[發明專利]一種超聲相控陣關聯成像方法

有效

• 申請號: 201910772193.5
• 申請日: 2019-08-21
• 公開（公告）號: CN110441780B
• 公開（公告）日: 2021-09-28
• 發明（設計）人: 任新敏;張欽偉;于永河;顧永建;李文東
• 申請（專利權）人: 中國海洋大學
• 主分類號: G01S15/89
• 分類號: G01S15/89
• 代理公司: 重慶敏創專利代理事務所(普通合伙) 50253
• 代理人: 陳千

本發明提供了一種超聲相控陣關聯成像方法，構建了超聲關聯成像物理模型，利用超聲相控陣產生既具有一定方向性又具有一定空間隨機性的輻射聲場，利用數值計算分析了陣列參數與隨機輻射聲場的關系，最后利用偽逆算法對散射目標進行了關聯重構，以驗證該成像方法的可行性及有效性。本申請的成像方法克服了傳統聲吶成像分辨率受制于瑞利衍射極限的技術問題，以期實現水下環境中遠距離高分辨率的目標成像。

技術領域

本發明涉及聲吶成像技術領域，具體涉及一種超聲相控陣關聯成像方法。

背景技術

目前，水下成像技術是探測水下目標較常用的手段，其分為水下光成像技術和水下聲成像技術。由于水的吸收和散射作用，水下光學成像技術只能近距離探測目標，探測距離極為有限。相比光波，超聲波在水中能量衰減就慢得多，傳輸距離也就更遠。同時，超聲波還具有良好的方向性、能量集中、強反射性等特點。

聲吶探測系統的工作原理是以一定的扇面和一定的俯仰角向某區域輻射聲波。聲波在目標表面發生一定的漫散射，其中一部分信號被聲吶系統接收。聲吶換能器將接收到的回波信號進行相應的補償、濾波等信號處理過程，得到目標場不同位置處聲波幅度，進而實現聲成像。傳統的超聲成像圖，如圖1所示。傳統的側掃聲吶成像和相控陣多波束合成成像依賴實波束逐點掃描探測將目標信息提取出來，其成像過程實質上是將相同的聲波信號輻射到目標上，通過相干層析把目標恢復出來。超聲成像的分辨率主要依賴于陣列孔徑產生的波束半高寬，其角分辨率為θ_-3dB≈0.89λ/L，λ為超聲波波長，L為陣列孔徑長度。

傳統聲吶成像分辨率受制于瑞利衍射極限，如何在水下復雜環境中實現遠距離高分辨率目標成像是現在研究的一大課題。隨著量子信息技術的發展，利用隨機光場的二階關聯函數獲取豐富目標信息的關聯成像受到了研究者青睞。該成像技術具有抗噪聲干擾、超分辨率成像，非局域成像等特點。本申請基于計算關聯成像的思想，將其引入到超聲成像領域中，以突破陣列孔徑限制，實現超分辨率成像。

發明內容

本申請通過提供一種超聲相控陣關聯成像方法，克服了傳統聲吶成像分辨率受制于瑞利衍射極限的問題，以期實現水下環境中遠距離高分辨率的目標成像。

為解決上述技術問題，本申請采用以下技術方案予以實現：

一種超聲相控陣關聯成像方法，包括如下步驟：

S1：陣列聲吶發出超聲波并構造產生具有一定指向性的空間隨機輻射聲場，輻射到探測目標處，產生聲壓為：式中，r_s為聲源s的位置，|r-r_s|為聲源到探測目標的距離，c為聲波傳播速度，t為時間，所述聲壓P(r,t)與所述探測目標相互作用后，產生散射聲場，其散射聲波的聲壓為：p^sca(r,t)＝p(r,t)σ(r)，式中，σ(r)為目標后向散射系數，所述散射聲波經傳播到達聲吶接收處的回波信號聲壓為：式中，s₀代表接收聲吶，r₀為接收聲吶的位置；

S2：通過發射Q次隨機輻射聲場，以獲得Q次樣本，將輻射聲場的Q次樣本與Q次接收到的散射聲場進行一階關聯，得到目標后向散射系數：即為關聯處理的成像結果，其中P*為P的復共軛。