[发明专利]基于声学轨道角动量的超精细三维成像方法

说明书

本发明涉及一种基于声学轨道角动量的超精细三维成像方法，其技术特点是：构建声学轨道角动量超精细三维成像声呐；声学轨道角动量超精细三维成像声呐发射涡旋声场并接收远处目标反射回来的回波信号；分别对俯仰角和方位角进行一次波束形成，得到该区域一系列二维的声呐图像切片，在距离向合成这一系列切片得到三维声呐成像；分别对俯仰角和方位角进行二次波束形成，得到超精细图像。本发明设计合理，其利用携带声学轨道角动量的涡旋声场进行探测，可以比平面波或球面波探测提供更丰富的回波信息，可在大幅减少阵元数量的同时显著提升成像分辨力。

技术领域

本发明属海洋声学装备技术领域，涉及一种三维成像声呐技术,尤其是一种基于声学轨道角动量的超精细三维成像方法

背景技术

随着海洋技术的发展，人们对水下感知的技术越来越重视，由于电磁波和光在水中衰减非常快，因此声波探测为水下感知的主要方式。声呐为一种声学探测设备，广泛运用于水下导航、定位、测距和目标跟踪等多种任务。在成像声呐中，二维成像声呐得到的声学图像仅含有距离和方位信息。然而，现实中的目标形状大多是三维的。在水下成像过程中，如果将接收到的声学信号处理后形成目标的空间三维信息并实时显示，将有助于全面直观地了解目标的信息，帮助用户做出更准确的判断。因此水下三维声成像技术越来越受到重视，在海底成像、海底测绘、水下目标探测等领域的应用也越来越广泛。

目前水下三维声成像使用的方法主要有三种：(1)利用一维线性阵列，在垂直(或平行)航迹方向上形成多波束，获取观测区域的二维信息，在平行(或垂直)于航迹方向上进行机械扫描，通过计算机拟合获取的二维信息最终生成三维图像，如美国RESON公司的SeaBat8125成像声呐；(2)利用平面阵具有两个扫描角度，在空间进行多波束扫描，直接获取目标的水平、垂直、距离3个方向上的分辨率，形成三维图像。如CodaOctopus公司的Echoscope系列声呐；(3)利用声透镜技术中的干涉原理获取观测区域的高度信息，实时形成目标的三维图像，如干涉测深仪等。

对于以上三种方法，方法(2)具有最好的水下三维成像效果。该方法的声呐由换能器阵列和信号处理电路板组成。其中，换能器阵列一般为方形阵列，如图5所示，每一个点代表一个换能器。其工作原理是：声呐系统向感兴趣的水下区域发射声信号，然后分别对俯仰角和方位角进行波束形成，即对多元阵阵元接收信号进行时延或相移补偿，使对预定方向的入射信号形成同向相加，可得到该区域一系列二维的声呐图像切片。最后在距离向合成这一系列切片就可以得到三维声呐图像。

但是实践证明，为了得到较高的成像分辨力，需要较多的阵元，如Echoscope三维成像声呐的换能器阵列有48行48列共2304个阵元。大规模的阵元数量会导致采集到的数据量很大，对硬件要求极高，成本也非常高。此外，如果想进一步提高成像分辨力，就需要更多的阵元，限制了成像分辨率的提高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种设计合理、可以大幅减少阵元数量并提升成像分辨力的基于声学轨道角动量的超精细三维成像方法。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种基于声学轨道角动量的超精细三维成像方法，包括以下步骤：

步骤1、构建声学轨道角动量超精细三维成像声呐；

步骤2、声学轨道角动量超精细三维成像声呐发射涡旋声场并接收远处目标反射回来的回波信号；

步骤3、分别对俯仰角和方位角进行一次波束形成，得到该区域一系列二维的声呐图像切片，在距离向合成这一系列切片得到三维声呐成像；

步骤4、分别对俯仰角和方位角进行二次波束形成，得到超精细图像。