[发明专利]一种多频率发射波束形成方法及应用

说明书

技术领域

本发明涉及三维声学成像领域，尤其涉及一种多频率发射波束形成方法及应用。

背景技术

水下实时三维声学成像技术是近几年受到广泛关注的一种新型水下探测技术，其在海上工程建设、海底地形测绘、水下设施检查、水下考古、重大海洋工程和军事工程防护等众多领域具有广泛的应用前景。

目前主要的三种三维声学成像方法是：聚焦声学成像/声透镜聚焦成像、波束形成声学成像和全息声学成像。其中，数字波束形成技术具有灵活、高效等优势，因此在声学成像系统中得到越来越广泛的应用。

在水下实时三维声学成像系统中，为获得场景的三维信息，通常需要一个二维平面换能器阵列用于接收声纳回波信号，并基于该信号进行波束形成计算，构建三维声学图像。而二维平面接收阵的使用，通常伴随着庞大的阵元数量，从而导致了以下两个制约水下三维声学成像技术发展的难题：1)硬件系统复杂，二维平面换能器阵列庞大的阵元数量导致与其相关的信号滤波、放大、采样以及数字信号处理等硬件电路规模巨大；2)计算量庞大，同时形成数以万计个波束强度信号的波束形成算法计算量需求过高。

为了克服上述难题，一部分学者采用稀疏阵列和波束形成算法优化的方式来降低系统硬件复杂度以及算法计算量。而另一部分学者利用发射和接收过程共同的波束形成作用，以多个线阵代替平面接收阵，从而达到了降低阵列维度，减少阵元数量的目的。其中最典型的应用即十字型阵列(Mill’scross)。然而，十字型阵列在进行三维声学图像的构建时，需要根据垂直波束方向对观测场景进行依次扫描，这导致其成像时间过长，图像更新帧率过低。因此，传统十字型阵列只适用于一些近场或无实时性需求的场景。

在十字型阵列的传统应用中，为了构建整个观测场景的三维声学图像，发射阵列需要向所有垂直波束方向发射扇形波束信号，并且每次发射都需等待声纳回波从最远探测距离返回。因此，十字型阵列需要相当长的时间扫描整个观测场景，其生成一桢三维声学图像所需时间正比于发射次数(垂直波束方向数Q)和最远探测距离(Rmax)。

发明内容

本发明提供了一种多频率发射波束形成方法，应用于十字型阵列波束形成。该方法针对水下三维声学成像系统硬件开销和计算量庞大，以及十字型阵列的实时性不足难题，以减小十字型阵列的发射次数为出发点，有效地将十字型阵列的发射次数从垂直波束方向数减小到划分的扇面数，大幅缩短了构建一帧三维声学图像所需的时间，在一定程度上解决了十字型阵列实时性不足的问题，并且能够获得与二维平面接收阵列DM算法相近的波束性能指标(主瓣宽度、旁瓣峰值)，同时大幅降低计算量需求。

本发明的具体技术方案如下：

一种多频率发射波束形成方法，包括步骤：

(1)将十字型阵列中发射阵列的波束方向分割为多个扇面，在每个扇面里依次发射一系列不同频率的扇形声纳波束信号，每个频率的扇形声纳波束信号指向对应扇面内的一个波束方向；

(2)每个扇面内所有频率的扇形声纳波束信号发射结束后，利用十字型阵列中的接收阵列接收声纳回波信号，通过离散傅里叶变换抽取各扇面内所有扇形声纳波束信号对应的频率信息，并在频率信息对应的频域内进行波束形成计算，得到相应数量的波束强度结果。

本发明中，十字型阵列的水平方向的接收阵列包含M个阵元，垂直方向的发射阵列包含N个阵元，接收阵和发射阵的阵元间距分别为dr和dt。垂直发射波束方向数为Q，多频率发射波束形成方法将预设的垂直波束方向分割为K个扇面，在每个扇面内，依次向预设的J个垂直波束方向(Q＝K×J)发射不同频率的扇形声纳波束信号，每个频率的信号对应一个垂直波束方向。发射声纳波束信号频率采用递增形式，递增频率为Δf。在接收过程中，当发射扇面内所有频率的声纳波束信号发射结束后，接收阵列收到声纳回波信号，通过离散傅里叶变换(discretefouriertransform,DFT)运算，同时抽取回波中J个发射声纳波束信号对应的频率信息，并行地在J个频域上进行波束形成计算，生成P×J个波束强度结果。完成一个扇面的发射和接收过程后，对其余扇面进行类似的处理。当所有扇面完成上述操作后，则可得到完整的P×Q个方向的波束强度结果。

优选的，每个扇面内，依次向不同的波束方向发射脉冲宽度为τ的扇形声纳波束信号，发射扇形声纳波束信号的时域表达式为：