[发明专利]一种远场分布式并行子阵波束形成方法

说明书

技术领域

本发明涉及三维声纳成像领域，具体涉及一种远场分布式并行子阵波束形成方法。

背景技术

水下探测技术在物理学、生物学、地理学、考古学和工业应用等领域的作用日渐凸显，实时三维声纳成像技术是近几年水下应用领域最重要的革新之一。

按照成像原理划分，水下三维声学成像系统包括三大类：（1）全息声学成像；（2）声透镜成像；（3）波束形成声学成像。全息声学成像系统的探测范围狭小；而声透镜成像系统随着探测距离增加，光学棱镜体积需求过于庞大；随着数字信号处理技术的高速发展，灵活而有效的数字波束形成技术在声学成像系统中应用越来越广泛。

相控阵三维成像声纳系统是一种新型的水下三维声学成像系统，该系统采用单频窄带声脉冲信号透射整个水下探测场景，通过大规模平面换能器阵列接收声纳回波信号，并且运用波束形成技术同时产生数以万计个波束强度信号，从而获得实时三维图像。

实时相控阵三维成像声纳系统可以对水下观测目标进行多视角、高速连续拍摄，具有允许载体高速运动和图像刷新率高等特点，因而在海底地貌测绘、海洋地质考察、沉船打捞、石油管道检测、海港墙壁检查、水下航行器避障和军事作战等领域具有广泛的应用前景。

声纳信号的波束形成是一种空间滤波的过程，将某特定方向上的信号强度进行加强，而削弱其他方向上的信号强度。波束形成算法的庞大计算需求量和内存需求量是实现实时三维成像声纳系统必须克服的困难之一。实时相控阵三维成像声纳系统需要同时计算大量不同波束方向的波束能量信号，而每个波束能量信号是通过对几千路声纳回波信号同步采样后的数字信号计算得到，所以相对应的波束形成算法必然需要庞大的计算量。

现在波束形成算法需要的计算量与内存需求量两者之间具有一定的关联，时延参数可以在算法的运行过程中实时计算获得，或者是预先计算好并存储在内存中。后者相比前者需要较少的计算需求量，但是却需要更多的内存空间来存储预先计算好的时延参数。

发明内容

本发明提供了一种远场分布式并行子阵波束形成方法，能够在减少时延参数存储空间和计算负载的前提下，获得与直接波束形成算法主瓣宽度和旁瓣峰值相近的波束方向图，大幅度提高计算效率，满足水下三维声纳成像的实时性需求。

一种远场分布式并行子阵波束形成方法，包括以下步骤：

（1）将换能器全阵列划分成若干个一级子阵，每个一级子阵作为一个基本单元，所有一级子阵组成二级子阵；

（2）所有一级子阵并行进行波束形成；

（3）每个一级子阵的波束形成结果作为二级子阵的一个基元，经过波束抽取后，进行二级子阵波束形成。

优选地，所述换能器全阵列中换能器的行数和列数相等。

优选地，每个一级子阵包含S×M个换能器，且所有一级子阵中S和M的取值相同，其中，S为换能器的行数，M为换能器的列数。进一步优选，每个一级子阵中换能器的行数和列数相等。

由于所有一级子阵具有相同的结构和尺寸，能够共享一组数量较小的相位偏移参数，因此，能够减少存储空间需求，提高计算效率，满足水下三维声纳成像的实时性需求。

二级子阵是换能器全阵列的一种虚拟表示形式，区别在于，换能器全阵列以换能器为基本单元，而二级子阵以一级子阵为基本单元。

作为优选，所有一级子阵并行进行波束形成时，每个一级子阵波束形成的具体步骤如下：

2-1、接收回波信号，对每个换能器采集的原始数据进行DFT变换；

2-2、利用步骤2-1的DFT变换结果，分别针对一级子阵中的每行换能器进行水平波束形成；

2-3、利用步骤2-2的水平波束形成结果，分别针对一级子阵中的每列换能器进行垂直波束形成。

作为优选，所述步骤（3）中进行二级子阵波束形成的具体步骤如下：

3-1、从每个一级子阵的波束形成结果中抽取与二级子阵预成波束方向距离最近的一个波束信号；

3-2、根据步骤3-1的波束抽取结果，分别进行二级子阵的每行一级子阵的水平波束形成；

3-3、根据步骤3-2的水平波束形成结果，分别针对二级子阵的每列一级子阵进行垂直波束形成。

本发明远场分布式并行子阵波束形成方法，能够节省大量的参数存储空间，能够大大提高计算效率，以48×48个换能器组成的接收阵为例，与现有技术中进行实时三维声纳成像的波束形成算法相比较，内存需求量降低至1/5，计算需求量降低至1/294，能够满足实时波束形成的需要。

附图说明

图1为本发明中子阵划分示意图；