[发明专利]一种实时三维成像声纳的近场宽视角波束形成方法

权利要求书

1.一种实时三维成像声纳的近场宽视角波束形成方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

S1获取声纳系统的回波采样数据矩阵S，该声纳系统是由I个换能器阵元组成的换能器阵列，所述回波采样数据矩阵S的维数为K×I，其中K表示时域上的采样点数；

S2当聚焦目标点位于菲涅尔时延区域以内时，依据菲涅尔时延表达式获得时延加权系数k₁、k₂的取值，当聚焦目标点位于菲涅尔时延区域以外并位于拟定成像视角范围以内时，利用最小二乘法获得该情况下时延加权系数k₁、k₂的取值，步骤S2包括如下子步骤：

S21根据菲涅尔时延理论，近场聚焦的近似时延为：

式中，k₁、k₂为时延加权系数，r为聚焦目标点与换能器阵列中心的距离，p_i为第i号换能器阵元的位置向量，为聚焦方向的单位向量，c为声速，为p_i的转置，||p_i||为p_i的欧几里得范数；

S22当聚焦目标点位于菲涅尔时延区域时，依据菲涅尔时延表达式可知k₁＝1、k₂＝-0.5；

S23当聚焦目标点位于菲涅尔时延区域以外，并位于拟定成像视角范围以内时，k₁和k₂的表达式为：

式中，p为换能器阵列的位置向量矩阵，c为声速，p^T为p的转置矩阵，||p||为p的欧几里得范数，A⁺为A的广义逆矩阵；

通过式(2)～(3)获得聚焦目标点位于菲涅尔时延区域以外并位于拟定成像视角范围以内时，时延加权系数k₁和k₂的取值；

S3采用频域波束形成算法，对步骤S1获得的回波采样数据进行L点离散傅里叶变换，获得对应频率索引号l的回波信号S(l)；

S4根据设定的换能器阵列的激励权值w对步骤S3获得的回波信号S(l)进行幅值加权，同时根据步骤S2获得的时延加权系数k₂对其进行相位补偿，获得补偿后的回波信号

S5对步骤S4获得的补偿后的回波信号进行快速傅里叶变换，获得空间波束强度的表达式，并根据步骤S2获得的时延加权系数k₁计算空间波束强度。

2.如权利要求1所述的实时三维成像声纳的近场宽视角波束形成方法，其特征在于，所述步骤S3中频率索引号其中f₀为声纳系统工作频率，f_s为系统回波采样频率，L为参与离散傅里叶变换的数据长度。

3.如权利要求1所述的实时三维成像声纳的近场宽视角波束形成方法，其特征在于，所述步骤S4中补偿后的回波信号为：

式中，w为换能器阵列的激励权值，j为虚数单位，ω为系统工作频率对应的角频率。

4.如权利要求1～3任一项所述的实时三维成像声纳的近场宽视角波束形成方法，其特征在于，所述步骤S5中获得空间波束强度的表达式为：

式中，B(r,α,β)为空间波束强度，α为三维声纳的水平角，β为三维声纳的垂直角，λ为三维声纳系统工作频率对应的波长，聚焦方向的单位向量