[发明专利]相控阵三维声学摄像声纳的阵处理方法

说明书

所属技术领域

本发明涉及水声领域，主要是一种相控阵三维声学摄像声纳的阵处理方法。

背景技术

为满足海洋开发等对水下目标三维探测的要求，海洋仪器一般采用二维面阵作为换能器 的接收阵(如图1所示，注：一个圆表示一个子阵)。用于接收回波信号的二维面阵通常有两 千多个阵元，预成波束个数达到一万多个，采用常规波束形成算法具有以下缺点：

①时域波束形成算法需要为每个阵元计算各个预成波束的时间延迟，并将这些时间延迟存 储起来，从而导致存储量急剧增加；

②在波束形成过程中，时域波束形成需要频繁地取时间延迟参数参与计算，导致系统开销 巨大，大大降低波束形成的效率；

③频域波束形成不满足三维摄像声纳对近场目标探测的设计要求。

发明内容

本发明的目的是克服二维面阵的常规波束形成算法计算效率低、不能对远、近场目标自 动适配的缺点，提供一种相控阵三维声学摄像声纳的阵处理方法，用于相控阵三维声学摄像 声纳(以下简称三维摄像声纳)等采用二维面阵作为接收阵的各类海洋仪器的接收波束形成 算法，具有运算效率高，能够对远、近场目标自动适配等优点。

为解决上述技术问题，本发明是提出以下技术方案实现的：这种相控阵三维声学摄像声 纳的阵处理方法，包括以下步骤：

步骤一：两级子阵划分：依照“使三维摄像声纳设计的最小作用距离满足二级子阵的远 场条件”的子阵划分原则，将二维面阵沿X轴方向和Y轴方向均匀划分，得到一级子阵和二 级子阵，则原二维面阵可视为由所有二级子阵组成的一级子阵；

步骤二：二级子阵频域波束形成：针对每个二级子阵，在频域通过相移波束形成先预成α 方向(水平方向)的波束，再预成β方向(垂直方向)的波束，得到所有二级子阵的二维预 成波束，二级子阵在频域完成波束形成运算；

步骤三：一级子阵时域波束形成：将每个二级子阵看成一个阵元，则二维面阵可视为由 所有二级子阵组成的一级子阵，在时域先预成一级子阵水平方向的波束，再预成一级子阵垂 直方向的波束，这样便得到了一级子阵的二维预成波束，也就是二维面阵的所有预成波束。

作为优选，所述的二级子阵由6×6个阵子组成，相控阵三维声学摄像声纳的最小作用距 离达0.2m。

作为优选，在步骤二中，S是假定的信号源，S_xoz和S_yoz分别是信源S在xoz平面和yoz 平面上的投影点，并定义α角的开角方向为水平方向，β角的开角方向为垂直方向。

作为优选，一级子阵时域波束形成时，考虑目标处于近场条件下的波束形成，并由二级 子阵波束形成的波束数据，按照时间延迟与相位调整的方法，在时域中实现一级子阵的波束 形成。

作为优选，一级子阵波束形成过程中所用参数是：针对远场信号，一级子阵的时间延迟 表和相位调整表均只有一张；针对近场信号，可将近场按距离分为若干档，每档距离均对应 一张时间延迟表和相位调整表，一级子阵波束形成过程中，首先根据目标到基阵的距离判定 信号来自远场还是近场，以及信号属于近场中的哪一档，然后选取相应的参数参与运算，进 而完成波束形成运算。

本发明的优点在于：依照“使三维摄像声纳设计的最小作用距离满足二级子阵的远场条 件”的子阵划分原则，相控阵三维声学摄像声纳的阵处理方法将二维面阵庞大的波束形成运 算问题分解成若干个很小的二级子阵的波束形成运算问题，再由这些二级子阵的预成波束合 成一级子阵的预成波束，便得到了原二维面阵的所有预成波束。这种化繁为简的处理方法大 大提高了波束形成的效率。此外，在一级子阵的波束形成过程中，相控阵三维声学摄像声纳 的阵处理方法充分考虑了目标处于近场时的情形，采用时间延迟与相位调整相结合的方法， 从而使得这种阵处理方法对远、近场目标具有自动适配的功能。

附图说明

图1是两千多个阵子在接收阵中的布放示意图。

图2是二维面阵的子阵划分示意图。

图3是二级子阵的目标-方位示意图。

图4是二级子阵的阵元布放结构示意图。

图5是二级子阵的波束形成示意图。

图6是由二级子阵的波束合成一级子阵的波束时的一步波束形成的示意图。

图7是相控阵三维声学摄像声纳的阵处理方法的工作流程图。

具体实施方式