本發(fā)明屬于水聲探測，具體涉及一種基于陣元的聲吶單脈沖三維成像方法、存儲介質(zhì)及電子設(shè)備。

背景技術(shù)：

1、聲吶是利用水中聲波對水下目標(biāo)進(jìn)行探測、定位和通信的電子設(shè)備，是水聲學(xué)中應(yīng)用最廣泛、最重要的一種裝置。它利用聲波在水下的傳播特性，通過電聲轉(zhuǎn)換和信息處理，完成對水下目標(biāo)的探測、定位和通信，判斷海洋中物體的存在、位置及類型，同時也用于水下信息的傳輸。

2、多波束成像算法是聲吶成像的主要研究方向之一，基陣列采集到信號后，需要通過波束形成技術(shù)對信號進(jìn)行處理從而獲得有效的信息，通過對陣列信號進(jìn)行處理，以此獲得系統(tǒng)在某個方向的指向性，并通過該指向性來獲取信號的方位信息。多波束聲吶系統(tǒng)通常采用一個由多個陣元組成的線陣或面陣，與小孔徑基陣對比，大孔徑基陣的成像聲吶具有更高的分辨率，典型的多波束聲吶系統(tǒng)可能包含幾十到幾百個陣元，較大尺寸的基陣會為其帶來空間與重量上的負(fù)擔(dān)，并增加換能器制造成本及工藝復(fù)雜度。

3、合成孔徑聲技術(shù)采用了小孔徑基陣，通過聲吶載體走航的方式合成虛擬的大孔徑基陣，不需要增加物理基陣負(fù)擔(dān)便可以在航跡向得到較高的分辨率，但常規(guī)合成孔徑聲吶往往采用雙幅基陣側(cè)掃模式，其載體平臺正下方區(qū)域會出現(xiàn)探測隙區(qū)，并且一般僅能進(jìn)行二維成像。由于sas依賴于傳感器的精確移動，平臺的穩(wěn)定性和導(dǎo)航精度對系統(tǒng)性能至關(guān)重要，在高海況或不穩(wěn)定環(huán)境下可能難以使用。

4、多波束聲吶系統(tǒng)雖然能夠提供高分辨率和廣覆蓋的水下圖，但為了提高分辨率，通常需要采用大尺寸基陣，大尺寸基陣帶來空間和重量負(fù)擔(dān)，且制造成本和工藝復(fù)雜度增加。

5、合成孔徑聲吶技術(shù)雖然可以通過小孔徑基陣和走航方式實(shí)現(xiàn)高分辨成像，但一般只能進(jìn)行二維成像。該技術(shù)對傳感器移動精度和平臺穩(wěn)定性要求高，在高海況或不穩(wěn)定環(huán)境下性能受限。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提出一種基于陣元的聲吶單脈沖三維成像方法、存儲介質(zhì)及電子設(shè)備，采用新的收發(fā)陣元體系，可用單個脈沖進(jìn)行三維成像，大大降低了制造成本；且不需要通過走航方式實(shí)現(xiàn)高分辨成像，對傳感器移動精度要求低。

2、在本發(fā)明實(shí)施例中，三維成像方法的技術(shù)方案為：一種基于陣元的聲吶單脈沖三維成像方法，包括以下步驟：

3、s1、構(gòu)建收發(fā)陣元體系，包括p個陣元，其中第一陣元發(fā)射并接收信號；除了第一陣元之外的其余陣元僅接收信號，而不發(fā)射信號；以第一陣元為原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系，其余陣元位于直角坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸上；

4、s2、采用線性調(diào)頻信號作為發(fā)射信號，發(fā)射信號經(jīng)單個探測目標(biāo)反射后，由第p個陣元接收得到單個回波信號，其中1≤p≤p；

5、s3、對單個回波信號進(jìn)行正交混頻處理；對正交混頻后的輸出信號進(jìn)行脈沖壓縮，再經(jīng)過傅里葉變換后，得到單個回波信號的頻域采樣信號；

6、s4、在所建立的直角坐標(biāo)系中，探測目標(biāo)到第p個陣元的回波時延τ相同的位置為同一個距離門，假設(shè)第p個陣元共有m個距離門，每個距離門中包含1個或多個探測目標(biāo)；則第p個陣元的頻域采樣信號表示為來自m個距離門處的回波信號的頻率采樣信號之和；

7、s5、根據(jù)第一陣元的頻域采樣信號確定探測目標(biāo)到第一陣元的距離門，并作為探測目標(biāo)到第一陣元的距離；將第一陣元的頻域采樣信號與第p’個陣元的頻域采樣信號的共軛信號相乘，得到共軛相乘后的信號；對共軛相乘后的信號進(jìn)行傅里葉變換，求得探測目標(biāo)到第一陣元和第p’個陣元的回波時延差；根據(jù)所述回波時延差，得到探測目標(biāo)到第一陣元和第p’個陣元的波程差；根據(jù)所述波程差，計算探測目標(biāo)到第p’個陣元的距離，其中2≤p’≤p；

8、s6、在直角坐標(biāo)系中將探測目標(biāo)所在位置與第一陣元連線，得到目標(biāo)陣元線；基于探測目標(biāo)到第一陣元的距離、探測目標(biāo)到第一陣元之外的其余陣元的距離，以及第一陣元與第一陣元之外的其余陣元之間的距離，根據(jù)幾何關(guān)系求得所述目標(biāo)陣元線與x軸、y軸、z軸的夾角；根據(jù)目標(biāo)陣元線與x軸、y軸、z軸的夾角確定探測目標(biāo)的三維成像結(jié)果。

9、在本發(fā)明實(shí)施例中，存儲介質(zhì)所采用的技術(shù)方案為：一種存儲介質(zhì)，其上存儲有計算機(jī)指令，當(dāng)計算機(jī)指令被處理器執(zhí)行時，實(shí)現(xiàn)本發(fā)明實(shí)施例中聲吶單脈沖三維成像方法的步驟。

10、在本發(fā)明實(shí)施例中，電子設(shè)備所采用的技術(shù)方案為：一種電子設(shè)備，包括存儲器、處理器以及存儲在存儲器上并可在處理器上運(yùn)行的計算機(jī)程序，當(dāng)處理器執(zhí)行所述計算機(jī)程序時，執(zhí)行本發(fā)明實(shí)施例中聲吶單脈沖三維成像方法的步驟。

11、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明取得的技術(shù)效果包括：

12、本發(fā)明構(gòu)建了收發(fā)陣元體系，并以收發(fā)陣元體系中的即可發(fā)射信號又可接收信號的第一陣元為中心建立直角坐標(biāo)系，其余陣元位于直角坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸上；由此本發(fā)明可用單個脈沖進(jìn)行三維成像，大大降低了制造成本，且不需要通過走航方式實(shí)現(xiàn)高分辨成像，對傳感器移動精度要求低。

技術(shù)特征：

1.一種基于陣元的聲吶單脈沖三維成像方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲吶單脈沖三維成像方法，其特征在于，步驟s1所構(gòu)建的收發(fā)陣元體系包括四個陣元，第二陣元、第三陣元和第四陣元分別位于x軸、y軸和z軸上。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲吶單脈沖三維成像方法，其特征在于，步驟s2的發(fā)射信號表示為：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的聲吶單脈沖三維成像方法，其特征在于，步驟s3中單個回波信號經(jīng)過正交混頻后的輸出信號為：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的聲吶單脈沖三維成像方法，其特征在于，步驟s4中第p個陣元的頻域采樣信號sp表示為：

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲吶單脈沖三維成像方法，其特征在于，設(shè)探測目標(biāo)有k個，第二陣元位于x軸上，探測目標(biāo)k的目標(biāo)陣元線與x軸的夾角θk為：

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲吶單脈沖三維成像方法，其特征在于，當(dāng)探測目標(biāo)對于第一陣元處于不同距離門時，首先單獨(dú)提取第一陣元一維距離向中目標(biāo)回波對應(yīng)的范圍內(nèi)每個距離門的信號，對于提取出的單個距離門的信號，滿足探測目標(biāo)在同一個距離門內(nèi)的要求，進(jìn)行步驟s5、s6的處理，得到該距離門內(nèi)探測目標(biāo)的成像結(jié)果；遍歷提取出的每一個信號，得到所有目標(biāo)的成像結(jié)果。

8.一種存儲介質(zhì)，其上存儲有計算機(jī)指令，其特征在于，所述計算機(jī)指令被處理器執(zhí)行時，實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1-7中任一項所述聲吶單脈沖三維成像方法的步驟。

9.一種電子設(shè)備，包括存儲器、處理器以及存儲在存儲器上并可在處理器上運(yùn)行的計算機(jī)程序，其特征在于，所述處理器執(zhí)行所述計算機(jī)程序時，執(zhí)行權(quán)利要求1-7中任一項所述聲吶單脈沖三維成像方法的步驟。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于水聲探測技術(shù)，具體為基于陣元的聲吶單脈沖三維成像方法、存儲介質(zhì)及電子設(shè)備。其方法包括步驟：構(gòu)建收發(fā)陣元體系，第一陣元發(fā)射并接收信號，其余陣元僅接收信號，以第一陣元為原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系，其余陣元位于坐標(biāo)軸上；發(fā)射信號經(jīng)單個探測目標(biāo)反射后由第p個陣元接收得到單個回波信號，經(jīng)正交混頻、脈沖壓縮、傅里葉變換處理，得到單個回波信號的頻域采樣信號；第p個陣元的頻域采樣信號為M個距離門處回波信號的頻率采樣信號之和；根據(jù)頻域采樣信號計算探測目標(biāo)到陣元的距離，根據(jù)幾何關(guān)系求得探測目標(biāo)與x、y、z的夾角，確定探測目標(biāo)三維成像結(jié)果。本發(fā)明可用單個脈沖進(jìn)行三維成像，降低了制造成本，對傳感器移動精度要求低。

技術(shù)研發(fā)人員：姚少輝,鄧振淼
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中山大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19