【技术实现步骤摘要】
本申请涉及水中动态目标的实时探测，尤其涉及一种水中目标声学ct三维成像和坐标定位的装置及方法。
技术介绍
1、在目前的水声探测技术中，发展比较成熟的成像声呐可以分为侧扫声呐和扇扫声呐两大类。扇扫声呐的探测方向与载体船只的航行方向相同，对船只前方的水域进行探测，主要用于水下目标探测，海洋避障导航等领域。扇扫声呐包括单波束机械扫描声呐和多波束电子扫描声呐两种。单波束声呐通过移动声源，通过机械扫描的形式用单个波束实现目标区域的探测，其主要用于基本的水下目标测量。单波束声呐的设备结构简单，成本低廉，但机械扫描的结构限制了其探测效率，无法实现实时成像和移动目标成像。多波束声呐通过声源阵列发射多个声波束，能够同时探测一定范围内的多点深度信息，适用于复杂的水下地形测绘。但其设备较为复杂，成本很高。侧扫声呐的探测方向与载体船只的航行方向垂直，常用于海底地形测绘、水下考古和资源勘探等领域，能够生成高清晰度的水下二维图像，但其主要缺点是容易受到海底回波的干扰。合成孔径声呐是一种先进的侧扫声呐技术，其原理借鉴于光学成像中的合成孔径雷达。合成孔径声呐通过使用较小的物理孔径和较长的信号积累时间达到大尺寸基阵的成像效果，可以大幅提高二维图像分辨率，适用于深海勘探和复杂环境的检测，但是对数据处理能力和导航系统精度要求较高。
2、目前的各类声呐技术在使用中存在限制条件，对于目标探测而言，现有技术最主要的问题是只能二维成像，有一个空间维度的信息是缺失的，造成了针对目标探测的信息模糊。其次，水下声信号在传播过程中存在信号衰减，受水流速度、密度、海底地形
技术实现思路
1、本申请旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
2、为此，本申请的目的在于提出一种水中目标声学ct三维成像和坐标定位的装置及方法，针对传统水中目标声学探测技术存在的准确率低、目标属性难以辨明等问题，利用主动声源和水听器组成的探测阵列以及声学ct三维重建算法直接获得水中目标的三维形态图像和坐标定位信息，实现水中目标的快速预警、识别定性和空间坐标定位，极大提升当前水中目标的探测和识别能力，突破现有技术瓶颈，具有很好的应用前景。
3、为达上述目的，本申请第一方面实施例提出了一种水中目标声学ct三维成像和坐标定位的装置，包括：
4、主动声源阵列，用于采用远程控制发声或定时发声；
5、水听器阵列，用于接收声学数据，所述声学数据包括来自所述主动声源阵列的直达波和水中目标及水域环境的散射波信号；
6、控制平台，用于控制所述主动声源阵列与所述水听器阵列，并收集所述主动声源阵列的发声时间、三维空间坐标信息以及所述水听器阵列的声学数据、时间信息和三维空间坐标信息；
7、ct图像重建单元，用于根据所述控制平台收集的数据进行数据解析和水中目标的ct图像重建，获得最终的目标三维形态图像和空间坐标。
8、可选的，所述主动声源阵列，包括：
9、多个主动声源，用于按照预设配置顺序发出声信号；
10、与各主动声源绑定的三维空间坐标测量定位单元，用于获取各主动声源的三维空间坐标信息，并将其发送到所述控制平台。
11、可选的，所述水听器阵列，包括：
12、多个水听器，用于接收来自所述主动声源阵列的直达波和水中目标及水域环境的散射波信号，其中，所述水听器的布置方式为拖曳声呐阵列或水中分散布置的水听器阵列；
13、与各水听器绑定的三维空间坐标测量定位单元，用于获取各水听器的三维空间坐标信息，并将其发送到所述控制平台。
14、可选的，所述控制平台，包括：
15、探测程序设置单元，用于设置各所述主动声源发声顺序、发声间隔、以及各所述水听器的数据采集频率；
16、时间同步单元，用于设置各所述主动声源与各所述水听器的时间同步；
17、远程通信单元，用于实现所述控制平台与所述主动声源阵列和所述水听器阵列的远程通讯。
18、可选的，所述ct图像重建单元，用于：
19、将水声成像中图像重建的问题转换为目标区域各成像点散射系数分布的求解问题，并通过水下声学三维ct图像解析聚焦重建算法与水下声学三维ct图像迭代重建算法中的至少一种得到最终的目标三维形态图像。
20、可选的，所述水下声学三维ct图像解析聚焦重建算法的处理过程为：
21、假设t＝0时主动声源发出一个窄脉冲信号p0(t)，则水听器j对主动声源i的响应可表示为：
22、
23、其中,d(x,y,z)为衰减系数，a(x,y,z)为目标散射系数分布,δt为传播用时；
24、计算位于(xi,yi,zi)处的主动声源i发出声波到虚拟聚焦点p处产生回波到达位于(xj,yj,zj)处的接收阵元j的时间δt，表达式为：
25、
26、其中，s为声传播路径；
27、当满足远场条件时，传播路径近似为直线，上式能够改写为：
28、
29、其中，τ为积分变量，τ＝0时代表声信号位于发射处，τ＝1时代表声信号位于接收处；
30、在计算出δt后，根据采样率fs计算出采样点序数，并代入水听器数据得到该组发射-接收阵元ij在点p处的声压贡献pij，表达式为：
31、pij＝ij[·fs]
32、其中，原始的水听器数据存储在一个二维矩阵s中，矩阵的元素sij是一个长度为l的数组，代表主动声源i发出声波后水听器j接收到的l个采样点；
33、遍历发射-接收声源组合并求和，得到点p的总声压，表达式为：
34、
35、其中，p(x,y,z)为点p的总声压；
36、经过归一化后，该区域的声压分布反映了散射系数的相对分布，如果目标区域存在目标，目标位置的散射系数将远大于周围水域，从而完成图像重建，得到最终的目标三维形态图像。
37、可选的，所述水下声学三维ct图像迭代重建算法的处理过程为：
38、假设一个三维区域，其原点o为目标成像区域的中心，主动声源si(xi,yi,zi)和水听器rj(xj,yj,zj)是声源-水听器阵列中的某一组合，p(x,y,z)为目标成像区域的任意一点，则水听器在t时刻接收到的回波pij(t)能够表示为：
39、
40、在远场条件下，由于声波在成像区域内部的衰减忽略不计，上式能够改写为：
41、
42、式中，r0为声源和水听器距离成像区域中心o的距离之和，si和sj为点p在直线sio和直线orj上的投影距离；
43、设声波入射夹角为θi本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种水中目标声学CT三维成像和坐标定位的装置，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述主动声源阵列，包括：
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述水听器阵列，包括：
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述控制平台，包括：
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述CT图像重建单元，用于：
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述水下声学三维CT图像解析聚焦重建算法的处理过程为：
7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述水下声学三维CT图像迭代重建算法的处理过程为：
8.一种应用权利要求1-7中任一项装置的水中目标声学CT三维成像和坐标定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
9.一种电子设备，其特征在于，包括：处理器，以及与所述处理器通信连接的存储器；
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质中存储有计算机执行指令，所述计算机执行指令被处理器执行时用于实现如权利要求8所述的方法。
【技术特征摘要】
1.一种水中目标声学ct三维成像和坐标定位的装置，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述主动声源阵列，包括：
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述水听器阵列，包括：
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述控制平台，包括：
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述ct图像重建单元，用于：
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述水下声学三维ct图像解析聚焦重建算法的处理过...
【专利技术属性】
技术研发人员：李亮，李建松，陈志强，张丽，龚景松，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：
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