CN110687538A - 一种基于近场聚焦的超波束形成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于近场聚焦的超波束形成方法，属于声纳信号处理技术领域。接收阵元域数据；计算聚焦环系数；将聚焦环系数应用到超波束形成中；对波束形成处理之后的波束域数据进行成像处理。本发明具有超波束窄主瓣、低旁瓣的优点，可以有效地提高声纳***的检测性能，降低虚警概率，提高目标方位的估计精度；采用分段聚焦超波束形成技术，在近场范围内对相位进行聚焦补偿，弥补了相位失配造成的图像模糊的问题。

Description

一种基于近场聚焦的超波束形成方法

技术领域

本发明涉及声纳信号处理技术领域，特别涉及一种基于近场聚焦的超波束形成方法。

背景技术

高频多波束声纳是目前海洋目标探测的重要仪器，主要应用于海洋中近距离小目标的探测、定位和分类。但是图像声纳在近场工作区，存在着成像模糊等问题，严重影响设备的工作性能。这是因为传统的波束形成方法是以平面波为假设的，没有对近场范围进行聚焦补偿，造成相位失配，波束主瓣将变宽，旁瓣升高，致使方位分辨率下降，造成声纳图像性能的严重恶化。同时传统的常规波束形成主瓣较宽、旁瓣较高，不利于多目标的分辨识别。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于近场聚焦的超波束形成方法，以解决传统波束形成在近场工作区，成像模糊的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于近场聚焦的超波束形成方法，包括：

接收阵元域数据；

计算聚焦环系数；

将聚焦环系数应用到超波束形成中；

对波束形成处理之后的波束域数据进行成像处理。

可选的，计算聚焦环系数包括：

近场条件为

其中，L为基阵的有效阵长，λ为波长，D为近场范围的距离；

声聚焦相移波束形成的相移是按球面波规律计算的，对于空间某一点射出的声波进行声聚焦，能够形成左、右阵声聚焦；

计算聚焦点到达接收阵各基元的声程差或相位差，然后在接收处理时补偿声程差或相位差，补偿后形成对接收点传播过来的信号实现同相叠加，使声基阵聚焦于空间该聚焦点；

左半阵相位差φ_i表达式为：

其中，R₀是聚焦距离，λ为波长，N是基元总数，i是基元序号，d是基元间隔，θ_k是入射角；

在相邻阵元间***相移角ψ_k，则与各阵元对应的输出为：

t是时间，k是波束号，j是虚数单位，ω₀＝2*π*f*t，f是中心频率，φ_ih是相移，ψ_ik是相位补偿，其中-ψ_ik＝φ_ik，则上式改写为：

是相位差，上式为球面波相移补偿角的计算公式；

主动声纳通过发射换能器向水中发射脉冲信号，经目标反射，利用接收回波与发射脉冲信号的时间差来测量距离，往返的传播时间为：

式中，R为目标距离，c为声速；

回波信号经采样后，采样点N与距离的关系为：

f_s是采样率，根据上式计算不同聚焦距离的相位补偿系数的***位置。

可选的，将聚焦环系数应用到超波束形成中包括：

将接收线阵均等分为左、右两个子阵，左、右子阵分别按照基带常规波束形成方法进行波束形成，得到和波束S_L和差波束S_R，则：

和波束S_S＝|S_L|+|S_R|

差波束S_D＝|S_L-S_R|

将和波束与差波束相减，加权计算得到超波束S_H输出为：

式中n为超波束指数，范围为0.3≤n≤1，用以调整输出波束主瓣宽度和旁瓣高度。

可选的，采用近场模型计算波束，进行超波束形成，采用分段聚焦算法，大幅度降低旁瓣的同时，压缩主瓣宽度。

在本发明中提供了一种基于近场聚焦的超波束形成方法，接收阵元域数据；计算聚焦环系数；将聚焦环系数应用到超波束形成中；对波束形成处理之后的波束域数据进行成像处理。

本发明具有以下有益效果：

(1)具有超波束窄主瓣、低旁瓣的优点，可以有效地提高声纳***的检测性能，降低虚警概率，提高目标方位的估计精度；

(2)采用分段聚焦超波束形成技术，在近场范围内对相位进行聚焦补偿，弥补了相位失配造成的图像模糊的问题；

(3)有效提高声纳对空间中不同方位多个目标的分辨能力，在不损失聚焦超波束形成精度的同时，具有快速计算能力，结构简单、易于实现的优点。

附图说明

图1是本发明提供的基于近场聚焦的超波束形成方法流程示意图；

图2是左、右阵声聚焦示意图；

图3是右波束聚焦A点示意图；

图4是超波束形成处理方法示意图；

图5是进行常规波束形成、未聚焦的效果图；

图6是进行超波束形成、近场聚焦的效果图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种基于近场聚焦的超波束形成方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

实施例一

本发明提供了一种基于近场聚焦的超波束形成方法，其流程如图1所示，包括：

接收阵元域数据；

计算聚焦环系数；

将聚焦环系数应用到超波束形成中；

对波束形成处理之后的波束域数据进行成像处理。

具体的，步骤一：接收数据：

接收阵元域数据；

步骤二：计算聚焦环系数：

近场条件为：

其中，L为基阵的有效阵长，λ为波长，D为近场范围的距离。

声聚焦相移波束形成的相移是按球面波规律计算的，对于空间某一点射出的声波进行声聚焦，能够形成左、右阵声聚焦，如图2所示；图2中 N是基元数，o是基阵几何中心，d是基元间隔，Fo是法线，右波束焦距 Ao＝Ro_右，左波束焦距Bo＝Ro_左，Ao与Fo，Bo与Fo夹角为左、右波束指向角，1<i<j<N。

首先计算聚焦点A点(或B点)声波到达接收阵各基元的声程差或相位差，然后在接收处理时补偿这些声程差或相位差，经过补偿后，形成对接收点传播过来的信号实现同相叠加，使声基阵聚焦于空间A点(或B点)。下面介绍球面波相移补偿角计算公式。为了分析简化，以右波束为例，如图3所示。

在图3中，右波束焦距为Ro，利用三角形勾股定理计算Ai、Aj：聚焦点A到基元i、j的距离Ai、Aj，相应声程Ai-Ro，Aj-Ro和左、右半阵相位差φ_i、φ_j。推算结果：φ_i和φ_j表达式是完全一样的，相位差表达式为：

其中，R₀是聚焦距离，λ为波长，N是基元总数，i是基元序号，d是基元间隔，θ_k是入射角；

在相邻阵元间***相移角ψ_k，则与各阵元对应的输出为：

t是时间，k是波束号，j是虚数单位，ω₀＝2*π*f*t，f是中心频率，φ_ih是相移，ψ_ik是相位补偿，其中-ψ_ik＝φ_ik，则上式改写为：

φ_ik是相位差，式(1.4)为球面波相移补偿角的计算公式。

由公式(1.4)可知，近场环境下聚焦波束形成的相位补偿系数是信号入射角θ和声源与阵元中心的距离R的二维函数。对单点聚焦只能保证焦点附件区域的波束性能，其它位置上的目标未得到精确补偿，波束性能将会恶化。因此在距离上，将整个近场区域分成若干段，对每段距离的中点分别进行定焦补偿。分段越多，波束误差越小，聚焦性能越好，而计算量越大，实现越困难。在实际工程中需要考虑计算量和聚焦性能的平衡。

主动声纳通过发射换能器向水中发射脉冲信号，经目标反射，利用接收回波与发射脉冲信号的时间差来测量距离，往返的传播时间为：

式中，R为目标距离，c为声速；

回波信号经采样后，采样点N与距离的关系为：

f_s是采样率，根据公式(1.6)计算不同聚焦距离的相位补偿系数的***位置。

步骤三：聚焦超波束形成：

将步骤二中得到的聚焦环系数应用到下面的超波束形成中。

超波束形成处理方法如图4所示，将接收线阵均等分为左、右两个子阵，左、右子阵分别按照基带常规波束形成方法进行波束形成，得到和波束S_L和差波束S_R，根据超波束算法的定义，

和波束S_S＝|S_L|+|S_R| (1.7)

差波束S_D＝|S_L-S_R| (1.8)

将和波束与差波束相减，加权计算得到超波束S_H输出为：

式中n为超波束指数，范围为0.3≤n≤1，用以调整输出波束主瓣宽度和旁瓣高度。

步骤四：发送数据：

通过上述步骤之后，得到波束形成处理之后的波束域数据，进行成像处理。图5采用远场模型计算波束，进行常规波束形成，未采用聚焦算法，可以看出，较高的旁瓣造成近场成像效果恶化，目标越近，成像效果越差，并且目标距离出现了偏移，定位不准确。图6采用近场模型计算波束，进行超波束形成，采用分段聚焦算法，大幅度降低旁瓣的同时，压缩了主瓣宽度，提高声纳对空间中多个目标的分辨能力，有效地提高***的检测性能，降低虚警概率，并提高目标方位的估计精度，成像效果最优。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于近场聚焦的超波束形成方法，其特征在于，包括：

接收阵元域数据；

计算聚焦环系数；

将聚焦环系数应用到超波束形成中；

对波束形成处理之后的波束域数据进行成像处理。

2.如权利要求1所述的基于近场聚焦的超波束形成方法，其特征在于，计算聚焦环系数包括：

近场条件为

其中，L为基阵的有效阵长，λ为波长，D为近场范围的距离；

声聚焦相移波束形成的相移是按球面波规律计算的，对于空间某一点射出的声波进行声聚焦，能够形成左、右阵声聚焦；

计算聚焦点到达接收阵各基元的声程差或相位差，然后在接收处理时补偿声程差或相位差，补偿后形成对接收点传播过来的信号实现同相叠加，使声基阵聚焦于空间该聚焦点；

左半阵相位差φ_i表达式为：

其中，R₀是聚焦距离，λ为波长，N是基元总数，i是基元序号，d是基元间隔，θ_k是入射角；

在相邻阵元间***相移角ψ_k，则与各阵元对应的输出为：

t是时间，k是波束号，j是虚数单位，ω₀＝2*π*f*t，f是中心频率，φ_ih是相移，ψ_ik是相位补偿，其中-ψ_ik＝φ_ik，则上式改写为：

φ_ik是相位差，上式为球面波相移补偿角的计算公式；

主动声纳通过发射换能器向水中发射脉冲信号，经目标反射，利用接收回波与发射脉冲信号的时间差来测量距离，往返的传播时间为：

式中，R为目标距离，c为声速；

回波信号经采样后，采样点N与距离的关系为：

f_s是采样率，根据上式计算不同聚焦距离的相位补偿系数的***位置。

3.如权利要求1所述的基于近场聚焦的超波束形成方法，其特征在于，将聚焦环系数应用到超波束形成中包括：

将接收线阵均等分为左、右两个子阵，左、右子阵分别按照基带常规波束形成方法进行波束形成，得到和波束S_L和差波束S_R，则：

和波束S_S＝|S_L|+|S_R|

差波束S_D＝|S_L-S_R|

将和波束与差波束相减，加权计算得到超波束S_H输出为：

式中n为超波束指数，范围为0.3≤n≤1，用以调整输出波束主瓣宽度和旁瓣高度。

4.如权利要求3所述的基于近场聚焦的超波束形成方法，其特征在于，采用近场模型计算波束，进行超波束形成，采用分段聚焦算法，大幅度降低旁瓣的同时，压缩主瓣宽度。

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