[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

说明书

本发明属于三维声纳技术领域，并公开了一种实时三维成像声纳的近场宽视角波束形成方法，该方法包括如下步骤：获取声纳系统的回波采样数据矩阵S；计算聚焦目标点位于菲涅尔时延区域以内和以外的时延加权系数k₁、k₂；对回波采样数据进行L点离散傅里叶变换，获得回波信号S(l)；对回波信号S(l)进行幅值加权和相位补偿，获得补偿后的回波信号对该信号进行快速傅里叶变换，获得空间波束强度的表达式，并计算空间波束强度。本发明对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的情况，采用最小二乘法对时延加权系数进行优化，在保证近场波束形成计算效率的前提下，可有效提升近场聚焦精度，扩展近场成像的视角。

技术领域

本发明属于三维声纳技术领域，更具体地，涉及一种实时三维成像声纳的近场宽视角波束形成方法。

背景技术

实时三维成像声纳是近年来为满足日益增长的水下目标三维探测需求而发展起来的三维声学成像设备，此类三维声纳具有良好的成像分辨率和实时成像性能，在港口安全防御、水下工程作业、海洋科学研究以及国防军事等领域都有十分广泛的应用需求。其基本成像原理为：系统采用一个窄带声脉冲透射整个观察场景，运用相控阵技术同时产生上万个实时波束强度信号，经过实时信号处理得到一幅三维场景的图像。而该系统成像的核心技术在于波束形成算法，算法性能决定了三维声纳在整个探测空间内的聚焦和扫描效率，直接影响成像精度和成像速度。

实时三维成像声纳系统对位于近场区域内的目标体进行成像时，由于此区域的回波传递不再满足平面波假说，因而需要对近场探测目标进行时延聚焦。传统的直接波束形成算法虽然能获得准确的时延聚焦效果，但由于其时延参数存储量和波束形成计算量较高，因而难以适用于高实时成像性能要求的三维成像声纳系统。

目前实时三维成像声纳的近场成像普遍采用的是基于菲涅尔近似的快速波束形成算法。基于菲涅尔近似的快速波束形成算法可以有效减少参数存储量和计算量，因而被广泛应用于实时三维成像声纳系统中。然而，该波束形成算法受限于菲涅尔时延的精度，仅适用于视角较窄的探测区域，对实时三维成像声纳的近场成像形成了较为严格的视角限制。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种实时三维成像声纳的近场宽视角波束形成方法，其中基于菲涅尔近似时延，采用最小二乘法对菲涅尔近似时延理论适用范围以外的近场成像区域进行参数优化，相应的可有效解决探测区域较窄和近场聚焦精度低的问题，因而尤其适用于近场区域目标成像的应用场合。

为实现上述目的，本发明提出了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；

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根据设定的所述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。

作为进一步优选地，所述步骤S2包括如下子步骤：