個頻率的信號 對應(yīng)一個垂直波束方向。發(fā)射聲納波束信號頻率采用遞增形式，遞增頻率為Af。在接收過 程中，當發(fā)射扇面內(nèi)所有頻率的聲納波束信號發(fā)射結(jié)束后，接收陣列收到聲納回波信號，通 過離散傅里葉變換（discrete fourier transform, DFT)運算，同時抽取回波中J個發(fā)射聲 納波束信號對應(yīng)的頻率信息，并行地在J個頻域上進行波束形成計算，生成PX J個波束強 度結(jié)果。完成一個扇面的發(fā)射和接收過程后，對其余扇面進行類似的處理。當所有扇面完 成上述操作后，則可得到完整的PXQ個方向的波束強度結(jié)果。
[0013] 優(yōu)選的，每個扇面內(nèi)，依次向不同的波束方向發(fā)射脈沖寬度為τ的扇形聲納波束 信號，發(fā)射扇形聲納波束信號的時域表達式為：
[0017] θ n (f j> β q) =2^fj* (η-1) dt · sin β Jc
[0018] 式中：snMFT(t)為時域函數(shù)，A為信號幅值，θ n(f]，β q)是相位偏移參數(shù)，dt為發(fā)射 陣元間距，^f2，…A為各扇形聲納波束信號的頻率，β q為垂直波束方向角，垂直波束索引 號q是關(guān)于劃分扇面數(shù)ks和頻率索引j的函數(shù)，k s= 1，2,…，K，j = 1，2,…，J，η為發(fā)射 陣元索引號，J為波束方向的個數(shù)，c為聲納在水下傳播速度。
[0019] 優(yōu)選的，各扇形聲納波束信號的號頻率按照Af的步進頻率遞增，即 A f，為保證在波束形成計算中能夠抽取完整的頻率信息，步進頻率Af和脈沖寬度τ之間 應(yīng)滿足1/ Δ f彡τ。
[0020] 優(yōu)選的，發(fā)射陣列的波束方向圖表示為：
[0022]其中：
[0025] 式中：N為發(fā)射陣列的陣元個數(shù)，L為DFT運算點數(shù)，1為其索引號，fs為采樣頻率， k,為頻率f ,的線譜號。
[0026] 優(yōu)選的，接收陣列的波束方向圖表達式為：
[0031] 式中：M為接收陣列的陣元個數(shù)，k,為頻率f,的線譜號，Sjk,)是回波信號采樣數(shù) 據(jù)S ni(I)的L點離散傅里葉變換，0n(f]，αρ)是接收陣列的相位偏移參數(shù)，dr為接收陣元 間距，α ρ為水平波束方向角。
[0032] 本發(fā)明還提供了一種三維聲學圖像的重建方法，利用上述多頻率發(fā)射波束形成方 法得到波束強度結(jié)果（X，y，z，i)，其中i為波束強度值，（X，y，ζ)為波束強度結(jié)果對應(yīng)的三 維空間坐標，采用距離值z'對發(fā)射時延進行補償，并采用補償后的三維空間坐標（X，y，z'） 進行重建，得到正確的實時三維聲學圖像；
[0033] 所述補償?shù)木嚯x值ζ'為：
[0035] 式中，q為各頻率信號的時延值，τ為脈沖寬度，q為波束方向索引號，ks為劃分 扇面序號，j為信號頻率索引。
[0036] 本發(fā)明提出的應(yīng)用于十字型陣列的多頻率發(fā)射波束形成方法，大幅縮短了其構(gòu)建 一幀三維聲學圖像所需的時間，提高了十字型陣列的實時性，以（M+N)的陣元數(shù)量，獲得與 二維平面接收陣列（MXN)相似的波束性能，有效地降低實時三維聲學成像系統(tǒng)的硬件復 雜度。此外，與現(xiàn)有二維平面接收陣列波束形成算法相比，計算量需求降低3個數(shù)量級。
【附圖說明】
[0037] 圖1為本發(fā)明十字型陣列結(jié)構(gòu)圖；
[0038] 圖2為本發(fā)明十字型陣列波束能量分布圖；
[0039] 圖3為本發(fā)明多頻率發(fā)射波束形成方法流程示意圖；
[0040] 圖4為本發(fā)明發(fā)射脈沖信號時域圖；
[0041] 圖5為本發(fā)明十字型陣列波束方向角定義圖。
【具體實施方式】
[0042] 為了更詳細地描述本發(fā)明，下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明的方法做詳細 描述。
[0043] 如圖1所示，十字型陣列是由兩條相互垂直的線型陣列組成。其中，水平方向的接 收陣列包含M個陣元，垂直方向的發(fā)射陣列包含N個陣元，接收陣和發(fā)射陣的陣元間距分別 為dr和dt。十字型陣列處于xOy平面，以接收陣列和發(fā)射陣列交匯處作為坐標原點。
[0044] 十字型陣列具有和二維平面陣列相同的三維聲學成像能力，其主要原因是十字型 陣列利用發(fā)射和接收陣列分別在垂直和水平方向上進行波束形成，通過其共同作用，實現(xiàn) 三維聲學圖像的構(gòu)建。在相同的聲納信號頻率以及陣列孔徑條件下，相比于二維平面陣列 (MXN個陣元），十字型陣列能夠以M+N個陣元獲得與其相同的角度分辨率，因此在陣元數(shù) 量上具有很大的優(yōu)勢。其波束能量分布圖如圖2所示。
[0045] 假設(shè)垂直發(fā)射波束方向數(shù)為Q，水平接收波束方向數(shù)為P，多頻率發(fā)射波束形成方 法的具體流程是：首先，將預(yù)設(shè)的垂直波束方向分割為K個扇面，在每個扇面內(nèi)，發(fā)射換能 器陣列通過各陣元間的相移補償，依次向預(yù)設(shè)的J個垂直波束方向（Q = KXJ)發(fā)射不同頻 率的扇形聲納波束信號，每個頻率的信號對應(yīng)一個垂直波束方向；然后，當該扇面內(nèi)所有頻 率的聲納波束信號發(fā)射結(jié)束后，接收陣列收到聲納回波信號，通過DFT運算，同時抽取回波 中J個發(fā)射聲納波束信號對應(yīng)的頻率信息，并行地在J個頻域上進行波束形成計算，生成 PXJ個波束強度結(jié)果；之后，對其余扇面進行類似的處理。當所有扇面完成上述操作后，則 可得到完整的PXQ個方向的波束強度結(jié)果。多頻率發(fā)射波束形成方法的發(fā)射過程示意圖 如圖3所示。
[0046] 在一個扇面內(nèi)，每個發(fā)射頻率4對應(yīng)一個預(yù)設(shè)的垂直波束方