[發(fā)明專利]一種多頻率發(fā)射波束形成方法及應(yīng)用

在審

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• 申請日: 2015-09-25
• 公開（公告）號: CN105259557A
• 公開（公告）日: 2016-01-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 周凡;沈斌堅(jiān);劉雪松;蔣榮欣;陳耀武
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江大學(xué)
• 主分類號: G01S17/89
• 分類號: G01S17/89;G01S7/483
• 代理公司: 杭州天勤知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 33224
• 代理人: 胡紅娟

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及三維聲學(xué)成像領(lǐng)域，尤其涉及一種多頻率發(fā)射波束形成方法及應(yīng)用。

背景技術(shù)

水下實(shí)時三維聲學(xué)成像技術(shù)是近幾年受到廣泛關(guān)注的一種新型水下探測技術(shù)，其在海上工程建設(shè)、海底地形測繪、水下設(shè)施檢查、水下考古、重大海洋工程和軍事工程防護(hù)等眾多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

目前主要的三種三維聲學(xué)成像方法是：聚焦聲學(xué)成像/聲透鏡聚焦成像、波束形成聲學(xué)成像和全息聲學(xué)成像。其中，數(shù)字波束形成技術(shù)具有靈活、高效等優(yōu)勢，因此在聲學(xué)成像系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。

在水下實(shí)時三維聲學(xué)成像系統(tǒng)中，為獲得場景的三維信息，通常需要一個二維平面換能器陣列用于接收聲納回波信號，并基于該信號進(jìn)行波束形成計(jì)算，構(gòu)建三維聲學(xué)圖像。而二維平面接收陣的使用，通常伴隨著龐大的陣元數(shù)量，從而導(dǎo)致了以下兩個制約水下三維聲學(xué)成像技術(shù)發(fā)展的難題：1)硬件系統(tǒng)復(fù)雜，二維平面換能器陣列龐大的陣元數(shù)量導(dǎo)致與其相關(guān)的信號濾波、放大、采樣以及數(shù)字信號處理等硬件電路規(guī)模巨大；2)計(jì)算量龐大，同時形成數(shù)以萬計(jì)個波束強(qiáng)度信號的波束形成算法計(jì)算量需求過高。

為了克服上述難題，一部分學(xué)者采用稀疏陣列和波束形成算法優(yōu)化的方式來降低系統(tǒng)硬件復(fù)雜度以及算法計(jì)算量。而另一部分學(xué)者利用發(fā)射和接收過程共同的波束形成作用，以多個線陣代替平面接收陣，從而達(dá)到了降低陣列維度，減少陣元數(shù)量的目的。其中最典型的應(yīng)用即十字型陣列(Mill’scross)。然而，十字型陣列在進(jìn)行三維聲學(xué)圖像的構(gòu)建時，需要根據(jù)垂直波束方向?qū)τ^測場景進(jìn)行依次掃描，這導(dǎo)致其成像時間過長，圖像更新幀率過低。因此，傳統(tǒng)十字型陣列只適用于一些近場或無實(shí)時性需求的場景。

在十字型陣列的傳統(tǒng)應(yīng)用中，為了構(gòu)建整個觀測場景的三維聲學(xué)圖像，發(fā)射陣列需要向所有垂直波束方向發(fā)射扇形波束信號，并且每次發(fā)射都需等待聲納回波從最遠(yuǎn)探測距離返回。因此，十字型陣列需要相當(dāng)長的時間掃描整個觀測場景，其生成一楨三維聲學(xué)圖像所需時間正比于發(fā)射次數(shù)(垂直波束方向數(shù)Q)和最遠(yuǎn)探測距離(Rmax)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供了一種多頻率發(fā)射波束形成方法，應(yīng)用于十字型陣列波束形成。該方法針對水下三維聲學(xué)成像系統(tǒng)硬件開銷和計(jì)算量龐大，以及十字型陣列的實(shí)時性不足難題，以減小十字型陣列的發(fā)射次數(shù)為出發(fā)點(diǎn)，有效地將十字型陣列的發(fā)射次數(shù)從垂直波束方向數(shù)減小到劃分的扇面數(shù)，大幅縮短了構(gòu)建一幀三維聲學(xué)圖像所需的時間，在一定程度上解決了十字型陣列實(shí)時性不足的問題，并且能夠獲得與二維平面接收陣列DM算法相近的波束性能指標(biāo)(主瓣寬度、旁瓣峰值)，同時大幅降低計(jì)算量需求。

本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下：

一種多頻率發(fā)射波束形成方法，包括步驟：

(1)將十字型陣列中發(fā)射陣列的波束方向分割為多個扇面，在每個扇面里依次發(fā)射一系列不同頻率的扇形聲納波束信號，每個頻率的扇形聲納波束信號指向?qū)?yīng)扇面內(nèi)的一個波束方向；

(2)每個扇面內(nèi)所有頻率的扇形聲納波束信號發(fā)射結(jié)束后，利用十字型陣列中的接收陣列接收聲納回波信號，通過離散傅里葉變換抽取各扇面內(nèi)所有扇形聲納波束信號對應(yīng)的頻率信息，并在頻率信息對應(yīng)的頻域內(nèi)進(jìn)行波束形成計(jì)算，得到相應(yīng)數(shù)量的波束強(qiáng)度結(jié)果。

本發(fā)明中，十字型陣列的水平方向的接收陣列包含M個陣元，垂直方向的發(fā)射陣列包含N個陣元，接收陣和發(fā)射陣的陣元間距分別為dr和dt。垂直發(fā)射波束方向數(shù)為Q，多頻率發(fā)射波束形成方法將預(yù)設(shè)的垂直波束方向分割為K個扇面，在每個扇面內(nèi)，依次向預(yù)設(shè)的J個垂直波束方向(Q＝K×J)發(fā)射不同頻率的扇形聲納波束信號，每個頻率的信號對應(yīng)一個垂直波束方向。發(fā)射聲納波束信號頻率采用遞增形式，遞增頻率為Δf。在接收過程中，當(dāng)發(fā)射扇面內(nèi)所有頻率的聲納波束信號發(fā)射結(jié)束后，接收陣列收到聲納回波信號，通過離散傅里葉變換(discretefouriertransform,DFT)運(yùn)算，同時抽取回波中J個發(fā)射聲納波束信號對應(yīng)的頻率信息，并行地在J個頻域上進(jìn)行波束形成計(jì)算，生成P×J個波束強(qiáng)度結(jié)果。完成一個扇面的發(fā)射和接收過程后，對其余扇面進(jìn)行類似的處理。當(dāng)所有扇面完成上述操作后，則可得到完整的P×Q個方向的波束強(qiáng)度結(jié)果。

優(yōu)選的，每個扇面內(nèi)，依次向不同的波束方向發(fā)射脈沖寬度為τ的扇形聲納波束信號，發(fā)射扇形聲納波束信號的時域表達(dá)式為：