向，發(fā)射陣列按照順 序依次向J個方向發(fā)射脈沖寬度為τ的扇形聲納波束信號，則發(fā)射脈沖信號的時域圖如圖 4所示。
[0047] 由此可知，發(fā)射聲納波束信號的時域表達式如下：
[0051] 式中，A為信號幅值，QJfj, 0q)是相位偏移參數(shù)，可表示為：
[0052] θ n (f j> ^ q) =2^fj* (η-1) dt · sin β Jc
[0053] 垂直發(fā)射波束方向索引q是關(guān)于劃分扇面序號匕和信號頻率索引j的函數(shù)，三者 之間關(guān)系如下：
[0054] q(ks, j) = (ks-l)J+j
[0055] 此外，相鄰發(fā)射信號頻率按照Δ f的步進頻率遞增，BP :
[0056] fj+1-fj= Af
[0057] 為保證在接收波束形成中DFT運算能夠抽取完整的頻率信息，步進頻率Δ f和脈 沖寬度τ之間應(yīng)滿足如下約束：
[0058] 1/Δ f ^ τ
[0059] 由上述表達式可知，多頻率發(fā)射波束形成方法中，發(fā)射聲納信號及參數(shù)均是關(guān)于 頻率f]的函數(shù)。因此，發(fā)射陣列的波束方向圖可表示為：
[0061] 式中，Sn (k)是聲納波束信號采樣結(jié)果Sn (1，fj，β q)的L點DFT變換，其表達式如 下所示：
[0063] 其中，kj為頻率f j的線譜號，若采樣頻率為f s，則Icj可由下式表示：
[0065]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PX J個波束強度結(jié)果，其波束方向圖表達式如下所示：
[0067] 式中，Sjk,)是回波信號采樣數(shù)據(jù)Sni(I)的L點DFT變換，0n(f]，α ρ)是接收陣列 的相位偏移參數(shù)，可表示如下：
[0070] 由上述發(fā)射和接收波束形成過程可知，不同于二維平面接收陣列，十字型陣列的 波束方向角（ap，i3 q)基于發(fā)射和接收線型陣列獨立定義，如圖5所示。
[0071] 因此，采用多頻率發(fā)射波束形成方法的十字型陣列關(guān)于波束方向角（ap，i3 q)的 整體波束方向圖如下所示：
[0072] I B (f j，α P，β q) I - I BReMFT (f j，a p) I · I BTrMFT (f j，β q)
[0073] 其中，&與β q的滿足垂直發(fā)射波束方向索引q、劃分扇面序號kJP信號頻率索引 j三者之間的關(guān)系。
[0074] 多頻率發(fā)射波束形成方法通過扇面劃分和多頻率信號的順序發(fā)射，以及對回波信 號的并行處理，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)Q減小到劃分扇面數(shù)K， 將構(gòu)建一楨三維聲學圖像需要的時間從（2R_XQ/c)降低到（2R_XK/c)，大幅縮短了十字 型陣列掃描觀測場景的時間，使其在一定范圍內(nèi)能夠進行實時三維聲學成像。
[0075] 此外，多頻率發(fā)射波束形成方法中，由于發(fā)射時不同頻率的信號按順序依次發(fā)射， 因此相鄰頻率的聲納波束信號在傳播時存在長度為脈沖寬度τ的時延。為消除發(fā)射聲納 波束信號的時延，通常需要在波束形成計算中對其進行補償，但這樣會增加系統(tǒng)的性能開 銷和存儲空間。因此，本發(fā)明提出一種后處理方式，對發(fā)射聲納波束信號進行時延補償。
[0076] 為構(gòu)建三維聲學圖像，需要知道波束強度結(jié)果對應(yīng)的三維空間坐標（x，y，z)。其 中，（x，y)與波束方向角（ap，i3q)存在對應(yīng)關(guān)系，z代表距離信息，其與聲納信號在水中的 傳播時間t的關(guān)系如下所示：
[0078] 而信號的時延反應(yīng)到空間上則代表信號在水中傳播的距離差。因此，時延可以轉(zhuǎn) 換成距離信息，補償在對應(yīng)的z值上。若以每個扇面中第一個頻率的發(fā)射信號為參考，則各 頻率信號的時延值Γ j可表示為：
[0079] r j= (j-1) τ
[0080] 根據(jù)波束強度結(jié)果的坐標y，可得到對應(yīng)的波束方向索引號q，由垂直發(fā)射波束方 向索引q、劃分扇面序號匕和信號頻率索引j三者之間的關(guān)系可知，經(jīng)過補償?shù)男戮嚯x值z' 為：
[0082] 由上述分析可知，當主控PC接收到水下信號處理系統(tǒng)計算的波束強度結(jié)果 (X，y，z，i)后（其中i為波束強度值），可根據(jù)其中的坐標信息換算新的距離值z'，對發(fā)射 時延進行補償，隨后按照新的三維空間坐標（x，y，z'）進行重建，即可得到正確的實時三維 聲學圖像。采用上述后處理方式在主控PC端進行時延補償，不僅可以得到目標準確的三維 坐標信息，也不會增加系統(tǒng)的性能開銷和存儲空間。若不進行時延補償，在最終的三維聲學 圖像中，筆直的目標將會顯示為被分割成K段（劃分扇面數(shù)）的傾斜物體。
[0083] 本發(fā)明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，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，提高了 十字型陣列的實時性。采用陣元數(shù)量為（M+N)的十字型陣列，獲得了與陣元數(shù)量為（MXN) 的二維平面接收陣列相近的波束性能指標（主瓣寬度、旁瓣峰值），大幅降低了三維聲學成 像系統(tǒng)的硬件復雜度，并將波束形成算法的計算量需求降低了 3個數(shù)量級，解決了制約實 時三維聲學成像系統(tǒng)發(fā)展的兩個難題。此外，本發(fā)明還提出了一種基于時延補償?shù)娜S聲 學圖像重建方法，避免了系統(tǒng)的性能開銷和存儲空間的增加。
【主權(quán)項】
1. 一種多頻率發(fā)射波束形成方法，其特征在于，包括步驟： (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，在每個扇面內(nèi)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； (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，得到波束強度結(jié)果。2. 如權(quán)利要求1所述的多頻率發(fā)射波束形成方法，其特征在于，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：θ n (f j, β q) = 2 π f j · (n-1) dt · sin β q/c 式中：snMFT(t)為時域函數(shù)，A為信號幅值，0n(f]，0q)是相位偏移參數(shù)，dt為發(fā)射陣元 間距，，…A為各扇形聲納波束信號的頻率，βq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)，ks= 1，2，···，Κ，j = 1，2，一，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。3.如權(quán)利要求2所述的多頻率發(fā)射波束形成方法，其特征在于，各扇形聲納波束信號 的號頻率按照Af的步進頻率遞增，即4+1-&=Af，步進頻率Af和脈沖寬度τ之間應(yīng) 滿足1/Δf彡τ。4. 如權(quán)利要求3所述的多頻率發(fā)射波束形成方法，其特征在于，發(fā)射陣列的波束方向 圖表不為：式中：Ν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, 為頻率的線譜號。5. 如權(quán)利要求4所述的多頻率發(fā)射波束形成方法，其特征在于，接收陣列的波束方向 圖表達式為：式中：Μ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)Sni(l)的L點離散傅里葉變換，Θ"(&，αρ)是接收陣列的相位偏移參數(shù)，dr為接收陣元間 距，αρ為水平波束方向角。6. -種三維聲學圖像的重建方法，其特征在于，利用權(quán)利要求1~5任一項所述的多頻 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； 所述補償?shù)木嚯x值ζ'為：式中，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。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種多頻率發(fā)射波束形成方法，包括：(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；(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，得到波束強度結(jié)果。本發(fā)明能降低十字型陣列的發(fā)射時間，獲得與二維平面接收陣列相近的波束性能，降低水下實時三維聲學成像系統(tǒng)的復雜度。本發(fā)明還公開上述方法在三維聲學圖像重建時的應(yīng)用。
【IPC分類】G01S7/483, G01S17/89
【公開號】CN105259557
【申請?zhí)枴緾N201510625835
【發(fā)明人】周凡, 沈斌堅, 劉雪松, 蔣榮欣, 陳耀武
【申請人】浙江大學
【公開日】2016年1月20日
【申請日】2015年9月25日