[发明专利]一种基于CZT变换和剪除分裂基快速傅里叶变换的三维摄像声纳波束形成方法

摘要

本发明公开了一种基于CZT变换和剪除分裂基快速傅里叶变换的三维摄像声纳波束形成方法，包括以下步骤：分别计算每个换能器接收到的声波中，与载波频率fk对应的第k个DFT变换系数；利用所得变换系数，构建矩阵C；对应方位角方向，对矩阵C的每一列，进行一维离散卷积运算，得到P×N的矩阵MD；对应仰视角方向，对矩阵MD的每一行，进行一维离散卷积运算，得到P×Q的矩阵ME；利用矩阵ME，构建矩阵MF；计算矩阵MF中每个元素的模，得到三维摄像声纳波束。本发明在FFT运算过程中识别和去除不必要的运算操作，有效降低了三维摄像声纳波束形成方法所需的运算量。

主权项

一种基于CZT变换和剪除分裂基快速傅里叶变换的三维摄像声纳波束形成方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）分别计算每个换能器接收到的声波中，与载波频率fk对应的第k个DFT变换系数Sm，n(k)，得到M×N个Sm，n(k)；其中，m为换能器的水平索引号，m=1，2，...，M；n为换能器的垂直索引号，n=1，2，...，N；k=0，1，...，K‑1，K为DFT变换的长度；（2）利用M×N个Sm，n(k)，构建矩阵C，矩阵C中的每个元素为： C ( k , m , n ) = w m , n S m , n ( k ) A a m - 1 A e n - 1 × W a - ( m - 1 ) 2 / 2 W e - ( n - 1 ) 2 / 2 其中， A a = exp ( - j 2 π f k d c sin θ ai ) W a = exp ( j 2 π f k d c Δ s a ) Δ s a = sin θ af - sin θ ai P - 1 , | θ ai | < π 2 | θ af | < π 2 A e = exp ( - j 2 π f k d c sin θ ei ) W e = exp ( j 2 π f k d c Δ s e ) Δ s e = sin θ ef - sin θ ei Q - 1 , | θ ei | < π 2 | θ ef | < π 2 其中，wm,n表示每个换能器的权重；j为虚数单位；fk为载波频率；d为换能器的水平间距；c为水下声速；θai表示声纳系统波束扫描范围的起始方位角；θaf表示声纳系统波束扫描范围的终止方位角；P为波束扫描范围内的方位角数目；θei表示声纳系统波束扫描范围的起始仰视角；θef表示声纳系统波束扫描范围的终止仰视角；Q为波束扫描范围内的仰视角数目；（3）对矩阵C的每一列，进行一维离散卷积运算，保留一维离散卷 积运算中的P个结果，得到P×N的矩阵MD；（4）对矩阵MD的每一行，进行一维离散卷积运算，保留一维离散卷积运算中的Q个结果，得到P×Q的矩阵ME；（5）构建矩阵MF，矩阵MF中的每个元素为： MF ( p , q ) = ME ( p , q ) × W a - ( p - 1 ) 2 / 2 W e - ( q - 1 ) 2 / 2 其中，ME(p,q)为矩阵ME中第p行第q列的元素；（6）计算矩阵MF中每个元素的模，得到声纳获取的各个方向上的波束强度，即得到三维摄像声纳波束。