一种水下目标信号散射的仿真方法技术

本发明专利技术公开了一种水下目标信号散射的仿真方法，包括如下步骤：1、建立系统物理模型，设定成像背景区域的长宽，将目标物置于成像背景区域，将整个成像背景区域分成多个板块元；模拟采用面阵换能器阵列，发射正弦波信号；2、发射信号后，计算获得回波信号数据；3、对接收的不同回波信号进行预处理；4、得到回波数据后，显示目标图像。本发明专利技术基于声波在水中传播时良好的稳定性，采用仿真方式获取目标物的回波数据；把整个成像区域分割成若干板块元，提高了成像的分辨率。采用延时叠加聚焦处理回波数据，使各阵元期望信号能够同相叠加，提高了输出信噪比。利用对数压缩，增强了图像显示强度，最后经过灰度映射呈现出较高分辨率的目标图像。

A Simulation Method for Scattering of Underwater Target Signals

【技术实现步骤摘要】
一种水下目标信号散射的仿真方法
本专利技术涉及超声成像领域，尤其涉及一种水下目标信号散射的仿真方法。
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。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。
技术实现思路
专利技术目的：针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的是提供一种高分辨率的水下目标回波特性仿真方法，该方法基于声学散射特性，能够在水下近场条件下，可靠有效地实现目标物结构成像。技术方案：一种水下目标信号散射的仿真方法，包括如下步骤：步骤1、建立系统物理模型，设定成像背景区域的长宽，将目标物置于成像背景区域，将整个成像背景区域分成多个板块元；模拟采用面阵换能器阵列，发射正弦波信号；优选采用大小相同的正方形板块元；步骤2、发射信号后，计算获得回波信号数据；步骤3、对接收的不同回波信号进行预处理；步骤4、得到回波数据后，显示目标图像。进一步的，所述步骤2中，利用kirchhoff散射定律计算获得回波信号数据。进一步的，所述步骤3中，采用延时叠加聚焦的方式对回波数据进行预处理。所述延时叠加聚焦的原理如下：式中，s(t)为接收到的回波信号，N为换能器总数，r/c为信号传播时间，τn为第n个换能器得时延，SDAS(t)是回波数据经过延时叠加波束形成后的回波数据。进一步的，所述步骤4中，利用对数压缩对成像数据进行处理，增强图像显示强度，并采用灰度映射显示所述目标图像的灰度图像。和现有技术相比，本专利技术具有如下显著进步：1、本专利技术基于声波在水中传播时良好的稳定性，利用kirchhoff散射定律采用仿真方式获取目标物的回波数据。2、把整个成像区域分割成若干板块元，以提高成像的分辨率。3、对每个板块元的回波数据进行延时叠加聚焦处理，使各阵元期望信号能够同相叠加，提高输出信噪比。3、利用对数压缩，增强图像显示强度，最后经过灰度映射呈现出较高分辨率的目标图像。附图说明图1为本专利技术系统模型图；图2为本专利技术算法流程图；图3为延时叠加聚焦示意图；图4为回波数据波形图；图5为本专利技术实验结果仿真图。具体实施方式以下将结合具体实施例和附图，对本专利技术的技术方案做详细的说明。如图1所示为本专利技术系统模型图，本实施例中，采用本专利技术的算法对一个长45cm宽15cm的十字架目标成像，步骤如下：步骤1：假设目标十字架中心位于坐标原点，把十字架目标分成边长为1cm的正方形板块元，R代表接收阵元到板块元的距离矢量，R1代表发射阵元到板块元的距离矢量。步骤2：设r0代表接收阵元到坐标原点的位置矢量，R0代表发射阵元的位置矢量。步骤3：设r是目标十字架上板块元位置矢量，n是其表面单位外法线矢量。步骤4：根据格林函数理论，空间中任意一点r0处散射声势函数可由kirchhoff积分表示为：式中，s为目标表面，G(r0,r)＝exp(jkR)/R是格林函数，j为虚数，k为角频率。步骤5：采用积分方程法求解步骤4公式中的未知量当目标特征线度远大于声纳发射信号波长时，由物理声学理论可得到以下近似条件：即散射场可由入射场表示，其中V(θ)是目标表面反射系数。步骤6：入射波势函数i为虚数，由此可知：步骤7：近场时，点声源照射到目标上的发射信号不再满足平面波的近似条件，则此时：此公式即为计算近场目标回波的公式。步骤8：由于不同换能器和目标成像点的位置存在差异，故需要对接收的不同回波信号进行不同时延，此处采用延时叠加波束形成对获得的回波数据进行预处理，处理后的回波数据可以在期望方向得到同相增强。延时叠加聚焦原理如下：式中，s(t)为接收到的回波信号，N为换能器总数，r/c为信号传播时间，τn为第n个换能器得时延。步骤9：利用s＝clog(1+r)公式对各成像数据进行对数压缩处理，以达到最后图像更有对比度的效果，其中c是常数，本实施例中，c取10，r为成像元素的值。最后根据灰度映射显示出目标物的灰度图像。如图2所示为本专利技术的算法流程：发射阵元发射正弦波信号，目标被分成若干个板块元，信号到达目标的某个板块元时会反射出回波信号，利用声学的反射原理仿真得到接收阵元接收到的回波信号，通过对回波信号进行延时叠加聚焦使得各接收阵元的期望信号同相相加，采用灰度映射的方法显示目标物体的仿真图像。如图3所示，线性阵列的长度为2L，接收阵元的坐标用(0,v)表示，c表示声速，原始发射信号把直角坐标换为极坐标表示后，θ＝arctan(y/x)，由于信号的幅值在成像中并没起到关键作用，此处不考虑信号的衰减，故假设点(x,y)处接收到的信号被完全发射，则经过延时叠加聚焦后的回波信号为：根据条件化简上式得：如图4所示，采用4个发射阵元、9个接收阵元收发分置的情况下，根据步骤7中近场声的散射函数仿真得到的回波数据。如图5所示，为了验证上述方法的可行性，进行了相关实验仿真，工作频率为100KHZ，图(a)为4个发射阵元9个接收阵元的收发分置，成像深度为1.5米，阵元间距为4倍半波长的仿真图，图(b)为同条件下阵本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水下目标信号散射的仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、建立系统物理模型，设定成像背景区域的长宽，将目标物置于成像背景区域中，将整个成像背景区域分成多个板块元；模拟采用面阵换能器阵列，发射正弦波信号；步骤2、发射信号后，计算获得回波信号数据；步骤3、对接收的不同回波信号进行预处理；步骤4、得到回波数据后，显示目标图像。

【技术特征摘要】
1.一种水下目标信号散射的仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、建立系统物理模型，设定成像背景区域的长宽，将目标物置于成像背景区域中，将整个成像背景区域分成多个板块元；模拟采用面阵换能器阵列，发射正弦波信号；步骤2、发射信号后，计算获得回波信号数据；步骤3、对接收的不同回波信号进行预处理；步骤4、得到回波数据后，显示目标图像。2.根据权利要求1所述的水下目标信号散射的仿真方法，其特征在于：所述步骤2中，利用kirchhoff散射定律计算获得回波信号数据。3.根据权利要求1所述的水下目标信号散射的仿真方法，其特征在于：所述步骤3中，采用延时...

【专利技术属性】
技术研发人员：李鹏，夏翔，俞传富，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