本發(fā)明涉及水下聲學(xué)成像應(yīng)用領(lǐng)域，特別涉及一種水下多維聲學(xué)成像系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

光波在水中傳播損失較大，聲波在水中的傳播損失較小，因此，聲學(xué)設(shè)備在水下探查應(yīng)用范圍非常廣?，F(xiàn)有的水下聲學(xué)成像系統(tǒng)主要有兩類(lèi)，一類(lèi)是獲取水下場(chǎng)景的二維圖像，如側(cè)掃聲吶、前視多波束聲吶等；一類(lèi)是獲取水下場(chǎng)景的三維圖像，如下視多波束聲吶、測(cè)深側(cè)掃聲吶等。上述兩類(lèi)系統(tǒng)完成的均是單一的二維圖像或單一的三位圖像，而無(wú)法在同一個(gè)系統(tǒng)中同時(shí)完成二維和三位成像，致使上述兩類(lèi)系統(tǒng)的掃測(cè)效率比較低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述背景技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種水下多維聲學(xué)成像系統(tǒng)和方法，以達(dá)到使其同時(shí)獲取水下二維圖像和三維圖像，提高掃測(cè)效率的目的。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種水下多維聲學(xué)成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用二維陣列實(shí)孔徑處理和二維陣列的虛擬孔徑處理完成二維或三維的水下成像，其包括

若干接收子陣組成的二維接收基陣陣列，若干所述接收子陣的尺度、相位和性能均保持一致；

單發(fā)射陣或多發(fā)射陣組成的發(fā)射基陣陣列；

多維聲學(xué)成像發(fā)射機(jī)，用于驅(qū)動(dòng)所述發(fā)射基陣陣列發(fā)射水下聲信號(hào)；

多維聲學(xué)成像接收機(jī)，用于對(duì)所述二維接收基陣陣列各接收子陣接收到的聲信號(hào)進(jìn)行放大、濾波，同時(shí)將模擬聲信號(hào)數(shù)字化；

成像處理模塊，用于對(duì)接收到的聲信號(hào)進(jìn)行處理，完成水下場(chǎng)景的二維或三維成像；

控制中心，分別與所述多維聲學(xué)成像發(fā)射機(jī)和多維聲學(xué)成像接收機(jī)相連接；

若干所述接收子陣與單發(fā)射陣或多發(fā)射陣的中點(diǎn)位置為等效相位中心，形成一個(gè)收發(fā)合置的聲納基陣虛擬陣列。

優(yōu)選的，若干所述接收子陣以均勻二維網(wǎng)格或非均勻二維網(wǎng)格的方式排列。

優(yōu)選的，所述成像處理模塊采用數(shù)字信號(hào)處理芯片、通用處理器或FPGA。

一種水下多維聲學(xué)成像方法，包括以下步驟：

1)在發(fā)射機(jī)中設(shè)定系統(tǒng)參數(shù)，系統(tǒng)參數(shù)包括發(fā)射信號(hào)中心頻率、信號(hào)帶寬、信號(hào)形式、脈沖寬度、脈沖重復(fù)周期、最小采樣距離、采樣率、采樣點(diǎn)數(shù)、發(fā)射陣寬度、接收子陣個(gè)數(shù)、接收子陣位置、接收子陣寬度，發(fā)射信號(hào)采用CW脈沖、LFM脈沖的信號(hào)形式，采用p(t)表示發(fā)射信號(hào)的表達(dá)式，發(fā)射陣的位置用位置矢量表示；

2)獲取二維陣列各子陣單屏原始回波數(shù)據(jù)，第n屏第i個(gè)接收子陣的第m個(gè)原始回波數(shù)據(jù)點(diǎn)表示為s_n,i(m)，第i個(gè)子陣的位置用位置矢量來(lái)表示，第j個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的位置用位置矢量來(lái)表示；

其中，

其中C為聲速

t為時(shí)間，t＝mΔt，Δt為采樣間隔

3)對(duì)第n屏回波數(shù)據(jù)s_n,i(t)進(jìn)行預(yù)處理，根據(jù)信號(hào)形式不同，進(jìn)行不同的預(yù)處理，其處理步驟如下：

31)對(duì)信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換

$s_{n,i}\left(t\right)=\mathrm{\Σ}p(t-\frac{r_{ij}}{C})\⇒S_{n,i}\left(\mathrm{\ω}\right)=P\left(\mathrm{\ω}\right)\mathrm{\Σ}\exp (-{\mathrm{jkr}}_{ij})$

其中，為波數(shù)，ω為角頻率，C為聲速

32)對(duì)信號(hào)進(jìn)行匹配處理

$E_{n,i}\left(\mathrm{\ω}\right)=S_{n,i}\left(\mathrm{\ω}\right)=P^{*}\left(\mathrm{\ω}\right)=|P\left(\mathrm{\ω}\right){|}^2\mathrm{\Σ}\exp (-j\frac{\mathrm{\ω}}{C}{r}_{ij})$

33)對(duì)信號(hào)進(jìn)行逆傅里葉變換

e_n,i(t)＝IFFT[E_n,i(ω)]

其中IFFT表示逆傅里葉變換操作

根據(jù)信號(hào)形式的變化，對(duì)信號(hào)預(yù)處理方式進(jìn)行調(diào)整，預(yù)處理的形式包括解調(diào)、包絡(luò)處理、脈沖壓縮、匹配濾波，預(yù)處理形式的變化，不影響其后續(xù)的處理；

4)對(duì)第n屏預(yù)處理數(shù)據(jù)e_n,i(m)進(jìn)行成像處理，計(jì)算水下三維圖像；

設(shè)定水下三維圖像的某一像素點(diǎn)pj的坐標(biāo)為則該像素點(diǎn)pj的成圖步驟如下：

41)對(duì)任意接收基陣陣列子陣i，計(jì)算該接收基陣陣列子陣對(duì)應(yīng)的pj像素點(diǎn)的回波為e_n,i(t_pij)，其中

$t_{pij}=\frac{r_{pij}}{C}$

則pj像素點(diǎn)的像素值為：

$I_p\left(j\right)=\underset{i}{\Σ}{e}_{n,i}\left(t_{pij}\right)$

重復(fù)上述步驟計(jì)算出空間中所有像素的像素值，完成空間三維成像；

根據(jù)pj像素點(diǎn)的地理坐標(biāo)及像素值，重構(gòu)空間三維圖像，重構(gòu)后的三維圖像為：

I_p(x_pj,y_pj,z_pj)＝I_p(j)

對(duì)坐標(biāo)系進(jìn)行泛化，不影響上述處理步驟的有效性，最后得到空間三維圖像I_p(x,y,z)，其中x,y,z為空間地理坐標(biāo)；

5)計(jì)算水下二維圖像

由于空間中的聲線遮擋效應(yīng)，以及空間中目標(biāo)有限等特點(diǎn)，步驟4)中計(jì)算的三維圖像中有大量信息冗余，為了降低信息冗余，或者為了便于顯示，需要對(duì)空間三維圖像進(jìn)行優(yōu)化，并計(jì)算水下二維圖像，優(yōu)化過(guò)程如下：

51)確定空間目標(biāo)位置及水下二維投影面

為了便于描述，不影響通用性，選取原點(diǎn)O，一般選取發(fā)射基陣的幾何中心點(diǎn)原點(diǎn)，選取水下平面或曲面的二維投影面，發(fā)射基陣至目標(biāo)點(diǎn)的方向矢量沿該方向矢量進(jìn)行搜索，以距離描述搜索進(jìn)程，選擇圖像像素最大值的位置處的為目標(biāo)點(diǎn)的位置，設(shè)定該位置的距離為則目標(biāo)點(diǎn)的空間位置矢量為：

重復(fù)上述過(guò)程，可確定所有目標(biāo)的空間位置，由所有目標(biāo)的空間位置組成水下二維投影曲面，由于為空間離散點(diǎn)，且被限制在空間某一曲面上，將其泛化表示后，可形成空間曲面上的水下二維圖像I(x,y,z)；

6)通過(guò)虛擬孔徑技術(shù)提高成像分辨率

通過(guò)虛擬孔徑技術(shù)，充分利用同一目標(biāo)點(diǎn)多角度回波的信息，可以大幅提高成像信噪比和成像分辨率，為了達(dá)到此目的，需要將步驟41)中形成的三維圖像進(jìn)行疊加，提高成像分辨率和信噪比；

為了便于描述，將步驟41)中的三維圖像重新采用I_n(x,y,z)來(lái)表示，虛擬孔徑成像的過(guò)程如下所列：

61)計(jì)算虛擬孔徑陣元的位置范圍

對(duì)位置矢量為的空間像素點(diǎn)而言，假定發(fā)射陣發(fā)射聲波的開(kāi)角為θ，則符合下述條件的位置均為虛擬孔徑陣元的有效位置，

β＜θ/2，其中：

為第n屏發(fā)射陣元的位置矢量

其中表示聲納基陣陣面法線矢量。

acos表示cos的逆函數(shù)

假定滿足上述條件額虛擬陣元的屏索引集合為Ψ

62)計(jì)算孔徑合成三維圖像

$I_s(x,y,z)=\underset{n\∈\mathrm{\Ψ}}{\Σ}{I}_n(x,y,z).$

通過(guò)上述技術(shù)方案，本發(fā)明提供的水下多維聲學(xué)成像系統(tǒng)和方法，以水下二維接收基陣陣列為基礎(chǔ)，綜合采用實(shí)孔徑技術(shù)和孔徑合成技術(shù)，可同時(shí)獲取水下二維和三維圖像，并且可以大幅提高水下探測(cè)效率；實(shí)孔徑技術(shù)適用于航速較快的情況，孔徑合成技術(shù)適用于航速較低的情況，高速航行時(shí)，采用實(shí)孔徑技術(shù)完成快速掃測(cè)，便于快速確定疑似目標(biāo)；低速航行時(shí)，采用虛擬孔徑技術(shù)完成高精度掃測(cè)，便于對(duì)目標(biāo)進(jìn)行確認(rèn)和識(shí)別；采用同一個(gè)系統(tǒng)，兼容多種作業(yè)模式，大幅提高了系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性，同時(shí)也大幅提高了成像的分辨率。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例所公開(kāi)的一種水下多維聲學(xué)成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例所公開(kāi)的一種水下多維聲學(xué)成像方法的流程圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。

本發(fā)明提供的一種水下多維聲學(xué)成像系統(tǒng)，如圖1所示，該系統(tǒng)采用二維陣列實(shí)孔徑處理和二維陣列的虛擬孔徑處理完成二維或三維的水下成像，其包括

若干接收子陣組成的二維接收基陣陣列，若干接收子陣的尺度、相位和性能均保持一致；避免因?yàn)楦鱾€(gè)接收子陣的性能不一致對(duì)成像結(jié)果造成影響，特別是要保證多個(gè)接收子陣的相位一致性；如果多個(gè)接收子陣的相位一致性存在差異，應(yīng)當(dāng)通過(guò)適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行標(biāo)定并在數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行補(bǔ)償；若干接收子陣以均勻二維網(wǎng)格或非均勻二維網(wǎng)格的方式排列；

單發(fā)射陣或多發(fā)射陣組成的發(fā)射基陣陣列；

多維聲學(xué)成像發(fā)射機(jī)，用于驅(qū)動(dòng)發(fā)射基陣陣列發(fā)射水下聲信號(hào)；水下聲信號(hào)的形式可以根據(jù)系統(tǒng)要求設(shè)定，在本實(shí)施例子中采用線性調(diào)頻信號(hào)；

多維聲學(xué)成像接收機(jī)，用于對(duì)二維接收基陣陣列各接收子陣接收到的聲信號(hào)進(jìn)行放大、濾波，同時(shí)將模擬聲信號(hào)數(shù)字化；

成像處理模塊，用于對(duì)接收到的聲信號(hào)進(jìn)行處理，完成水下場(chǎng)景的二維或三維成像；成像處理模塊采用數(shù)字信號(hào)處理芯片、通用處理器或FPGA；

控制中心，分別與多維聲學(xué)成像發(fā)射機(jī)和多維聲學(xué)成像接收機(jī)相連接；

若干接收子陣與單發(fā)射陣或多發(fā)射陣的中點(diǎn)位置為等效相位中心，形成一個(gè)收發(fā)合置的聲納基陣虛擬陣列。

一種水下多維聲學(xué)成像方法，如圖2所示，以600kHz多維水下聲學(xué)成像系統(tǒng)為例進(jìn)行說(shuō)明，包括以下步驟：

1)在發(fā)射機(jī)中設(shè)定系統(tǒng)參數(shù)，系統(tǒng)參數(shù)包括發(fā)射信號(hào)中心頻率600kHz、信號(hào)帶寬60kHz、信號(hào)形式為線性調(diào)頻信號(hào)、脈沖寬度為dur、脈沖重復(fù)周期為prt、最小采樣距離為r_min、采樣率為f_s、采樣點(diǎn)數(shù)為NR、發(fā)射陣寬度為D_T、發(fā)射陣開(kāi)角為θ_T、基陣陣列接收子陣個(gè)數(shù)N個(gè)、接收子陣位置、接收子陣寬度為D_R，接收陣可以以任意順序編號(hào)，發(fā)射信號(hào)采用CW脈沖、LFM脈沖的信號(hào)形式，采用p(t)表示發(fā)射信號(hào)的表達(dá)式，發(fā)射陣的位置用位置矢量表示；

2)獲取二維陣列各子陣單屏原始回波數(shù)據(jù)，第n屏第i個(gè)接收子陣的第m個(gè)原始回波數(shù)據(jù)點(diǎn)表示為s_n,i(m)，第i個(gè)子陣的位置用位置矢量來(lái)表示，第j個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的位置用位置矢量來(lái)表示；

其中，

其中C為聲速

t為時(shí)間，t＝mΔt，Δt為采樣間隔

3)對(duì)第n屏回波數(shù)據(jù)s_n,i(t)進(jìn)行預(yù)處理，根據(jù)信號(hào)形式不同，進(jìn)行不同的預(yù)處理，其處理步驟如下：

31)對(duì)信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換

$s_{n,i}\left(t\right)=\mathrm{\Σ}p(t-\frac{r_{ij}}{C})\⇒S_{n,i}\left(\mathrm{\ω}\right)=P\left(\mathrm{\ω}\right)\mathrm{\Σ}\exp (-{\mathrm{jkr}}_{ij})$

其中，為波數(shù)，ω為角頻率，C為聲速

32)對(duì)信號(hào)進(jìn)行匹配處理

$E_{n,i}\left(\mathrm{\ω}\right)=S_{n,i}\left(\mathrm{\ω}\right)=P^{*}\left(\mathrm{\ω}\right)=|P\left(\mathrm{\ω}\right){|}^2\mathrm{\Σ}\exp (-j\frac{\mathrm{\ω}}{C}{r}_{ij})$

33)對(duì)信號(hào)進(jìn)行逆傅里葉變換

e_n,i(t)＝IFFT[E_n,i(ω)]

其中IFFT表示逆傅里葉變換操作

根據(jù)信號(hào)形式的變化，對(duì)信號(hào)預(yù)處理方式進(jìn)行調(diào)整，預(yù)處理的形式包括解調(diào)、包絡(luò)處理、脈沖壓縮、匹配濾波，預(yù)處理形式的變化，不影響其后續(xù)的處理；

4)對(duì)第n屏預(yù)處理數(shù)據(jù)e_n,i(m)進(jìn)行成像處理，計(jì)算水下三維圖像；

設(shè)定水下三維圖像的某一像素點(diǎn)pj的坐標(biāo)為則該像素點(diǎn)pj的成圖步驟如下：

41)對(duì)任意接收基陣陣列子陣i，計(jì)算該接收基陣陣列子陣對(duì)應(yīng)的pj像素點(diǎn)的回波為e_n,i(t_pij)，其中

$t_{pij}=\frac{r_{pij}}{C}$

則pj像素點(diǎn)的像素值為：

$I_p\left(j\right)=\underset{i}{\Σ}{e}_{n,i}\left(t_{pij}\right)$

重復(fù)上述步驟計(jì)算出空間中所有像素的像素值，完成空間三維成像；

根據(jù)pj像素點(diǎn)的地理坐標(biāo)及像素值，重構(gòu)空間三維圖像，重構(gòu)后的三維圖像為：

I_p(x_pj,y_pj,z_pj)＝I_p(j)

對(duì)坐標(biāo)系進(jìn)行泛化，不影響上述處理步驟的有效性，最后得到空間三維圖像I_p(x,y,z)，其中x,y,z為空間地理坐標(biāo)；

5)計(jì)算水下二維圖像

由于空間中的聲線遮擋效應(yīng)，以及空間中目標(biāo)有限等特點(diǎn)，步驟4)中計(jì)算的三維圖像中有大量信息冗余，為了降低信息冗余，或者為了便于顯示，需要對(duì)空間三維圖像進(jìn)行優(yōu)化，并計(jì)算水下二維圖像，優(yōu)化過(guò)程如下：

51)確定空間目標(biāo)位置及水下二維投影面

為了便于描述，不影響通用性，選取原點(diǎn)O，一般選取發(fā)射基陣的幾何中心點(diǎn)原點(diǎn)，選取水下平面或曲面的二維投影面，發(fā)射基陣至目標(biāo)點(diǎn)的方向矢量沿該方向矢量進(jìn)行搜索，以距離描述搜索進(jìn)程，選擇圖像像素最大值的位置處的為目標(biāo)點(diǎn)的位置，設(shè)定該位置的距離為則目標(biāo)點(diǎn)的空間位置矢量為：

重復(fù)上述過(guò)程，可確定所有目標(biāo)的空間位置，由所有目標(biāo)的空間位置組成水下二維投影曲面，由于為空間離散點(diǎn)，且被限制在空間某一曲面上，將其泛化表示后，可形成空間曲面上的水下二維圖像I(x,y,z)；

6)通過(guò)虛擬孔徑技術(shù)提高成像分辨率

通過(guò)虛擬孔徑技術(shù)，充分利用同一目標(biāo)點(diǎn)多角度回波的信息，可以大幅提高成像信噪比和成像分辨率，為了達(dá)到此目的，需要將步驟41)中形成的三維圖像進(jìn)行疊加，提高成像分辨率和信噪比；

為了便于描述，將步驟41)中的三維圖像重新采用I_n(x,y,z)來(lái)表示，虛擬孔徑成像的過(guò)程如下所列：

61)計(jì)算虛擬孔徑陣元的位置范圍

對(duì)位置矢量為的空間像素點(diǎn)而言，假定發(fā)射陣發(fā)射聲波的開(kāi)角為θ，則符合下述條件的位置均為虛擬孔徑陣元的有效位置，

β＜θ/2，其中：

為第n屏發(fā)射陣的位置矢量

為發(fā)射陣法線矢量

acos表示cos的逆函數(shù)

假定滿足上述條件額虛擬陣元的屏索引集合為Ψ

62)計(jì)算孔徑合成三維圖像

$I_s(x,y,z)=\underset{n\∈\mathrm{\Ψ}}{\Σ}{I}_n(x,y,z).$

本發(fā)明公開(kāi)的一種水下多維聲學(xué)成像系統(tǒng)和方法，以水下二維接收基陣陣列為基礎(chǔ)，綜合采用實(shí)孔徑技術(shù)和孔徑合成技術(shù)，可同時(shí)獲取水下二維和三維圖像，并且可以大幅提高水下探測(cè)效率；實(shí)孔徑技術(shù)適用于航速較快的情況，孔徑合成技術(shù)適用于航速較低的情況，高速航行時(shí)，采用實(shí)孔徑技術(shù)完成快速掃測(cè)，便于快速確定疑似目標(biāo)；低速航行時(shí)，采用虛擬孔徑技術(shù)完成高精度掃測(cè)，便于對(duì)目標(biāo)進(jìn)行確認(rèn)和識(shí)別；采用同一個(gè)系統(tǒng)，兼容多種作業(yè)模式，大幅提高了系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性，同時(shí)也大幅提高了成像的分辨率。

對(duì)所公開(kāi)的實(shí)施例的上述說(shuō)明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對(duì)這些實(shí)施例的多種修改對(duì)本領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員來(lái)說(shuō)將是顯而易見(jiàn)的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會(huì)被限制于本文所示的這些實(shí)施例，而是要符合與本文所公開(kāi)的原理和新穎特點(diǎn)相一致的最寬的范圍。