[发明专利]一种新型多波束声学成像方法与系统

权利要求书

1.一种新型多波束声学成像系统，其特征在于：该系统包括宽带声学换能器、收发转换装置、发射机、接收机、电子系统控制模块、信号处理模块、显示控制模块、互联缆和接插件，所述显示控制模块与电子系统控制模块、信号处理模块连接，所述信号处理模块与接收机连接，所述电子系统控制模块与发射机连接，所述发射机、接收机分别与收发转换装置连接，所述收发转换装置与宽带声学换能器连接。

2.根据权利要求1所述的一种新型多波束声学成像系统，其特征在于：所述宽带声学换能器采用电声转换材料组成，优选陶瓷材料，所述宽带声学换能器由多个换能器基元组成，各个基元之间的相对位置关系排布与使用的声信号频率相关，典型的相邻基元在法线方向上相差1倍lamda，lamda为信号中心频率波长，通过换能器指向性以及阵列设计可选择其他位置偏差，但位于-lamda至lamda之间，所述宽带声学换能器采用现有的1-3复合材料，宽带声学换能器发射超宽带声学信号，宽带声学换能器发射声波时，将信号带宽范围内的任意频率的声信号以声信号经换能器阵列波束形成后的空间角发射到空间中，同时，宽带声学换能器在接收宽带声信号的同时，宽带声学换能器在声信号经换能器阵列波束形成后的空间角方向，接收信号带宽内相应频率的声信号。

3.根据权利要求1所述的一种新型多波束声学成像系统，其特征在于：所述发射机被用于驱动宽带声学换能器发射宽带声学信号。

4.根据权利要求1所述的一种新型多波束声学成像系统，其特征在于：所述接收机被用于连接宽带声学换能器接收宽带声学信号。

5.根据权利要求1所述的一种新型多波束声学成像系统，其特征在于：所述收发转换装置被用于发射机和接收机的工作切换，同时接收机工作时，发射机不工作。

6.根据权利要求1所述的一种新型多波束声学成像系统，其特征在于：所述电子系统控制模块被用于接收显示控制模块控制指令，用于控制发射机、接收机系统，配置发射机、接收机参数，同时监测发射机和接收机工作状态，并将工作状态上传至显示控制模块。

7.根据权利要求1所述的一种新型多波束声学成像系统，其特征在于：所述信号处理模块被用于声学信号处理，将所述接收机接收的声学信号进行处理，形成声学图像，所述信号处理模块采用通用处理器，也能采用FPGA、DSP专用处理器。

8.根据权利要求1所述的一种新型多波束声学成像系统，其特征在于：所述显示控制模块被用于视声学图像的显示，以及发射机、接收机、收发转换、信号处理及各声学电子系统的控制和参数配置。

9.根据权利要求1所述的一种新型多波束声学成像系统，其特征在于：所述互联缆和接插件被用于连接宽带声学换能器、收发转换装置、发射机、接收机、电子系统控制模块、信号处理模块和显示控制模块。

10.本发明还提供了一种新型多波束声学成像方法，其具体步骤如下：

步骤1：对发射机、接收机和宽带声学换能器进行联合校准，校准过程如下：

确定校准频率f，并由发射机发射频率为f的信号，同时测量f信号对应的空间角；

重复上述过程得到空间角与声学频率f的对应关系表B(f0,theta)，其中theta为方位角；

步骤2：基于步骤1，由发射机驱动宽带声学换能器发射宽带声学信号，且宽带声学信号发射后，其频率的分布与空间角度有关联关系；

其中，宽带声学信号，即声学信号包含多种不同频率的声学信号；

其中，发射机发射过程中，通过收发转换装置关闭接收机，防止接收机被高电压发射信号损坏；

步骤3：基于步骤1-2，根据用户配置，发射机发射完成后，延迟一段时间，通过收发转换装置将系统切换为接收状态，接收机启动声信号接收，由宽带声学换能器完成空间目标回波信号的电声转换，进而由接收机接收空间目标对上述声学信号的回波信号；

步骤4：基于步骤1-3，对接收的回波进行时频分析，分析方法包括短时傅里叶变换、小波变换，时频分析结果为A(f, t)，其中t为声传播时间，其中，声传播时间与声传播距离r的关系为：r = (C/2) × t，其中C为声速，对于非均匀介质，声速C为变量，r与t的关系可通过声线追踪来确定；

步骤5：基于步骤1-4，根据宽带声学换能器的校准结果，利用空间角与声学频率f的对应关系表B，以及声传播时间、声速以及声传播距离的关系，通过插值的方式可以得到空间声学成像结果，即：IMG(theta, r)。