一种水下声成像算法研究及扩展.docx

? ? 一种水下声成像算法研究及扩展 ? ? 作者/廖鹏，中国船舶重工集团公司第七一〇研究所 一种水下声成像算法研究及扩展 作者/廖鹏，中国船舶重工集团公司第七一〇研究所 本文阐述了水下声成像的基本原理与研究的重要意义，利用Kraken简正波模型进行了水下声场传播模型的仿真，分析了水中声波在距离上和深度上的衰减情况。推导了一种三阵元水听器系统的成像方法并给出了仿真结果，最后将算法由二维成像扩展到三维成像。 水下声成像；Kraken简正波模型；三维成像 引言 水下声成像是声成像的一个分支，在水声探测中有着重要的作用，通过物体对声波的后向散射作用进行水下定位，逐点画图成像。利用声波进行成像，是在声纳测距与测向的基础上发展而来的。声纳测距主要是利用接收回波与发射脉冲信号间的时间差，计算出目标的距离；声纳测向主要是利用回波到达由多个换能器组成的水听器系统的声程差和相位差，计算出目标的方位。 在水下声成像中，基本的声成像技术有三种：声透镜技术、波束形成技术、声全息技术。这三种声成像方法都使用相同的操作：空间处理（从声场中得到图像）、换能（将声能转换成电能）、检波（将高频信号转换成可观测且接近直流的图像信号）、显示（以某种形式显示为图像）。这三种方法的不同之处在于对这些操作进行的先后顺序的不同。 本文使用的是一种与以上三种均不同的新的声成像方法。三个换能器的空间位置形成各自距离相等正三角形，组成一个水听器系统。利用回波信号到其中两个等效阵元之间的相位差、时间差和振幅差值，测定各个目标点的距离与方位。 1.水下声场仿真 目前用于计算浅海混响的理论模型主要有射线模型、简正波模型，本文使用简正波模型进行水下声场仿真。利用简正波模型来计算水下混响的基本思想最早由Bucker和Morris于1968年提出，简正波混响模型用数学公式描述为： 其中，R(t)是t时刻的混响强度，I0是持续时间为τ0的声源强度，Gm是指经路径m从声源到散射元dA的传播。Gn是指经路径n从散射元dA到接收器的传播。Smn是指单位区域对入射路径m外向路径n的散射，rmn是指从声源或接收器到散射元dA的距离，dA基本的散射区域。求和是相对于连接声源与接收器和散射元的所有路径（射线或模态）。积分是相对于t时刻对混响有贡献的所有散射区域。 水下声场仿真主要由三部分组成，分别为目标亮点回波信号产生、前置预处理和后置处理。 （1）目标亮点回波产生：主动发射一个载频信号，经信道传输，由反射点时延、相位时延形成反射后的回波信号，总目标反射的回波信号实际上是由目标亮点回波的相干叠加合成。 （2）前置预处理：完成对信号的预处理，为后续波束形成和图像生成提供可靠的数据，功能主要包括对仿真信号的采用、高频带通滤波器、正交解调、低通滤波和低频抽取等。 （3）后置处理：完成前置预处理后仿真信号的复数字波束形成，对目标方位、距离、强度等信息进行估计，再利用图像色彩显示控制技术最终生成瞬态回波图像，即目标二维亮点强度分布区。 图1 浅海声速剖面图 图2 深海声速剖面图 海洋中的平均声速近似等于1500m/s，声速随温度、盐度、压力的增加而增加，其中以温度的影响最显著。声速在海中的声速剖面图如图1和图2所示。图1表示的是浅海（0～250米）的声速剖面图，图2表示的是深海（0～4000米）的声速剖面图。在浅海，海洋表面受到阳光照射时水温较高，声速随着深度增加而降低，呈现声速负梯度；在深海，水温比较低而且稳定，声速随着深度的增加而增加，呈现海洋内部的声速正梯度。 根据浅海的声速梯度分布，利用Kraken简正波模型对浅海水下声传播进行仿真。声速剖面图如图1所示，假设海面为3级海况，水深为250m，声源频率为500Hz，声源深度为60m，海水密度为1.03g/cm2，吸收系数等于0.15dB/kmHz。声场仿真图如下图3所示。 图3 浅海水下声场仿真图 图3的左边的图表示声波在深度和距离上的传播损失，右图表示的是在深度60m处，即声源位置处开始，声波随距离的衰减趋势。由图3可以看出，越靠近声源的位置声强越大，但是水下声传播过程中的衰减并不是线性的。 声场中任意点的声压公式为： 且p(r,z, ω) =S(ω)g(r,z,ξ)，上式可化为： 其中，S(ω)为声源信号，g(r,z,ω)为声场的传播函数。 2.声成像算法研究 本文假设的声纳系统共有三个收发合制的换能器，三个换能器的空间位置成正三角形，同时接收各个方向上的回波信号。DDS信号发生器产生22kHz～24kHz的线性调频信号LFM，经过三个发射换能器轮流向水中或者空气中发射出去。三个换能器的空间位置是相互固定的，它们理论上可以根据接收到的回波信号确定空间任一点的位置。下面以平面内两个换能器确定平面内任意一点为例，建立理想情况下的声传播模型（即认为声在介