CN111580112B - 基于平面波的水下声呐传感器阵列成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于平面波的水下声呐传感器阵列成像方法，在发射信号时，发射子阵的所有阵元同时受激励产生同频同时长的超声波脉冲信号到目标空域，由目标空域的场景产生反射回波信号，接收子阵的所有阵元同时接收回波，再对接收子阵各个阵元接收的回波进行时延处理，得到回波对应的波束数据，对各个方向上的波束数据采用灰度映射将目标图像的灰度图像显示出来，所设计基阵及其成像方法将小孔径阵列的夫琅禾费衍射区传播特性和大孔径的分辨力相结合，在提高图像熵值的同时能够降低图像伪影。

Description

基于平面波的水下声呐传感器阵列成像方法

技术领域

本发明涉及超声成像技术领域，尤其涉及一种基于平面波的水下声呐传感器阵列成像方法。

背景技术

水面积占地球总面积的百分之七十，水底资源的巨大潜力使其战略地位越来越重要。世界各国都致力于各种水底探测技术的研究，其中水下成像是水下探测的重要前提之一。目前在许多领域，光成像与电磁波成像技术运用较多，技术也相对成熟，但与一般陆地环境相比，水下环境更为复杂。无线电波与光波在水介质中传播时衰减严重，无法长距离传播，故光成像与电磁波成像技术很难在水下得到应用，而声学成像可克服水下环境复杂的问题。由于声波在水下传播时的稳定性更高，适应性更强，因此声学成像在水下成像中优势更大，并且声波在水下传播衰减较少，能够满足水下远距离成像的要求。水下资源开发的需求使得水下声学成像技术飞快发展，当前的许多成像技术的成像效果不够理想，因此研究水下声学成像极具有意义。

声学成像是指将信息通过声波传输，当前各种声学成像设备的工作原理是利用主动声纳发射声波，声波在碰到目标物体后会反射回来回波信号，对接收到的回波信号进行相关处理得到图像。声学成像技术应用范围很广，医学上的B超、CT；军事上的前视声纳、侧扫声纳；民用上的水下沉物探测、工业探伤等都是其具体应用。

随着水下成像技术的发展，越来越多的成像方法被提出，如蒋剑等采用球面阵对水下目标成像，将经延时处理后的回波数据进行FFT变化，提出基频波幅值，对幅值重组获得目标图像；刘德铸通过建立水下波束散射模型实施模拟了水声信号，计算目标物体与成像声呐之间延迟时间与延迟相位，用成像声呐对模拟所得信号进行成像；李宏升等利用投影输出二维正弦光强对水下目标照射，再利用高速高清摄像机采集光照下的水下目标，通过计算机软件对图像处理，可以实现水下静态与动态目标的三维成像以及模式识别。李德来通过超声换能器模块以及超声相控阵控制模块测得目标物尺寸以及距离，根据多普勒成像原理实现虚拟影像的显示。李学龙等利用数字微镜将目标信号进行压缩感知测量，然后对信号采样以及消元，把不同距离回波信号在时序上细分，最后完成图像重构，可实现远距离成像；秦华伟等根据回波亮点模型理论提出了一种针对刚性球以及柔性球声学成像和探测的方法；曾文兵在其硕士论文中针对水下成像***成像速度慢的问题，引入压缩感知技术处理数据，设计了一种优化的压缩感知方法，减少了***采样数并提高了成像质量；韩平丽在其博士论文中提出了一种光学水下偏振成像方法，该方法利用采集到的偏振态正交子图像间的相关性，获得最佳偏振子图像，以此降低噪声，提高了成像质量。上述各个传统方案在一定程度上可以实现相应成像，然而仍然存在图像伪影多和图像熵值不高的问题。

发明内容

针对以上问题，本发明提出一种基于平面波的水下声呐传感器阵列成像方法。

为实现本发明的目的，提供一种基于平面波的水下声呐传感器阵列成像方法，包括如下步骤：

S10，在发射信号时，发射子阵的所有阵元同时受激励产生同频同时长的超声波脉冲信号到目标空域，由目标空域的场景产生反射回波信号，接收子阵中的所有阵元同时接收回波；

S20，对接收子阵中所有阵元接收的回波进行时延处理，得到回波对应的波束数据；

S30，对各个方向的波束数据采用灰度映射将目标图像的灰度图像显示出来。

在一个实施例中，所述发射子阵采用面阵换能器阵列，各阵元发射正弦波信号。

在一个实施例中，所述发射子阵与接收子阵均采用面阵换能器阵列，发射子阵中各阵元发射正弦波信号。

具体地，所述接收子阵包括M×M个阵元，这些阵元分布在平面XOY内；M为正整数。

具体地，所述接收子阵的内部包括一个N×N的子阵，该子阵既参与平面波的发射，又参与平面波的接收；N为小于M的正整数。

在一个实施例中，对接收子阵各个阵元接收的回波进行时延处理的过程包括：

其中，S_DAS(t)为波束数据，s(t)为接收到的回波，N为换能器总数，r/c为信号传播时间，τ_n为第n个换能器的时延。

上述基于平面波的水下声呐传感器阵列成像方法，在发射信号时，发射子阵的所有阵元同时受激励产生同频同时长的超声波脉冲信号到目标空域，由目标空域的场景产生反射回波信号，接收子阵的所有阵元同时接收回波，再对接收子阵各个阵元接收的回波进行时延处理，得到回波对应的波束数据，对各个方向上的波束数据采用灰度映射将目标图像的灰度图像显示出来，所设计基阵及其成像方法将小孔径阵列的夫琅禾费衍射区传播特性和大孔径的分辨力相结合，在提高图像熵值的同时能够降低图像伪影。

附图说明

图1是一个实施例的基于平面波的水下声呐传感器阵列成像方法流程图；

图2是一个实施例的基阵模型图；

图3是另一个实施例中基于平面波的水下声呐传感器阵列成像方法的算法流程图；

图4是一个实施例的延时叠加聚焦示意图；

图5为一个实施例的实验结果仿真图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

水下成像帧率受制于声波在水下的传输速度，通过平面波一次发射并进行成像是一种可靠有效的方法。本申请的主要目的在于提出一种基于平面波发射的水下声呐成像方法。本申请基于收发异置的均匀平面阵列模型，接收阵列与发射阵列中心重叠，发射阵列孔径小于接收阵列，可以共用超声换能器阵元。当发射阵列中所有阵元同时受激励产生同频同时长的超声波脉冲信号，并且声波到达发射阵列的夫琅禾费衍射区时，所有阵元发射的声波将形成一束平面波，这是因为在夫琅禾费衍射区时，阵元间距相对于探测深度来说可以忽略不计。这为提升***图像熵值和降低伪影提供了可能。本申请提供的基于平面波的水下声呐传感器阵列成像方法实现将小孔径阵列的夫琅禾费衍射区传播特性和大孔径的分辨力相结合，在提高图像熵值的同时能够降低图像伪影。

参考图1所示，图1为一个实施例的基于平面波的水下声呐传感器阵列成像方法流程图，包括如下步骤：

S10，在发射信号时，发射子阵的所有阵元同时受激励产生同频同时长的超声波脉冲信号到目标空域，由目标空域的场景产生反射回波信号，接收子阵的所有阵元同时接收回波。

S20，对接收子阵各个阵元接收的回波进行时延处理，得到回波对应的波束数据。

具体地，可以对接收子阵各个阵元接收的回波进行时延处理，得到各个阵元对应的延迟数据，再对各个阵元对应的延迟数据进行叠加，以得到回波对应的波束数据。

在一个实施例中，对接收子阵各个阵元接收的回波进行时延处理的过程包括：

其中，S_DAS(t)为波束数据，s(t)为接收到的回波，N为换能器总数，也为接收子阵所包括的阵元数，r/c为信号传播时间，τ_n为第n个换能器的时延。

本实施例由于不同换能器和目标成像点的位置存在差异，故需要对接收的不同回波信号进行不同时延，此处采用延时叠加聚焦的方式对回波数据进行处理，处理后的回波数据可以在期望方向得到同相增强。延时叠加聚焦原理如下：

式中s(t)为接收到的回波信号，N为换能器总数，r/c为信号传播时间，τ_n为第n个换能器的时延。

S30，对各个方向上的波束数据采用灰度映射将目标图像的灰度图像显示出来。

上述步骤中延时叠加所得输出数据即为波束数据。得到不同方位的波束数据后，计算波束数据的功率作为目标场景灰度图像的参考像素值，再采用灰度映射将目标场景的灰度图像显示出来。

上述基于平面波的水下声呐传感器阵列成像方法，在发射信号时，发射子阵的所有阵元同时受激励产生同频同时长的超声波脉冲信号到目标空域，由目标空域的场景产生反射回波信号，接收子阵的所有阵元同时接收回波，再对接收子阵各个阵元接收的回波进行时延处理，得到回波对应的波束数据，对各个方向的波束数据采用灰度映射将目标图像的灰度图像显示出来，所设计基阵及其成像方法将小孔径阵列的夫琅禾费衍射区传播特性和大孔径的分辨力相结合，在提高图像熵值的同时能够降低图像伪影。

在一个实施例中，所述发射子阵与接收子阵均采用面阵换能器阵列，发射子阵中各阵元发射正弦波信号。

具体地，所述接收子阵包括M×M个阵元，这些阵元分布在平面XOY内；M为正整数。

具体地，所述接收子阵的内部包括一个N×N的子阵，该子阵既参与平面波的发射，又参与平面波的接收；N为小于M的正整数。

本实施例首先可以建立均匀基阵的物理模型。在一个示例中，均匀基阵的物理模型可以参考图2所示，本示例采用面阵换能器阵列，各阵元发射正弦波信号，平面阵列包含M×M个阵元，用圆形表示，这些阵元分布在平面XOY内，在其内部包含一个N×N的子阵，用实心圆表示，该子阵既参与平面波的发射，又参与平面波的接收，空心圆表示只参与接收而不参与发射的阵元。两相邻阵元在X轴向和Y轴向的间距均为d。θ、

分别表示阵列正前方2π立体角内的俯仰角和方位角，取值范围均为[-π/2，π/2]。

在一个实施例中，如图2所示，上述基于平面波的水下声呐传感器阵列成像方法使用收发异置的均匀平面阵列，接收阵列与发射阵列中心重叠，发射阵列孔径小于接收阵列，通过发射子阵发射平面波并由接收子阵接收回波并进行成像，步骤如下：

步骤1：由计算机或微控制器控制超声发射电路去激励超声换能器阵列，发射超声平面波脉冲。

步骤2：超声换能器阵列中所有阵元接收场景所产生的后向散射信号，并将其传输到计算机中。

步骤3：采用延时叠加波束形成对获得的回波数据进行预处理，利用对数压缩使图像显示的更明显，最后根据灰度映射显示出目标物的灰度图像。

如图3所示，上述基于平面波的水下声呐传感器阵列成像方法的算法流程如下：发射阵元发射正弦脉冲信号，所有阵元接收场景所产生的后向散射信号，通过对回波信号进行延时叠加聚焦使得各接收阵元的期望信号同相相加，采用灰度映射的方法显示目标物体的仿真图像。

如图4所示，阵列的长度为2L，接收阵元的坐标用(0,v)表示，c表示声速，p(t)表示原始发射信号把直角坐标换位极坐标表示后，

θ＝arctan(y/x)，由于信号的幅值在成像中并没起到关键作用，此处不考虑信号的衰减，故假设点(x,y)处接收到的信号被完全发射，则经过延时叠加聚焦后的回波信号为：

根据条件

可化简上式得

为了验证子阵所发射超声信号在远场时可以看成平面波，本实施例采用COMSOL中的声学接口仿真水下超声换能器阵列的声束传播特性。仿真实验平台：COMSOLMultiphysics 5.4，仿真参数设置：发射子阵采用3×3个阵元组成的平面阵，发射频率为100KHz，控制阵元间距为

计算阵列前方2π立体角内的总声压场并加以显示。

如图5所示，为了证明该成像方法可以适用于远场几何目标成像，本实施例采用板块元方法模拟对水下几何目标物进行正视成像实验，仿真运行平台：MATLAB R2018a，仿真参数设置：目标物设置为两块15cm×45cm的长方形叠加成的十字架，距离基阵1.5m。本实施例采用接收子阵阵列大小为20×20，中心设置一个3×3的平面波发射子阵阵列。发射波形为正弦调制脉冲，频率为100KHz，一个脉冲内含有八个完整正弦波，采样频率20MHz，水下声速c＝1540m/s。发射阵列将在阵列正前方30°立体角内形成平面波辐射目标物，成像时在空间形成100×100共10000条波束。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

需要说明的是，本申请实施例所涉及的术语“第一\第二\第三”仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，“第一\第二\第三”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序。应该理解“第一\第二\第三”区分的对象在适当情况下可以互换，以使这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

本申请实施例的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或模块的过程、方法、装置、产品或设备没有限定于已列出的步骤或模块，而是可选地还包括没有列出的步骤或模块，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或模块。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (3)

1.一种基于平面波的水下声呐传感器阵列成像方法，其特征在于，包括如下步骤：

S10，在发射信号时，发射子阵的所有阵元同时受激励产生同频同时长的超声波脉冲信号到目标空域，由目标空域的场景产生反射回波信号，接收子阵中的所有阵元同时接收回波；

S20，对接收子阵中所有阵元接收的回波进行时延处理，得到回波对应的波束数据；

S30，对各个方向的波束数据采用灰度映射将目标图像的灰度图像显示出来；

所述接收子阵的内部包括一个N×N的发射子阵，该发射子阵既参与平面波的发射，又参与平面波的接收；N为小于M的正整数；

所述接收子阵包括M×M个阵元，这些阵元分布在平面XOY内；M为正整数。

2.根据权利要求1所述的基于平面波的水下声呐传感器阵列成像方法，其特征在于，所述发射子阵采用面阵换能器阵列，各阵元发射正弦波信号。

3.根据权利要求1或2所述的基于平面波的水下声呐传感器阵列成像方法，其特征在于，对接收子阵各个阵元接收的回波进行时延处理的过程包括：

其中，S_DAS(t)为波束数据，s(t)为接收到的回波，N为换能器总数，r/c为信号传播时间，τ_n为第n个换能器的时延。

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