一种多频率发射波束形成方法及应用

申请号 CN201510625835.0 申请日 2015-09-25 公开(公告)号 CN105259557A 公开(公告)日 2016-01-20
申请人 浙江大学; 发明人 周凡; 沈斌坚; 刘雪松; 蒋荣欣; 陈耀武;
摘要 本 发明 公开了一种多 频率 发射波束形成方法,包括:(1)将十字型阵列中发射阵列的波束方向分割为多个扇面,在每个扇面里依次发射一系列不同频率的扇形声纳波束 信号 ,每个频率的扇形声纳波束信号指向对应扇面内的一个波束方向;(2)每个扇面内所有频率的扇形声纳波束信号发射结束后,利用十字型阵列中的接收阵列接收声纳回波信号,通过离散傅里叶变换 抽取 各扇面内所有扇形声纳波束信号对应的频率信息,并在频率信息对应的频域内进行波束形成计算,得到波束强度结果。本发明能降低十字型阵列的发射时间,获得与二维平面接收阵列相近的波束性能,降低 水 下实时三维声学成像系统的复杂度。本发明还公开上述方法在三维声学图像重建时的应用。
权利要求

1.一种多频率发射波束形成方法,其特征在于,包括步骤:
(1)将十字型阵列中发射阵列的波束方向分割为多个扇面,在每个扇面内依次发射一系列不同频率的扇形声纳波束信号,每个频率的扇形声纳波束信号指向对应扇面内的一个波束方向;
(2)每个扇面内所有频率的扇形声纳波束信号发射结束后,利用十字型阵列中的接收阵列接收声纳回波信号,通过离散傅里叶变换抽取各扇面内所有扇形声纳波束信号对应的频率信息,并在频率信息对应的频域内进行波束形成计算,得到波束强度结果。
2.如权利要求1所述的多频率发射波束形成方法,其特征在于,每个扇面内,依次向不同的波束方向发射脉冲宽度为τ的扇形声纳波束信号,发射扇形声纳波束信号的时域表达式为:
其中,
θn(fj,βq)=2πfj·(n-1)dt·sinβq/c
式中:snMFT(t)为时域函数,A为信号幅值,θn(fj,βq)是相位偏移参数,dt为发射阵元间距,f1,f2,…fJ为各扇形声纳波束信号的频率,βq为垂直波束方向,垂直波束索引号q是关于划分扇面数kS和频率索引j的函数,kS=1,2,…,K,j=1,2,…,J,n为发射阵元索引号,J为波束方向的个数,c为声纳在下传播速度。
3.如权利要求2所述的多频率发射波束形成方法,其特征在于,各扇形声纳波束信号的号频率按照Δf的步进频率递增,即fj+1-fj=Δf,步进频率Δf和脉冲宽度τ之间应满足1/Δf≤τ。
4.如权利要求3所述的多频率发射波束形成方法,其特征在于,发射阵列的波束方向图表示为:
其中:
式中:N为发射阵列的阵元个数,L为DFT运算点数,l为其索引号,fs为采样频率,kj为频率fj的线谱号。
5.如权利要求4所述的多频率发射波束形成方法,其特征在于,接收阵列的波束方向图表达式为:
其中:
式中:M为接收阵列的阵元个数,kj为频率fj的线谱号,Sm(kj)是回波信号采样数据sm(l)的L点离散傅里叶变换,θm(fj,αp)是接收阵列的相位偏移参数,dr为接收阵元间距,αp为水平波束方向角。
6.一种三维声学图像的重建方法,其特征在于,利用权利要求1~5任一项所述的多频率发射波束形成方法得到波束强度结果(x,y,z,i),其中i为波束强度值,(x,y,z)为波束强度结果对应的三维空间坐标,采用距离值z’对发射时延进行补偿,并采用补偿后的三维空间坐标(x,y,z’)进行重建,得到正确的实时三维声学图像;
所述补偿的距离值z’为:
式中,Γj为各频率信号的时延值,τ为脉冲宽度,q为波束方向索引号,kS为划分扇面序号,j为信号频率索引。

说明书全文

一种多频率发射波束形成方法及应用

技术领域

[0001] 本发明涉及三维声学成像领域,尤其涉及一种多频率发射波束形成方法及应用。

背景技术

[0002] 下实时三维声学成像技术是近几年受到广泛关注的一种新型水下探测技术,其在海上工程建设、海底地形测绘、水下设施检查、水下考古、重大海洋工程和军事工程防护等众多领域具有广泛的应用前景。
[0003] 目前主要的三种三维声学成像方法是:聚焦声学成像/声透镜聚焦成像、波束形成声学成像和全息声学成像。其中,数字波束形成技术具有灵活、高效等优势,因此在声学成像系统中得到越来越广泛的应用。
[0004] 在水下实时三维声学成像系统中,为获得场景的三维信息,通常需要一个二维平面换能器阵列用于接收声纳回波信号,并基于该信号进行波束形成计算,构建三维声学图像。而二维平面接收阵的使用,通常伴随着庞大的阵元数量,从而导致了以下两个制约水下三维声学成像技术发展的难题:1)硬件系统复杂,二维平面换能器阵列庞大的阵元数量导致与其相关的信号滤波、放大、采样以及数字信号处理等硬件电路规模巨大;2)计算量庞大,同时形成数以万计个波束强度信号的波束形成算法计算量需求过高。
[0005] 为了克服上述难题,一部分学者采用稀疏阵列和波束形成算法优化的方式来降低系统硬件复杂度以及算法计算量。而另一部分学者利用发射和接收过程共同的波束形成作用,以多个线阵代替平面接收阵,从而达到了降低阵列维度,减少阵元数量的目的。其中最典型的应用即十字型阵列(Mill’s cross)。然而,十字型阵列在进行三维声学图像的构建时,需要根据垂直波束方向对观测场景进行依次扫描,这导致其成像时间过长,图像更新率过低。因此,传统十字型阵列只适用于一些近场或无实时性需求的场景。
[0006] 在十字型阵列的传统应用中,为了构建整个观测场景的三维声学图像,发射阵列需要向所有垂直波束方向发射扇形波束信号,并且每次发射都需等待声纳回波从最远探测距离返回。因此,十字型阵列需要相当长的时间扫描整个观测场景,其生成一桢三维声学图像所需时间正比于发射次数(垂直波束方向数Q)和最远探测距离(Rmax)。

发明内容

[0007] 本发明提供了一种多频率发射波束形成方法,应用于十字型阵列波束形成。该方法针对水下三维声学成像系统硬件开销和计算量庞大,以及十字型阵列的实时性不足难题,以减小十字型阵列的发射次数为出发点,有效地将十字型阵列的发射次数从垂直波束方向数减小到划分的扇面数,大幅缩短了构建一帧三维声学图像所需的时间,在一定程度上解决了十字型阵列实时性不足的问题,并且能够获得与二维平面接收阵列DM算法相近的波束性能指标(主瓣宽度、旁瓣峰值),同时大幅降低计算量需求。
[0008] 本发明的具体技术方案如下:
[0009] 一种多频率发射波束形成方法,包括步骤:
[0010] (1)将十字型阵列中发射阵列的波束方向分割为多个扇面,在每个扇面里依次发射一系列不同频率的扇形声纳波束信号,每个频率的扇形声纳波束信号指向对应扇面内的一个波束方向;
[0011] (2)每个扇面内所有频率的扇形声纳波束信号发射结束后,利用十字型阵列中的接收阵列接收声纳回波信号,通过离散傅里叶变换抽取各扇面内所有扇形声纳波束信号对应的频率信息,并在频率信息对应的频域内进行波束形成计算,得到相应数量的波束强度结果。
[0012] 本发明中,十字型阵列的水平方向的接收阵列包含M个阵元,垂直方向的发射阵列包含N个阵元,接收阵和发射阵的阵元间距分别为dr和dt。垂直发射波束方向数为Q,多频率发射波束形成方法将预设的垂直波束方向分割为K个扇面,在每个扇面内,依次向预设的J个垂直波束方向(Q=K×J)发射不同频率的扇形声纳波束信号,每个频率的信号对应一个垂直波束方向。发射声纳波束信号频率采用递增形式,递增频率为Δf。在接收过程中,当发射扇面内所有频率的声纳波束信号发射结束后,接收阵列收到声纳回波信号,通过离散傅里叶变换(discrete fourier transform,DFT)运算,同时抽取回波中J个发射声纳波束信号对应的频率信息,并行地在J个频域上进行波束形成计算,生成P×J个波束强度结果。完成一个扇面的发射和接收过程后,对其余扇面进行类似的处理。当所有扇面完成上述操作后,则可得到完整的P×Q个方向的波束强度结果。
[0013] 优选的,每个扇面内,依次向不同的波束方向发射脉冲宽度为τ的扇形声纳波束信号,发射扇形声纳波束信号的时域表达式为:
[0014]
[0015] 其中,
[0016]
[0017] θn(fj,βq)=2πfj·(n-1)dt·sinβq/c
[0018] 式中:snMFT(t)为时域函数,A为信号幅值,θn(fj,βq)是相位偏移参数,dt为发射阵元间距,f1,f2,…fJ为各扇形声纳波束信号的频率,βq为垂直波束方向,垂直波束索引号q是关于划分扇面数kS和频率索引j的函数,kS=1,2,…,K,j=1,2,…,J,n为发射阵元索引号,J为波束方向的个数,c为声纳在水下传播速度。
[0019] 优选的,各扇形声纳波束信号的号频率按照Δf的步进频率递增,即fj+1-fj=Δf,为保证在波束形成计算中能够抽取完整的频率信息,步进频率Δf和脉冲宽度τ之间应满足1/Δf≤τ。
[0020] 优选的,发射阵列的波束方向图表示为:
[0021]
[0022] 其中:
[0023]
[0024]
[0025] 式中:N为发射阵列的阵元个数,L为DFT运算点数,l为其索引号,fs为采样频率,kj为频率fj的线谱号。
[0026] 优选的,接收阵列的波束方向图表达式为:
[0027]
[0028] 其中:
[0029]
[0030]
[0031] 式中:M为接收阵列的阵元个数,kj为频率fj的线谱号,Sm(kj)是回波信号采样数据sm(l)的L点离散傅里叶变换,θm(fj,αp)是接收阵列的相位偏移参数,dr为接收阵元间距,αp为水平波束方向角。
[0032] 本发明还提供了一种三维声学图像的重建方法,利用上述多频率发射波束形成方法得到波束强度结果(x,y,z,i),其中i为波束强度值,(x,y,z)为波束强度结果对应的三维空间坐标,采用距离值z’对发射时延进行补偿,并采用补偿后的三维空间坐标(x,y,z’)进行重建,得到正确的实时三维声学图像;
[0033] 所述补偿的距离值z’为:
[0034]
[0035] 式中,Γj为各频率信号的时延值,τ为脉冲宽度,q为波束方向索引号,kS为划分扇面序号,j为信号频率索引。
[0036] 本发明提出的应用于十字型阵列的多频率发射波束形成方法,大幅缩短了其构建一帧三维声学图像所需的时间,提高了十字型阵列的实时性,以(M+N)的阵元数量,获得与二维平面接收阵列(M×N)相似的波束性能,有效地降低实时三维声学成像系统的硬件复杂度。此外,与现有二维平面接收阵列波束形成算法相比,计算量需求降低3个数量级。附图说明
[0037] 图1为本发明十字型阵列结构图;
[0038] 图2为本发明十字型阵列波束能量分布图;
[0039] 图3为本发明多频率发射波束形成方法流程示意图;
[0040] 图4为本发明发射脉冲信号时域图;
[0041] 图5为本发明十字型阵列波束方向角定义图。

具体实施方式

[0042] 为了更详细地描述本发明,下面结合附图和具体实施方式对本发明的方法做详细描述。
[0043] 如图1所示,十字型阵列是由两条相互垂直的线型阵列组成。其中,水平方向的接收阵列包含M个阵元,垂直方向的发射阵列包含N个阵元,接收阵和发射阵的阵元间距分别为dr和dt。十字型阵列处于xOy平面,以接收阵列和发射阵列交汇处作为坐标原点。
[0044] 十字型阵列具有和二维平面阵列相同的三维声学成像能,其主要原因是十字型阵列利用发射和接收阵列分别在垂直和水平方向上进行波束形成,通过其共同作用,实现三维声学图像的构建。在相同的声纳信号频率以及阵列孔径条件下,相比于二维平面阵列(M×N个阵元),十字型阵列能够以M+N个阵元获得与其相同的角度分辨率,因此在阵元数量上具有很大的优势。其波束能量分布图如图2所示。
[0045] 假设垂直发射波束方向数为Q,水平接收波束方向数为P,多频率发射波束形成方法的具体流程是:首先,将预设的垂直波束方向分割为K个扇面,在每个扇面内,发射换能器阵列通过各阵元间的相移补偿,依次向预设的J个垂直波束方向(Q=K×J)发射不同频率的扇形声纳波束信号,每个频率的信号对应一个垂直波束方向;然后,当该扇面内所有频率的声纳波束信号发射结束后,接收阵列收到声纳回波信号,通过DFT运算,同时抽取回波中J个发射声纳波束信号对应的频率信息,并行地在J个频域上进行波束形成计算,生成P×J个波束强度结果;之后,对其余扇面进行类似的处理。当所有扇面完成上述操作后,则可得到完整的P×Q个方向的波束强度结果。多频率发射波束形成方法的发射过程示意图如图3所示。
[0046] 在一个扇面内,每个发射频率fj对应一个预设的垂直波束方向,发射阵列按照顺序依次向J个方向发射脉冲宽度为τ的扇形声纳波束信号,则发射脉冲信号的时域图如图4所示。
[0047] 由此可知,发射声纳波束信号的时域表达式如下:
[0048]
[0049] 其中:
[0050]
[0051] 式中,A为信号幅值,θn(fj,βq)是相位偏移参数,可表示为:
[0052] θn(fj,βq)=2πfj·(n-1)dt·sinβq/c
[0053] 垂直发射波束方向索引q是关于划分扇面序号kS和信号频率索引j的函数,三者之间关系如下:
[0054] q(kS,j)=(kS-1)J+j
[0055] 此外,相邻发射信号频率按照Δf的步进频率递增,即:
[0056] fj+1-fj=Δf
[0057] 为保证在接收波束形成中DFT运算能够抽取完整的频率信息,步进频率Δf和脉冲宽度τ之间应满足如下约束:
[0058] 1/Δf≤τ
[0059] 由上述表达式可知,多频率发射波束形成方法中,发射声纳信号及参数均是关于频率fj的函数。因此,发射阵列的波束方向图可表示为:
[0060]
[0061] 式中,Sn(kj)是声纳波束信号采样结果sn(l,fj,βq)的L点DFT变换,其表达式如下所示:
[0062]
[0063] 其中,kj为频率fj的线谱号,若采样频率为fs,则kj可由下式表示:
[0064]
[0065] 当该扇面内所有频率的声纳波束信号发射结束后,接收阵列收到声纳回波信号,通过DFT运算,同时抽取回波中J个发射声纳波束信号对应的频率信息,并行地在J个频域上进行波束形成计算,生成P×J个波束强度结果,其波束方向图表达式如下所示:
[0066]
[0067] 式中,Sm(kj)是回波信号采样数据sm(l)的L点DFT变换,θm(fj,αp)是接收阵列的相位偏移参数,可表示如下:
[0068]
[0069]
[0070] 由上述发射和接收波束形成过程可知,不同于二维平面接收阵列,十字型阵列的波束方向角(αp,βq)基于发射和接收线型阵列独立定义,如图5所示。
[0071] 因此,采用多频率发射波束形成方法的十字型阵列关于波束方向角(αp,βq)的整体波束方向图如下所示:
[0072] |B(fj,αp,βq)|=|BReMFT(fj,αp)|·|BTrMFT(fj,βq)|
[0073] 其中,fj与βq的满足垂直发射波束方向索引q、划分扇面序号kS和信号频率索引j三者之间的关系。
[0074] 多频率发射波束形成方法通过扇面划分和多频率信号的顺序发射,以及对回波信号的并行处理,有效地将十字型阵列的发射次数从垂直波束方向数Q减小到划分扇面数K,将构建一桢三维声学图像需要的时间从(2Rmax×Q/c)降低到(2Rmax×K/c),大幅缩短了十字型阵列扫描观测场景的时间,使其在一定范围内能够进行实时三维声学成像。
[0075] 此外,多频率发射波束形成方法中,由于发射时不同频率的信号按顺序依次发射,因此相邻频率的声纳波束信号在传播时存在长度为脉冲宽度τ的时延。为消除发射声纳波束信号的时延,通常需要在波束形成计算中对其进行补偿,但这样会增加系统的性能开销和存储空间。因此,本发明提出一种后处理方式,对发射声纳波束信号进行时延补偿。
[0076] 为构建三维声学图像,需要知道波束强度结果对应的三维空间坐标(x,y,z)。其中,(x,y)与波束方向角(αp,βq)存在对应关系,z代表距离信息,其与声纳信号在水中的传播时间t的关系如下所示:
[0077]
[0078] 而信号的时延反应到空间上则代表信号在水中传播的距离差。因此,时延可以转换成距离信息,补偿在对应的z值上。若以每个扇面中第一个频率的发射信号为参考,则各频率信号的时延值Γj可表示为:
[0079] Γj=(j-1)τ
[0080] 根据波束强度结果的坐标y,可得到对应的波束方向索引号q,由垂直发射波束方向索引q、划分扇面序号kS和信号频率索引j三者之间的关系可知,经过补偿的新距离值z’为:
[0081]
[0082] 由上述分析可知,当主控PC接收到水下信号处理系统计算的波束强度结果(x,y,z,i)后(其中i为波束强度值),可根据其中的坐标信息换算新的距离值z’,对发射时延进行补偿,随后按照新的三维空间坐标(x,y,z’)进行重建,即可得到正确的实时三维声学图像。采用上述后处理方式在主控PC端进行时延补偿,不仅可以得到目标准确的三维坐标信息,也不会增加系统的性能开销和存储空间。若不进行时延补偿,在最终的三维声学图像中,笔直的目标将会显示为被分割成K段(划分扇面数)的倾斜物体。
[0083] 本发明针对水下三维声学成像系统硬件开销和计算量庞大,以及十字型阵列的实时性不足难题,以减小十字型阵列的发射次数为出发点,将十字型阵列的发射次数从垂直波束方向数减小到划分的扇面数,大幅缩短了构建一帧三维声学图像所需的时间,提高了十字型阵列的实时性。采用阵元数量为(M+N)的十字型阵列,获得了与阵元数量为(M×N)的二维平面接收阵列相近的波束性能指标(主瓣宽度、旁瓣峰值),大幅降低了三维声学成像系统的硬件复杂度,并将波束形成算法的计算量需求降低了3个数量级,解决了制约实时三维声学成像系统发展的两个难题。此外,本发明还提出了一种基于时延补偿的三维声学图像重建方法,避免了系统的性能开销和存储空间的增加。
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