基于平面波的水下声呐传感器阵列成像方法技术

本发明专利技术公开了一种基于平面波的水下声呐传感器阵列成像方法，在发射信号时，发射子阵的所有阵元同时受激励产生同频同时长的超声波脉冲信号到目标空域，由目标空域的场景产生反射回波信号，接收子阵的所有阵元同时接收回波，再对接收子阵各个阵元接收的回波进行时延处理，得到回波对应的波束数据，对各个方向上的波束数据采用灰度映射将目标图像的灰度图像显示出来，所设计基阵及其成像方法将小孔径阵列的夫琅禾费衍射区传播特性和大孔径的分辨力相结合，在提高图像熵值的同时能够降低图像伪影。

【技术实现步骤摘要】
基于平面波的水下声呐传感器阵列成像方法
本专利技术涉及超声成像
，尤其涉及一种基于平面波的水下声呐传感器阵列成像方法。
技术介绍
水面积占地球总面积的百分之七十，水底资源的巨大潜力使其战略地位越来越重要。世界各国都致力于各种水底探测技术的研究，其中水下成像是水下探测的重要前提之一。目前在许多领域，光成像与电磁波成像技术运用较多，技术也相对成熟，但与一般陆地环境相比，水下环境更为复杂。无线电波与光波在水介质中传播时衰减严重，无法长距离传播，故光成像与电磁波成像技术很难在水下得到应用，而声学成像可克服水下环境复杂的问题。由于声波在水下传播时的稳定性更高，适应性更强，因此声学成像在水下成像中优势更大，并且声波在水下传播衰减较少，能够满足水下远距离成像的要求。水下资源开发的需求使得水下声学成像技术飞快发展，当前的许多成像技术的成像效果不够理想，因此研究水下声学成像极具有意义。声学成像是指将信息通过声波传输，当前各种声学成像设备的工作原理是利用主动声纳发射声波，声波在碰到目标物体后会反射回来回波信号，对接收到的回波信号进行相关处理得到图像。声学成像技术应用范围很广，医学上的B超、CT；军事上的前视声纳、侧扫声纳；民用上的水下沉物探测、工业探伤等都是其具体应用。随着水下成像技术的发展，越来越多的成像方法被提出，如蒋剑等采用球面阵对水下目标成像，将经延时处理后的回波数据进行FFT变化，提出基频波幅值，对幅值重组获得目标图像；刘德铸通过建立水下波束散射模型实施模拟了水声信号，计算目标物体与成像声呐之间延迟时间与延迟相位，用成像声呐对模拟所得信号进行成像；李宏升等利用投影输出二维正弦光强对水下目标照射，再利用高速高清摄像机采集光照下的水下目标，通过计算机软件对图像处理，可以实现水下静态与动态目标的三维成像以及模式识别。李德来通过超声换能器模块以及超声相控阵控制模块测得目标物德尺寸以及距离，根据多普勒成像原理实现虚拟影像的显示。李学龙等利用数字微镜将目标信号进行压缩感知测量，然后对信号采样以及消元，把不同距离回波信号在时序上细分，最后完成图像重构，可实现远距离成像；秦华伟等根据回波亮点模型理论提出了一种针对刚性球以及柔性球声学成像和探测的方法；曾文兵在其硕士论文中针对水下成像系统成像速度慢的问题，引入压缩感知技术处理数据，设计了一种优化的压缩感知方法，减少了系统采样数并提高了成像质量；韩平丽在其博士论文中提出了一种光学水下偏振成像方法，该方法利用采集到的偏振态正交子图像间的相关性，获得最佳偏振子图像，以此降低噪声，提高了成像质量。上述各个传统方案在一定程度上可以实现相应成像，然而仍然存在图像伪影多和图像熵值不高的问题。
技术实现思路
针对以上问题，本专利技术提出一种基于平面波的水下声呐传感器阵列成像方法。为实现本专利技术的目的，提供一种基于平面波的水下声呐传感器阵列成像方法，包括如下步骤：S10，在发射信号时，发射子阵的所有阵元同时受激励产生同频同时长的超声波脉冲信号到目标空域，由目标空域的场景产生反射回波信号，接收子阵中的所有阵元同时接收回波；S20，对接收子阵中所有阵元接收的回波进行时延处理，得到回波对应的波束数据；S30，对各个方向的波束数据采用灰度映射将目标图像的灰度图像显示出来。在一个实施例中，所述发射子阵采用面阵换能器阵列，各阵元发射正弦波信号。在一个实施例中，所述发射子阵与接收子阵均采用面阵换能器阵列，发射子阵中各阵元发射正弦波信号。具体地，所述接收子阵包括M×M个阵元，这些阵元分布在平面XOY内；M为正整数。具体地，所述接收子阵的内部包括一个N×N的子阵，该子阵既参与平面波的发射，又参与平面波的接收；N为小于M的正整数。在一个实施例中，对接收子阵各个阵元接收的回波进行时延处理的过程包括：其中，SDAS(t)为波束数据，s(t)为接收到的回波，N为换能器总数，r/c为信号传播时间，τn为第n个换能器的时延。上述基于平面波的水下声呐传感器阵列成像方法，在发射信号时，发射子阵的所有阵元同时受激励产生同频同时长的超声波脉冲信号到目标空域，由目标空域的场景产生反射回波信号，接收子阵的所有阵元同时接收回波，再对接收子阵各个阵元接收的回波进行时延处理，得到回波对应的波束数据，对各个方向上的波束数据采用灰度映射将目标图像的灰度图像显示出来，所设计基阵及其成像方法将小孔径阵列的夫琅禾费衍射区传播特性和大孔径的分辨力相结合，在提高图像熵值的同时能够降低图像伪影。附图说明图1是一个实施例的基于平面波的水下声呐传感器阵列成像方法流程图；图2是一个实施例的基阵模型图；图3是另一个实施例中基于平面波的水下声呐传感器阵列成像方法的算法流程图；图4是一个实施例的延时叠加聚焦示意图；图5为一个实施例的实验结果仿真图。具体实施方式为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。水下成像帧率受制于声波在水下的传输速度，通过平面波一次发射并进行成像是一种可靠有效的方法。本申请的主要目的在于提出一种基于平面波发射的水下声呐成像方法。本申请基于收发异置的均匀平面阵列模型，接收阵列与发射阵列中心重叠，发射阵列孔径小于接收阵列，可以共用超声换能器阵元。当发射阵列中所有阵元同时受激励产生同频同时长的超声波脉冲信号，并且声波到达发射阵列的夫琅禾费衍射区时，所有阵元发射的声波将形成一束平面波，这是因为在夫琅禾费衍射区时，阵元间距相对于探测深度来说可以忽略不计。这为提升系统图像熵值和降低伪影提供了可能。本申请提供的基于平面波的水下声呐传感器阵列成像方法实现将小孔径阵列的夫琅禾费衍射区传播特性和大孔径的分辨力相结合，在提高图像熵值的同时能够降低图像伪影。参考图1所示，图1为一个实施例的基于平面波的水下声呐传感器阵列成像方法流程图，包括如下步骤：S10，在发射信号时，发射子阵的所有阵元同时受激励产生同频同时长的超声波脉冲信号到目标空域，由目标空域的场景产生反射回波信号，接收子阵的所有阵元同时接收回波。S20，对接收子阵各个阵元接收的回波进行时延处理，得到回波对应的波束数据。具体地，可以对接收子阵各个阵元接收的回波进行时延处理，得到各个阵元对应的延迟数据，再对各个阵元对应的延迟数据进行叠加，以得到回波对应的波束数据。在一个实施例中，对接收子阵各个阵元接收的回波进行时延处理的过程包括：其中，SDAS(t)为波束数据，s(t)为接收到的回波，N为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于平面波的水下声呐传感器阵列成像方法，其特征在于，包括如下步骤：/nS10，在发射信号时，发射子阵的所有阵元同时受激励产生同频同时长的超声波脉冲信号到目标空域，由目标空域的场景产生反射回波信号，接收子阵中的所有阵元同时接收回波；/nS20，对接收子阵中所有阵元接收的回波进行时延处理，得到回波对应的波束数据；/nS30，对各个方向的波束数据采用灰度映射将目标图像的灰度图像显示出来。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于平面波的水下声呐传感器阵列成像方法，其特征在于，包括如下步骤：
S10，在发射信号时，发射子阵的所有阵元同时受激励产生同频同时长的超声波脉冲信号到目标空域，由目标空域的场景产生反射回波信号，接收子阵中的所有阵元同时接收回波；
S20，对接收子阵中所有阵元接收的回波进行时延处理，得到回波对应的波束数据；
S30，对各个方向的波束数据采用灰度映射将目标图像的灰度图像显示出来。


2.根据权利要求1所述的基于平面波的水下声呐传感器阵列成像方法，其特征在于，所述发射子阵采用面阵换能器阵列，各阵元发射正弦波信号。


3.根据权利要求2所述的基于平面波的水下声呐传...

【专利技术属性】
技术研发人员：李鹏，俞传富，夏翔，宋逸君，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32