本申請涉及目標(biāo)檢測，尤其涉及一種水下目標(biāo)檢測裝置及方法。

背景技術(shù)：

1、隨著渾水域水下施工、油氣采收等業(yè)務(wù)需求的增長，迫切需要高分辨成像聲納系統(tǒng)進(jìn)行水下目標(biāo)檢測工作。相關(guān)技術(shù)中，多波束成像聲納采用線陣或面陣接收方式，如前視成像聲吶通過回波處理給出水下目標(biāo)形狀和輪廓的二維圖像，三維聲吶采用面陣接收回波信號(hào)，通過二維波束形成實(shí)現(xiàn)垂直和水平方位分辨，得到三維圖像。但這類采用寬角度發(fā)射和常規(guī)波束形成方法的產(chǎn)品，成像分辨率受接收陣孔徑制約。

2、例如，對水下采油樹孔觀測時(shí)，需要對4-5米距離處的操作面板上43毫米直徑插孔進(jìn)行觀察和定位，為了滿足對成像分辨率的需求，需要采用更高頻率和更大聲學(xué)孔徑來實(shí)現(xiàn)高分辨水下觀察，但聲納系統(tǒng)成本遠(yuǎn)高于潛水員水下探摸費(fèi)用。

3、在相關(guān)技術(shù)中，還可以通過合成孔徑方法和高分辨方位估計(jì)方法來提高陣列的方位估計(jì)性能。合成孔徑方法需要精確的位置補(bǔ)償，且受應(yīng)用場景限制，難以在狹窄空間進(jìn)行布設(shè)；高分辨方位估計(jì)算法在被動(dòng)聲納領(lǐng)域中進(jìn)行了大量研究和應(yīng)用，實(shí)際工程應(yīng)用中該類高分辨方法受陣形誤差、信道畸變影響，導(dǎo)致穩(wěn)健性不佳。

4、由于主動(dòng)聲納圖像包括距離和方位維，在距離維上提高回波平穩(wěn)快拍數(shù)與距離分辨相互矛盾。為了實(shí)現(xiàn)一定的距離分辨，回波序列平穩(wěn)快拍數(shù)通常不足以支持協(xié)方差估計(jì)，導(dǎo)致主動(dòng)聲納的高分辨方位估計(jì)性能變差。其次，主動(dòng)聲納需要對每一距離單元進(jìn)行協(xié)方差估計(jì)和求逆/特征值分解，當(dāng)陣元數(shù)目較高時(shí)，計(jì)算量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過同等陣元條件下被動(dòng)聲納高分辨處理。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本申請?zhí)岢鲆环N水下目標(biāo)檢測裝置及方法，實(shí)現(xiàn)了距離維和方位維同步高分辨處理，提高了成像計(jì)算效率，成像性能穩(wěn)定。

2、為了達(dá)到上述目的，本申請采用如下技術(shù)方案：

3、第一方面，提供一種水下目標(biāo)檢測裝置，該裝置包括聲吶探頭以及轉(zhuǎn)動(dòng)軸。聲吶探頭繞轉(zhuǎn)動(dòng)軸在水平面上作勻速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；聲吶探頭包括聲學(xué)基陣以及目標(biāo)成像模塊，聲學(xué)基陣包括發(fā)射陣以及接收陣；發(fā)射陣包括一個(gè)發(fā)射換能器，發(fā)射換能器按照預(yù)設(shè)周期發(fā)射單頻脈沖信號(hào)；接收陣采用稀疏布陣方式，接收陣采集回波信號(hào)，得到多通道陣列數(shù)字信號(hào)，并對多通道陣列數(shù)字信號(hào)進(jìn)行正交解調(diào)、降采樣處理，得到多通道接收序列；目標(biāo)成像模塊根據(jù)信號(hào)接收時(shí)刻對多通道接收序列分段，得到多個(gè)分段序列，并根據(jù)capon算法計(jì)算得到每個(gè)分段序列的方位估計(jì)結(jié)果；目標(biāo)成像模塊將每個(gè)周期內(nèi)的多個(gè)分段序列的方位估計(jì)結(jié)果組合，得到每個(gè)周期對應(yīng)的扇面數(shù)據(jù)，并將旋轉(zhuǎn)掃描過程中每個(gè)周期的扇面數(shù)據(jù)組合得到水下目標(biāo)成像結(jié)果。

4、在一些實(shí)施例中，單頻脈沖信號(hào)形成的波束在水平方向上開角的范圍為1°-5°、在垂直方向上開角的范圍為15°-40°，單頻脈沖信號(hào)的脈寬范圍為15-100微秒。

5、在一些實(shí)施例中，接收陣的第一級(jí)柵瓣方位角與接收陣正橫方向的夾角，大于五倍的發(fā)射扇面角，發(fā)射扇面角為單頻脈沖信號(hào)形成的波束在水平方向上的夾角。

6、第二方面，提供了一種水下目標(biāo)檢測方法，應(yīng)用于如第一方面提出的水下目標(biāo)檢測裝置。該方法包括：發(fā)射換能器按照預(yù)設(shè)周期發(fā)射單頻脈沖信號(hào)。接收陣采集回波信號(hào)，得到多通道陣列數(shù)字信號(hào)，并對多通道陣列數(shù)字信號(hào)進(jìn)行正交解調(diào)、降采樣處理，得到多通道接收序列。根據(jù)信號(hào)接收時(shí)刻對多通道接收序列分段，得到多個(gè)分段序列；根據(jù)capon算法計(jì)算得到每個(gè)分段序列的方位估計(jì)結(jié)果；將每個(gè)周期內(nèi)的多個(gè)分段序列的方位估計(jì)結(jié)果組合，得到每個(gè)周期對應(yīng)的扇面數(shù)據(jù)；將旋轉(zhuǎn)掃描過程中每個(gè)周期的扇面數(shù)據(jù)組合得到水下目標(biāo)成像結(jié)果。

7、在一些實(shí)施例中，多通道接收序列中信號(hào)的基帶形式為；其中，表示第陣元對應(yīng)的脈沖的接收時(shí)域回波信號(hào)，為接收陣元的陣元序號(hào)，為時(shí)域采樣點(diǎn)。

8、在一些實(shí)施例中，上述根據(jù)信號(hào)接收時(shí)刻對多通道接收序列分段，得到多個(gè)分段序列，包括：根據(jù)信號(hào)接收時(shí)刻，對多通道接收序列中的信號(hào)進(jìn)行排序；基于預(yù)設(shè)分段信號(hào)數(shù)量以及信號(hào)重疊比例，對多通道接收序列分段，得到多個(gè)分段序列，多個(gè)分段序列中任意兩個(gè)相鄰的分段序列重復(fù)的信號(hào)數(shù)量，與分段序列包括的信號(hào)數(shù)量的比值為信號(hào)重疊比例。

9、在一些實(shí)施例中，上述根據(jù)capon算法計(jì)算得到每個(gè)分段序列的方位估計(jì)結(jié)果，包括：針對每個(gè)分段序列，對分段序列進(jìn)行協(xié)方差估計(jì)，得到分段序列對應(yīng)的協(xié)方差矩陣；基于分段序列中信號(hào)的平均能量，對協(xié)方差矩陣進(jìn)行對角加載，得到加載后的協(xié)方差矩陣；根據(jù)ldlt方法計(jì)算加載后的協(xié)方差矩陣的逆；根據(jù)分段序列對應(yīng)的距離，計(jì)算分段序列的導(dǎo)向矢量；基于加載后的協(xié)方差矩陣的逆以及導(dǎo)向矢量，采用capon算法計(jì)算得到分段序列的方位估計(jì)結(jié)果。

10、在一些實(shí)施例中，上述根據(jù)分段序列對應(yīng)的距離，計(jì)算分段序列的導(dǎo)向矢量，包括：根據(jù)聲吶探頭的聲吶孔徑以及單頻脈沖信號(hào)的波長，確定判定距離；在分段序列對應(yīng)的距離大于或等于判定距離的情況下，基于遠(yuǎn)場導(dǎo)向矢量計(jì)算公式，計(jì)算分段序列的導(dǎo)向矢量；在分段序列對應(yīng)的距離小于判定距離的情況下，基于近場導(dǎo)向矢量計(jì)算公式，計(jì)算分段序列的導(dǎo)向矢量。

11、在一些實(shí)施例中，上述遠(yuǎn)場導(dǎo)向矢量計(jì)算公式為：

12、

13、上述近場導(dǎo)向矢量計(jì)算公式為：

14、

15、其中，為第個(gè)陣元與陣列原點(diǎn)之間的距離，為音速，為信號(hào)頻率，為導(dǎo)向角度，為聚焦點(diǎn)與陣列原點(diǎn)之間的距離，為聚焦點(diǎn)與各陣元之間的距離。

16、在一些實(shí)施例中，上述將旋轉(zhuǎn)掃描過程中每個(gè)周期的扇面數(shù)據(jù)組合，得到水下目標(biāo)成像結(jié)果，包括：對多個(gè)周期中相鄰周期的扇面數(shù)據(jù)的重疊區(qū)域做平均濾波處理；對每相鄰預(yù)設(shè)數(shù)量個(gè)周期的扇面數(shù)據(jù)做雙線性插值處理；將處理后的每個(gè)周期的扇面數(shù)據(jù)組合，得到水下目標(biāo)成像結(jié)果。

17、采用本申請?zhí)峁┑乃履繕?biāo)檢測裝置及方法，在進(jìn)行水下目標(biāo)檢測時(shí)，具有以下突出的優(yōu)點(diǎn)和效果。第一，聲吶探頭中接收陣采用稀疏布陣方式，硬件電路簡單，系統(tǒng)集成代價(jià)低；第二，協(xié)方差矩陣的階數(shù)較低，一般取8-24階，矩陣求逆復(fù)雜度小，主動(dòng)高分辨率成像方法的計(jì)算代價(jià)??；第三是發(fā)射波束水平角度小，協(xié)方差矩陣估計(jì)對應(yīng)的空間范圍小，估計(jì)所需的信號(hào)快拍數(shù)也小，這樣就保證了距離分辨能力；第四是對角加載取值參照分段序列的平均能量，因?yàn)殛嚵薪邮招盘?hào)來自窄角度空間范圍，各方位的平均能量不同，這樣就具有自適應(yīng)對角加載量，保障了目標(biāo)成像質(zhì)量的穩(wěn)定。

技術(shù)特征：

1.一種水下目標(biāo)檢測裝置，其特征在于，包括聲吶探頭以及轉(zhuǎn)動(dòng)軸；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下目標(biāo)檢測裝置，其特征在于，所述單頻脈沖信號(hào)形成的波束在水平方向上開角的范圍為1°-5°、在垂直方向上開角的范圍為15°-40°，所述單頻脈沖信號(hào)的脈寬范圍為15-100微秒。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下目標(biāo)檢測裝置，其特征在于，所述接收陣的第一級(jí)柵瓣方位角與所述接收陣正橫方向的夾角，大于五倍的發(fā)射扇面角，所述發(fā)射扇面角為所述單頻脈沖信號(hào)形成的波束在水平方向上的夾角。

4.一種水下目標(biāo)檢測方法，其特征在于，應(yīng)用于如權(quán)利要求1-3任一所述的水下目標(biāo)檢測裝置，所述方法包括：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的水下目標(biāo)檢測方法，其特征在于，所述多通道接收序列中信號(hào)的基帶形式為；

6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的水下目標(biāo)檢測方法，其特征在于，所述根據(jù)信號(hào)接收時(shí)刻對所述多通道接收序列分段，得到多個(gè)分段序列，包括：

7.根據(jù)權(quán)利要求4中任意一項(xiàng)所述的水下目標(biāo)檢測方法，其特征在于，所述根據(jù)capon算法計(jì)算得到每個(gè)分段序列的方位估計(jì)結(jié)果，包括：

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的水下目標(biāo)檢測方法，其特征在于，所述根據(jù)所述分段序列對應(yīng)的距離，計(jì)算所述分段序列的導(dǎo)向矢量，包括：

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的水下目標(biāo)檢測方法，其特征在于，所述遠(yuǎn)場導(dǎo)向矢量計(jì)算公式為：所述近場導(dǎo)向矢量計(jì)算公式為：其中，為第個(gè)陣元與陣列原點(diǎn)之間的距離，為音速，為信號(hào)頻率，為導(dǎo)向角度，為聚焦點(diǎn)與陣列原點(diǎn)之間的距離，為聚焦點(diǎn)與各陣元之間的距離。

10.根據(jù)權(quán)利要求4中任意一項(xiàng)所述的水下目標(biāo)檢測方法，其特征在于，所述將旋轉(zhuǎn)掃描過程中每個(gè)周期的扇面數(shù)據(jù)組合，得到水下目標(biāo)成像結(jié)果，包括：

技術(shù)總結(jié)
本申請?zhí)岢鲆环N水下目標(biāo)檢測裝置及方法，涉及目標(biāo)檢測技術(shù)領(lǐng)域，用于實(shí)現(xiàn)距離維和方位維同步高分辨處理。該裝置包括聲吶探頭以及轉(zhuǎn)動(dòng)軸。聲吶探頭繞轉(zhuǎn)動(dòng)軸在水平面上作勻速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；聲吶探頭包括聲學(xué)基陣以及目標(biāo)成像模塊；發(fā)射陣包括發(fā)射換能器，發(fā)射換能器按照預(yù)設(shè)周期發(fā)射單頻脈沖信號(hào)。接收陣采用稀疏布陣方式，接收陣采集回波信號(hào)得到多通道陣列數(shù)字信號(hào)，并對多通道陣列數(shù)字信號(hào)進(jìn)行正交解調(diào)、降采樣處理，得到多通道接收序列。目標(biāo)成像模塊根據(jù)Capon算法計(jì)算得到每個(gè)分段序列的方位估計(jì)結(jié)果；將每個(gè)周期內(nèi)的多個(gè)分段序列的方位估計(jì)結(jié)果組合，得到每個(gè)周期對應(yīng)的扇面數(shù)據(jù)，并將旋轉(zhuǎn)掃描過程中每個(gè)周期的扇面數(shù)據(jù)組合得到水下目標(biāo)成像結(jié)果。

技術(shù)研發(fā)人員：鄒濤,韋君龍,王磊
受保護(hù)的技術(shù)使用者：廣州大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/8