[發明專利]基于聲學軌道角動量的低頻遠程三維成像方法

在審

• 申請號: 202010944468.1
• 申請日: 2020-09-10
• 公開（公告）號: CN112083431A
• 公開（公告）日: 2020-12-15
• 發明（設計）人: 李勝全;葛錚;曹津舫;夏啟兵
• 申請（專利權）人: 天津水聿方舟海洋工程技術有限公司
• 主分類號: G01S15/89
• 分類號: G01S15/89
• 代理公司: 天津盛理知識產權代理有限公司 12209
• 代理人: 王利文

本發明涉及一種基于聲學軌道角動量的低頻遠程三維成像方法，包括以下步驟：構建聲學軌道角動量超分辨三維成像聲吶；聲學軌道角動量超分辨三維成像聲吶發射圓周向非均勻分布渦旋聲場，并接收遠處目標反射回來的回波信號；分別對俯仰角和方位角進行一次波束形成，得到得到該區域一系列二維的聲吶圖像切片，在距離向合成這一系列切片得到三維聲吶成像；分別對俯仰角和方位角進行二次波束形成，得到超分辨的三維圖像。本發明能夠用較低的探測聲波頻率產生較高的探測精度，同時還能夠提升成像分辨力，克服了探測聲波的頻率越高、在水中衰減也越快導致的探測距離不遠的困難。

技術領域

本發明屬海洋聲學裝備技術領域，涉及一種三維成像聲吶技術,尤其是一種基于聲學軌道角動量的低頻遠程三維成像方法。

背景技術

水下目標高精度三維探測技術在港航安全、水下工程、應急搶險及水下航行器對抗等國防軍事領域有著十分緊迫的應用需求。然而由于電磁波在水體環境中嚴重的傳播衰減，陸地和空中常見的光學和電磁探測技術在水下可用性很低。水下三維聲吶成像技術是近幾年涉海各行業應用最重要的革新之一，可以對水下動態或靜態目標進行多視角、高分辨連續觀測，是各國政府和研究機構密切關注的水下熱點。

實現水下三維成像有兩種技術方法：采用航行機動掃描方法的米爾斯交叉陣多波束測深儀和大規模平面相控陣的三維成像聲吶。目前三維聲吶成像的聲學換能器陣發射大開角聲脈沖信號照射整個水下探測場景，然后利用大型平面換能器陣列接收回波信號，再運用相控技術產生數以萬計的波束強度信號，進而獲得水下三維瞬態空間圖像，因此可以實現對水下動態目標的跟蹤成像。此類三維成像聲吶已被美國、英國及挪威研制出，工作距離可覆蓋百米，但研發門檻高，且面臨一些瓶頸問題：(1)硬件系統極其復雜，需要數以千計具有嚴格一致性的換能器和信號處理電路，工藝上難以實現；(2)成像分辨率比光學成像分辨率低1～2個數量級，且受限于聲吶載體孔徑尺寸難以進一步提升；(3)成像視角受限于像算法限制，難以有效擴展。

軌道角動量是近年來新發現的重要但尚未充分利用的聲學基礎物理量。攜帶軌道角動量的聲波稱為渦旋聲波，與平面波相比，渦旋聲波的等相位面不再是平面，而是具有空間扭曲的螺旋結構。其獨特的螺旋型波前分布展現出角度分集特性，理論上可以攜帶無數種不同的模態，這些模態相互正交并在希爾伯特空間獨立傳播，可為水下三維成像提供全新的思路。通過建立基于渦旋聲場的成像理論，提供全新的水下探測機理，能夠突破現有三維成像聲吶在硬件、成像分辨率和視角上的限制，會對水下三維成像方式和性能帶來嶄新變化。

基于聲學軌道角動量的超精細三維成像聲吶，利用攜帶聲學軌道角動量的渦旋聲場進行探測，可以比平面波或球面波探測提供更豐富的回波信息。通過不同階數的渦旋聲場對物理空間進行精細切割構造出高維數學空間，從高維空間觀測目標點，得到其坐標信息，可以在大幅減少陣元數量的同時顯著提升成像分辨力。然而，由于渦旋聲場的聲壓為中心對稱分布(如圖4所示)，對于某特定俯仰角而言，沿著圓弧方向的聲壓值為定值，因此采用軌道角動量成像在圓周方位角方向的精度遠小于俯仰角的精度(如圖5所示)，導致成像點并非圓點狀主瓣，而是長弧形主瓣，給成像帶來了不必要的麻煩。此外，由于成像分辨力與探測聲波的頻率正相關，即頻率越高，成像分辨力越好。但是，探測聲波的頻率越高，在水中衰減也越快，傳播距離也越近，因此為保證探測精度，無法探測較遠的距離。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種探測距離遠、探測精準且成像分辨力高的基于聲學軌道角動量的低頻遠程三維成像方法。

本發明解決其技術問題是采取以下技術方案實現的：

一種基于聲學軌道角動量的低頻遠程三維成像方法，包括以下步驟：

步驟1、構建聲學軌道角動量超分辨三維成像聲吶；

步驟2、聲學軌道角動量超分辨三維成像聲吶發射圓周向非均勻分布渦旋聲場，并接收遠處目標反射回來的回波信號；