[發(fā)明專利]一種基于脈沖對發(fā)射的目標(biāo)聲成像及測速方法與系統(tǒng)

有效

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• 申請日: 2019-07-17
• 公開（公告）號: CN110456362B
• 公開（公告）日: 2021-07-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李朝暉;崔健
• 申請（專利權(quán)）人: 北京大學(xué)
• 主分類號: G01S15/89
• 分類號: G01S15/89;G01S15/58
• 代理公司: 北京君尚知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11200
• 代理人: 俞達(dá)成

本發(fā)明提供一種基于脈沖對發(fā)射的目標(biāo)聲成像及測速方法與系統(tǒng)，本方法包括：將信號發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖對信號，經(jīng)過功率放大器施加在發(fā)射換能器上，向媒質(zhì)中輻射聲波；通過接收換能器陣列所有陣元接收輻射聲波在媒質(zhì)中目標(biāo)散射形成的回波信號，并將所有陣元接收通道的信號經(jīng)多通道信號采集轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；各接收通道數(shù)字信號經(jīng)數(shù)字信號處理器進(jìn)行延時(shí)疊加處理，完成對所有掃描波束的計(jì)算，得到波束形成；根據(jù)波束形成結(jié)果，得到目標(biāo)所在體像素的徑向速度估計(jì)，并提取波束的時(shí)域信號包絡(luò)，完成對所有掃描波束的計(jì)算，得到掃描聲圖像。本發(fā)明可以在實(shí)現(xiàn)聲成像的同時(shí)，對所有包含點(diǎn)狀目標(biāo)的像素進(jìn)行速度估計(jì)，獲得介質(zhì)中所有目標(biāo)的徑向速度估計(jì)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于信號處理方法技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及到一種基于脈沖對發(fā)射的目標(biāo)聲成像及測速方法與系統(tǒng)。

背景技術(shù)

媒質(zhì)空間場景中目標(biāo)的圖像與運(yùn)動信息(速度或多普勒頻移)是實(shí)現(xiàn)目標(biāo)探測、定位、分類識別的重要特征參量，在聲吶與雷達(dá)領(lǐng)域都有對目標(biāo)成像與測速的現(xiàn)實(shí)需求。例如雷達(dá)對空中目標(biāo)如飛機(jī)、導(dǎo)彈的探測與分類，聲吶對于水下目標(biāo)如潛艇、魚類、生物的探測與分類，都需要盡可能地獲取目標(biāo)的高分辨率圖像與速度信息。

現(xiàn)有成像與測速雷達(dá)或聲吶通常是功能獨(dú)立的，即測速雷達(dá)或聲吶只能在一個或幾個獨(dú)立的波束上對有限個目標(biāo)實(shí)現(xiàn)測速，不能對三維空間視場中的所有目標(biāo)同時(shí)進(jìn)行高分辨率的觀察；而現(xiàn)有的成像雷達(dá)或聲吶只能實(shí)現(xiàn)對靜態(tài)目標(biāo)的高分辨成像，無法同時(shí)完成對目標(biāo)的測速。

目前，對特定媒質(zhì)(如水、金屬材料、生物組織)空間中目標(biāo)的高分辨率觀察可以通過聲成像技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，高分辨率聲成像在醫(yī)學(xué)、無損檢測與水下聲吶等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。

典型的聲成像系統(tǒng)一般由信號發(fā)生器、功率放大器、發(fā)射換能器或換能器陣列、接收換能器陣列、多通道信號接收調(diào)理及數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理(波束形成)和成像結(jié)果顯示等部分組成。

傳統(tǒng)聲成像的基本原理是：由信號發(fā)生器產(chǎn)生一個電脈沖信號，經(jīng)功率放大器之后由發(fā)射換能器陣列或者單個發(fā)射換能器向介質(zhì)(或媒質(zhì))中發(fā)射一個脈沖聲波p(t)(簡稱聲脈沖)，照射介質(zhì)中被成像區(qū)域，該電脈沖信號可以是時(shí)域上的窄脈沖，也可以是時(shí)域編碼脈沖或線性調(diào)頻脈沖信號；接收換能器陣列部分或全體陣元接收介質(zhì)中粒子的散射回波聲信號(簡稱回波)，并經(jīng)由多通道數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，利用專用數(shù)字信號處理器(或計(jì)算機(jī)、或硬件如ASIC、FPGA)進(jìn)行數(shù)字波束形成或者數(shù)字聚焦，重構(gòu)聲圖像。所述的發(fā)射換能器可以是單個換能器，也可以是換能器陣列；而接收換能器則采用換能器陣列。上述的發(fā)射與接收換能器陣列一般共用同一陣列；既可以是一維(1-D)線陣，通過在一維方向上掃描實(shí)現(xiàn)二維(2-D)成像，也可以是二維(2-D)面陣，通過在二維方向上掃描實(shí)現(xiàn)三維(3-D)成像。由于傳統(tǒng)的聲成像采用發(fā)射單個聲脈沖的技術(shù)方案，因此也可稱為脈沖回波成像方法。

但傳統(tǒng)的聲成像技術(shù)只能對靜態(tài)場景進(jìn)行掃描，形成靜態(tài)的聲圖像，無法獲得空間中運(yùn)動目標(biāo)的速度，即無法反映目標(biāo)的動態(tài)信息，從而限制了其應(yīng)用范圍。

發(fā)明內(nèi)容

針對傳統(tǒng)的聲成像技術(shù)只能獲得場景中目標(biāo)靜態(tài)的聲圖像，無法獲得運(yùn)動目標(biāo)的速度信息的不足，本發(fā)明提出一種基于脈沖對發(fā)射的目標(biāo)聲成像及測速方法與系統(tǒng)，可以在完成聲成像的同時(shí)，獲得聲圖像中目標(biāo)的徑向速度估計(jì)。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種基于脈沖對發(fā)射的目標(biāo)聲成像及測速方法，包括：

1)將信號發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖對信號，經(jīng)過功率放大器施加在發(fā)射換能器上，向媒質(zhì)中輻射聲波；

2)通過接收換能器陣列所有陣元接收輻射聲波在媒質(zhì)中目標(biāo)散射形成的回波信號，并將所有陣元接收通道的信號經(jīng)多通道信號采集轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；

3)各接收通道數(shù)字信號經(jīng)數(shù)字信號處理器進(jìn)行延時(shí)疊加處理，完成對所有掃描波束的計(jì)算，得到波束形成；