一种没有先验知识的分层介质中的目标检测与定位方法技术

本发明专利技术公开了一种没有先验知识的分层介质中的目标检测与定位方法。该方法的步骤为：在第一介质层的第一表面上设置多个阵元；由每个阵元依次发射声脉冲作为前向声束，由多个阵元分别接收声脉冲产生的接收信号；确定接收信号对应的逆向声束。预设第一介质层的第一试探声速；根据n*n个反射信号，确定第一试探声速下分界面的位形；预设第二介质层的第二试探声速；根据前向声束及逆向声束，确定阵元对应的目标的可能点；计算可能点的离散度；预设多个第一试探声速和第二试探声速，得到可能点的极小离散度；根据极小离散度确定趋近于实际值的第一试探声速、第二试探声速和分界面的位形，采用快照的TR‑RTM方法，对分层介质中的目标进行检测和定位。

【技术实现步骤摘要】
一种没有先验知识的分层介质中的目标检测与定位方法
本专利技术涉及超声检测领域，尤其涉及一种没有先验知识的分层介质中的目标检测与定位方法。
技术介绍
时间反转法是通过介质(包括非均匀介质)在没有先验知识条件下聚焦的一种方法。即各个声源发射的声脉冲，以不同时间到达空间某点。用时间反转操作，使得走时快，后发射，走时慢，先发射，使得在目标点同时达到，从而实现了目标的检测。但是这项技术存在最大的缺点是不能定位。对于分层介质，经过时间反转处理，界面的信号和目标散射的信号会产生重叠而不能区分。在物理快报(第36卷第11期)曾提出一种分层介质中目标检测和定位的快照的时间反转和逆时偏移混合TR-RTM(timereversalandreversetimemigration)方法，该方法能够实现分层介质中的目标的检测和定位。但该方法需要分层介质的先验知识。因此，在没有先验知识下(即未知上下层介质声速和界面的位形)，很难实现分层介质中的目标的检测和定位。
技术实现思路
为解决现有技术中存在的缺陷。本申请实例提供了一种没有先验知识的分层介质中的目标检测与定位方法，它能反演出分层介质的上下层介质声速和分界面的位形，并能根据反演得到的分层介质中的参数实现分层介质中的目标的较为精确地检测和定位。这里指的分层介质由第一介质层和第二介质层构成；其中，第一介质层包括第一表面，以及与第二介质层相接的分界面。目标位于第二介质层中。该目标检测与定位方法的步骤具体包括：步骤S100：在第一介质层的第一表面上设置n个阵元；由每个阵元依次作为发射阵元发射声脉冲，声脉冲作为前向声束；由n个阵元作为接收阵元，每个所述接收阵元接收n个声脉冲分别经过实际分界面反射和目标散射后到达接收阵元的接收信号。根据n*n个所述接收信号，确定每个所述接收信号对应的逆向声束。其中，接收信号包括声脉冲经过实际分界面的反射信号和目标的散射信号。步骤S200：预设p个第一介质层的第一试探声速；根据n*n个反射信号，确定第p个第一试探声速下的试探分界面的位置和形状；步骤S300：预设q个第二介质层的第二试探声速；根据n个前向声束，以及n*n个逆向声束，确定第p个第一试探声速和第q个第二试探声速下，n个阵元对应的n*(n-1)个目标的可能点；计算n*(n-1)个可能点的离散度；步骤S400：在第p个第一试探声速下，确定q个第二试探声速对应的离散度中的最小离散度；其中，最小离散度为q个离散度中的最小值；确定p个第一试探声速对应的最小离散度中的极小离散度；其中，极小离散度为p个最小离散度中的最小值；步骤S500：根据极小离散度对应的第一试探声速和第二试探声速，及极小离散度对应的第一试探声速下的试探分界面的位置和形状，采用快照的TR-RTM方法，对分层介质中的目标进行检测和定位。通过上述方法得到的极小离散度对应的第一试探声速趋近于第一介质层的实际声速；极小离散度对应的第二试探声速趋近于第二介质层的实际声速；极小离散度对应的第一试探声速下的试探分界面的位置和形状趋近于实际分界面的实际位置和形状。一个可以实现的实施例中，通过接收信号得到逆向声束的步骤包括：对接收信号进行时间反转，得到时间反转信号；将时间反转信号提前一旅行时差后作为逆向声束；其中，一旅行时差为接收阵元到目标的第二旅行时与发射阵元到目标的第一旅行时的旅行时之差。一个可以实现的实施例中，可将分层介质置于一直角坐标系中，以便量化其中的各信息的参数。具体地，直角坐标系包括x轴方向和z轴方向；第一表面在直角坐标系中的坐标为(x,0)；n个阵元设置于第一表面上，其中，第一阵元位于直角坐标系坐标原点，其余n-1个阵元等间距的沿x轴方向设置。进一步地实施例中，确定第p个第一试探声速下试探分界面的位置和形状，具体地步骤包括：根据n个前向声束及每个前向声束对应的n个反射信号，共n*n个反射信号，确定n*n个反射信号旅行时；在第一试探声速下，根据n*n个反射信号旅行时，计算得到n*n条偏移椭圆，由于不同的偏移椭圆会产生聚集，从而形成一些密集的点，n*n条偏移椭圆的部分切线构成一前沿；将构成前沿的切点拟合为趋近于实际分界面的位置和形状的试探分界面。其中，利用基尔霍夫偏移方法得到偏移椭圆，偏移椭圆为试探分界面的探测点S的集合，探测点S的坐标(xs,zs)通过下式计算得到：其中，(ai，0)为x轴上第i个发射阵元坐标，(aj，0)为x轴上第j个接收阵元坐标，c1p为第p个第一试探声速，为第i个发射阵元发射的声脉冲经由实际分界面E反射后，第j个接收阵元接收的反射信号旅行时。进一步地实施例中，确定第一试探声速和第二试探声速下目标的可能点，具体地步骤包括：首先，在第一试探声速和第二试探声速下，基于斯涅耳定律，根据读取的前向声束到达所述目标的第一旅行时，确定位于试探分界面上的第一折射点；根据第一试探声速、第二试探声速、第一旅行时和第一折射点，计算得到前向声束的波前。其次，在第一试探声速和第二试探声速下，基于斯涅耳定律，根据接收阵元发出的逆向声束到达目标的第二旅行时，确定位于试探分界面上的第二折射点；根据第一试探声速、第二试探声速、第二旅行时和第二折射点，计算得到逆向声束的波前；最后，根据前向声束的波前和逆向声束的波前，确定目标的可能点。其中，前向声束的波前为对应于发射阵元的目标的可能点的集合，对应于发射阵元的目标的可能点的坐标(xipm,zipm)通过下式计算得到：其中，(ai，0)为x轴上第i个发射阵元坐标，(xis,zis)为第i个发射阵元对应的第一折射点坐标，c1p为第p个第一试探声速，c2q为第q个第二试探声速，为第i个发射阵元对应前向声束到达目标O的第一旅行时。逆向声束的波前为对应于接收阵元的目标的可能点的集合，对应于接收阵元的目标的可能点的坐标(xjpm,zjpm)通过下式计算得到：其中，(aj，0)为x轴上第j个接收阵元坐标，(xjs,zjs)为第j个接收阵元对应的第二折射点坐标，c1p为第p个第一试探声速，c2q为第q个第二试探声速，为第j个接收阵元对应逆向声束到达目标O的第二旅行时。将前向声束的波前，即坐标(xipm,zipm)的集合，和逆向声束的波前，即坐标(xjpm,zjpm)的集合的交点坐标(xpm，zpm)，作为目标的可能点。进一步地实施例中，通过下式计算n*(n-1)个可能点的离散度：其中，v为n*(n-1)个所述可能点中任意两个所述可能点组成的可能点对的个数，v＝n(n-1)(n(n-1)-1)/2，du为第u个所述可能点对中两个所述可能点之间的距离，u∈v。本申请实施例的优点在于：在没有先验知识条件下，通过换能器多发多收的方法得到分层介质的分界面位形；通过试探分层介质中各介质的声速，计算对应的离散度，根据离散度确定各介质层的试探声速；根据第一试探声速确定对应的试探分界面位形；最终利用快照的TR-RTM方法实现了在没有先本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种没有先验知识的分层介质中目标检测与定位方法，所述分层介质包括第一介质层和第二介质层；其中，第一介质层包括第一表面，以及与所述第二介质层相接的实际分界面，所述目标位于所述第二介质层中；其特征在于，所述方法包括下列步骤：/n步骤S100：在所述第一表面上设置n个阵元；由每个所述阵元依次作为发射阵元发射声脉冲，由所述n个阵元作为接收阵元，每个所述接收阵元接收n个所述声脉冲分别经过实际分界面反射和目标散射后到达接收阵元的接收信号；根据n*n个所述接收信号，确定每个所述接收信号对应的逆向声束；其中，所述接收信号包括所述声脉冲经过所述实际分界面的反射信号和所述目标的散射信号；所述声脉冲作为前向声束；/n步骤S200：预设p个所述第一介质层的第一试探声速；根据n*n个所述反射信号，确定第p个第一试探声速下的试探分界面的位置和形状；/n步骤S300：预设q个所述第二介质层的第二试探声速；根据n个所述前向声束，以及n*n个所述逆向声束，确定第p个第一试探声速和第q个第二试探声速下，所述n个阵元对应的n*(n-1)个所述目标的可能点；计算n*(n-1)个所述可能点的离散度；/n步骤S400：在第p个所述第一试探声速下，确定q个所述第二试探声速对应的所述离散度中的最小离散度；其中，所述最小离散度为q个所述离散度中的最小值；确定p个所述第一试探声速对应的所述最小离散度中的极小离散度；其中，所述极小离散度为p个所述最小离散度中的最小值；/n步骤S500：根据所述极小离散度对应的所述第一试探声速和第二试探声速，及所述极小离散度对应的第一试探声速下的所述试探分界面的位置和形状，采用快照的TR-RTM方法，对所述分层介质中的所述目标进行检测和定位。/n...

【技术特征摘要】
1.一种没有先验知识的分层介质中目标检测与定位方法，所述分层介质包括第一介质层和第二介质层；其中，第一介质层包括第一表面，以及与所述第二介质层相接的实际分界面，所述目标位于所述第二介质层中；其特征在于，所述方法包括下列步骤：
步骤S100：在所述第一表面上设置n个阵元；由每个所述阵元依次作为发射阵元发射声脉冲，由所述n个阵元作为接收阵元，每个所述接收阵元接收n个所述声脉冲分别经过实际分界面反射和目标散射后到达接收阵元的接收信号；根据n*n个所述接收信号，确定每个所述接收信号对应的逆向声束；其中，所述接收信号包括所述声脉冲经过所述实际分界面的反射信号和所述目标的散射信号；所述声脉冲作为前向声束；
步骤S200：预设p个所述第一介质层的第一试探声速；根据n*n个所述反射信号，确定第p个第一试探声速下的试探分界面的位置和形状；
步骤S300：预设q个所述第二介质层的第二试探声速；根据n个所述前向声束，以及n*n个所述逆向声束，确定第p个第一试探声速和第q个第二试探声速下，所述n个阵元对应的n*(n-1)个所述目标的可能点；计算n*(n-1)个所述可能点的离散度；
步骤S400：在第p个所述第一试探声速下，确定q个所述第二试探声速对应的所述离散度中的最小离散度；其中，所述最小离散度为q个所述离散度中的最小值；确定p个所述第一试探声速对应的所述最小离散度中的极小离散度；其中，所述极小离散度为p个所述最小离散度中的最小值；
步骤S500：根据所述极小离散度对应的所述第一试探声速和第二试探声速，及所述极小离散度对应的第一试探声速下的所述试探分界面的位置和形状，采用快照的TR-RTM方法，对所述分层介质中的所述目标进行检测和定位。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述接收信号，确定所述接收信号对应的逆向声束，包括下列步骤：
对所述接收信号进行时间反转，得到时间反转信号；将所述时间反转信号提前一旅行时差后作为所述逆向声束；其中，所述一旅行时差为所述接收阵元到所述目标的第二旅行时与所述发射阵元到所述目标的第一旅行时的旅行时之差。


3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定第p个第一试探声速下，所述试探分界面的位置和形状，包括：
根据n个所述前向声束及每个所述前向声束对应的n个所述反射信号，共n*n个所述反射信号，确定n*n个反射信号旅行时；
在所述第一试探声速下，根据所述n*n个反射信号旅行时，计算得到n*n条偏移椭圆，n*n条所述偏移椭圆的部分切点构成一前沿；将构成所述前沿的切点拟合为趋近于所述实际分界面的位置和形状的所述试探分界面。


4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定所述第一试探声速和第二试探声速下，所述目标的可能点，包括：
在所述第一试探声速和第二试探声速下，基于斯涅耳定律，根据读取的所述前向声束到达所述目标的第一旅行时，确定位于所述试探分界面上的第一折射点；
根据所述第一试探声速、第二试探声速、第一旅行时和第一折射点，计算得到所述前向声束的波前；
在所述第一试探声速和第二试探声速下，基于斯涅耳定律，根据所述接收阵元发出的所述逆向声束到达所述目标的第二旅行时，确定位于所述试探分界面上的第二折射点；
根据所述第一试探声速、第二试探声速、第二旅行时和第二折射点，计算得到所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨红娟，汪承灏，李鉴，马军，李俊红，王文，
申请(专利权)人：中国科学院声学研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11