[發明專利]一種水下亞波長分辨率三維成像方法

有效

• 申請號: 201210455257.7
• 申請日: 2012-11-08
• 公開（公告）號: CN102928844A
• 公開（公告）日: 2013-02-13
• 發明（設計）人: 韓建寧;溫廷敦;許麗萍;李永紅;沈軼聞;張弛;楊鵬;韓露
• 申請（專利權）人: 中北大學
• 主分類號: G01S15/89
• 分類號: G01S15/89
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種水下亞波長分辨率三維成像方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)聲信號發射：單片機控制電路啟動高頻脈沖發射電路產生超聲脈沖，通過MEMS電聲換能單元對準水下目標發射聲波，同時記錄發射時間并存儲在數據存儲器RAM中；

(2)聲透鏡波束形成：發射的聲波遇到水下目標，在目標表面產生反射聲波，反射聲波通過由聲子晶體聲透鏡，形成波束，并在聲透鏡焦點位置聚焦；

(3)聲信號接收、調理：水聲傳感器在焦點位置接收聲透鏡聚焦的水聲信號，將其轉變為電信號，信號調理電路對該電信號進行放大、濾波，再利用轉換器將處理后的模擬信號轉換為數字信號，同時計算和記錄反射聲波到達時間并存儲在數據存儲器RAM中；

(4)圖像處理及顯示：根據聲透鏡的成像規律得到的二維數據，使用發射和接收的時間得到的距離數據，結合水聲傳感器的接收的電信號即可得到三維水聲數據；將三維水聲圖像數據進行圖像增強、圖像分割，最后使用開源可視化程序庫VTK，實現目標三維成像。

2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于：聲信號發射主要由MEMS換能器及單片機控制、存儲電路組成，實現聲信號發射的參數控制及時間記錄；聲波發射前，單片機控制電路啟動高頻脈沖發射電路產生超聲脈沖，對準水下目標進行聲波發射，控制電路同時記錄發射時間t₁，并把t₁的值準確的記錄在數據存儲器RAM中；聲波發射模塊的MEMS換能器有很好的指向性，參數可根據實際需要調整，可以在控制電路的作用下工作。

3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于：聲透鏡波束形成：主要由聲子晶體組成聲透鏡，接收水下目標發射的聲波，進行聚焦并形成波束；按照聲透鏡成像模型擬定好水下目標在接收陣列中的成像位置，聲波在水中傳播，當遇到水下目標時反射聲波，反射的水聲信號由聲子晶體構成的聲透鏡形成波束，并在焦點位置聚焦。

4.根據權利要求3所述的方法，其特征在于：聲透鏡由聲子晶體組成，聲子晶體的材料是包覆軟性的硅橡膠的鉛球，直徑約為1cm，以簡單立方體晶格結構排列在環氧樹脂基體中構成。

5.根據權利要求3所述的方法，其特征在于：聲透鏡成像模型是根據負折射規律而建立的，并可以根據此規律擬定好水下目標在接收陣列中的成像位置，該位置是成像圖像的二維坐標。

6.根據權利要求1所述所述的方法，其特征在于：聲信號接收和調理主要由基于介觀壓阻理論的新型水聲傳感器和信號調理、存儲電路組成，在聲透鏡焦點位置放置聲信號接收陣列，接收陣列可以實時接收、準確記錄水聲成像的三維數據；水聲傳感器在焦點位置接收發射的水聲信號，通過單片機控制電路和計數電路，計算出反射時間t₂，并存儲在數據存儲器RAM中，同時水聲傳感器將微弱的水聲信號轉變為電信號，電信號的值即是反射聲波的能量(幅值)記為E，按照聲子晶體成像模型，即可獲得成像區域的二維坐標，結合聲波的在水中游歷時間T(t₂-t₁)，即可獲得水下目標的三維數據。

7.根據權利要求6所述的方法，其特征在于：水聲傳感器由介觀壓阻效應的理論設計，有良好水聲響應特性；水聲傳感器將微弱的水聲信號轉變為電信號，電信號的值即是反射聲波的能量(幅值)記為E，該值對應的是水聲圖像的灰度值。

8.根據權利要求6所述的方法，其特征在于：陣列由水聲傳感器陣列組成，水聲陣列的大小關系到成像圖像的大小，陣列的間距反映成像圖像的分辨率，該陣列由1024個水聲傳感器組成。

9.根據權利要求1所述的方法，其特征在于：水聲圖像的三維數據為E＝f(x，y，z)，其中(x，y)由聲透鏡成像模型得到，(z)由水中的游歷時間T決定，E為目標圖像的灰度值。

10.根據權利要求1所述所述的方法，其特征在于：圖像處理及顯示模塊可以把接收到的三維水聲數據進行水聲圖像增強、圖像分割，最終實現水下目標的三維顯示；將得到的三維水聲數據首先進行基于小波和模糊理論的圖像增強方法，再采用三維自適應區域生長算法進行圖像分割，使用光線投射算法有效的將處理后體數據表達，最后使用開源可視化程序庫VTK，實現了水下監測目標的三維顯示。