基于時延優(yōu)化的三維成像聲吶視野展寬方法研究

杜方鍵，張永峰，張志正，郭小飛

(1.中國電子科技集團公司第二十七研究所，河南鄭州 450047；2.鄭州市水下信息系統(tǒng)技術重點實驗室，河南鄭州 450047；3.鄭州宇通客車股份有限公司，河南鄭州 450047)

0 引 言

水下聲成像技術在水下探測尤其是海底測繪、海底物體探測與識別的應用中發(fā)揮著重要作用，具有廣泛的應用前景。早期的二維成像聲吶[1]僅能提供二維信息[2]，隨著地形勘探、結構檢查、物體測量等水下業(yè)務的迅速拓展，對立體、精細的水下成像需求愈發(fā)迫切，推動了水下三維成像技術[3]的發(fā)展進步。水下三維成像技術可快速生成水下地形、結構、物體的三維高分辨率圖像，提供直觀豐富的細節(jié)描述。三維成像分為近場與遠場兩種情形。遠場條件下，波束形成的時延參數(shù)容易準確計算出來；而近場條件下，必須考慮波前彎曲程度，需要對波束形成進行聚焦處理。近場條件下，我們一般使用一種近似時延方法，通常情況下采用菲涅耳近似(Fresnel approximation)[4-5]，但是 Lawrence J.Ziomek指出，使用菲涅耳近似必須滿足三個條件[6]，其中第一個條件就是限制成像聲吶的有效視野范圍：|θ|≤18°，這在很大程度上減小了聲吶成像的效率。隨著成像聲吶技術的迅速發(fā)展，Andrea Trucco在1997年提出了一種基于菲涅耳近似的最小二乘近似[7]。該方法的核心是將菲涅耳近似的時延表達式進行加權，應用在線列陣中的確擴大了成像的有效視野范圍，但該方法是否同樣適用其它陣形的成像聲吶，還需進一步研究。

本文針對平面陣近場聚焦波束形成[8-9]，研究并探討了一種時延優(yōu)化方法。該方法是在方位角和俯仰角的重新定義下，將準確的時延表達式按泰勒公式展開，取前三項，并對每一項進行加權；然后，通過求三個加權系數(shù)的偏導，再令其等于零，求出最優(yōu)加權系數(shù)，此時優(yōu)化的時延表達式與準確時延表達式的誤差最小。優(yōu)化的時延表達式不僅擴大了成像聲吶的有效視野范圍，而且更接近于準確的時延表達式。最后，通過計算機仿真驗證了本文方法的優(yōu)越性。

1 平面陣的聚焦波束形成

平面陣的布放結構如圖1所示。假設有M×N個陣元組成的平面陣放置于z=0的平面，第(m,n)號陣元的坐標可以表示成v=(xm,yn,0)，其中m=1,2,…,M，n=1,2,…,N。

圖1 平面陣的布放結構Fig.1 The layout of planar array

俯仰角θe與方位角θa的定義如圖1所示，波束信號的方向向量可以表示為

則平面陣接收信號進行聚焦波束形成之后的輸出可表示為

其中：xm,n(t)是第(m,n)號陣元接收到的時域信號；wm,n是幅度加權值；τ(r0,u,m,n)表示第(m,n)號陣元接收的距離為r0、波束方向為u的目標回波信號的時延。目標位于近場區(qū)域時，時延參數(shù)可以精確表示為

其中：c為聲波傳播速度，表示歐幾里德范數(shù)。

由式(3)可知，在聚焦距離r0一定的情況下，第(m,n)號陣元接收目標回波信號的時延參數(shù)就是關于掃描角的函數(shù)。而成像聲吶需要較寬的有效視野范圍，為此，設想構造一種方法可以優(yōu)化時延參數(shù)，使掃描角得以展寬。

2 時延優(yōu)化算法

則精確的時延表達式可以展開為

在菲涅耳近似條件下，時延表達式可表示為

其中：下標Fr表示該時延表達式為菲涅耳近似表達式。Ziomek給出了近場條件下，波束形成算法的菲涅耳近似時延表達式成立的三個必要條件，其中第一個條件是限制成像有效視野范圍|θ|≤18°[6]。為了增大菲涅耳近似限定三維成像聲吶的有效視野范圍，在準確時延的泰勒展開表達式(6)和菲涅耳近似時延表達式(7)的基礎上，采用一種優(yōu)化的時延近似表達式[8-9]，如式(8)所示：

式(8)稱之為TF近似，其中TF是Taylor和Fresnel的縮寫，以區(qū)別于上述時延的準確表達式和菲涅耳近似表達式，k1,k2,k3是用于擴大成像聲吶有效視野范圍的加權系數(shù)。當k1=1,k2=?0.5,k3=0時，式(8)就等同于時延參數(shù)的菲涅耳近似表達式；當k1,k2為兩個常數(shù)，k3=0時，式(8)就是文獻[7]提出的時延參數(shù)近似表達式。

3 時延表達式的最優(yōu)化過程

首先，引入均方差(Mean Square Error, MSE)的概念。定義兩種時延的均方差為

對于τTF中的三個加權系數(shù)，若是能取到一組加權系數(shù)使得該時延更接近于準確時延，則TF近似時延表達式就是最優(yōu)的時延表達式。對某一特定的成像聲吶而言，它的陣元個數(shù)和陣元間距都是一定的，因此上式定義的均方誤差就變成關于k1,k2,k3的函數(shù)。要使τTF最接近于準確時延τex，即要使EMS-TF最小，則可以通過求偏導來獲得最優(yōu)TF近似時延下的k1,k2,k3的值：

將式(10)代入式(11)可以得到：

4 仿真實驗

假設有M×N個陣元組成的平面陣，M=N=48，接收信號中心頻率f=300kHz，陣元間距等于信號波長，聲速為1 500 m·s-1。按圖1在xyz坐標系內放置平面陣。

通過求解式(3)、(7)、(9)獲得菲涅耳近似下的時延均方誤差。圖2為在聚焦距離r0=1m處菲涅耳近似均方差隨方位角φ和俯仰角θ的變化情況。圖2(a)是均方差隨方位角和俯仰角變化的三維圖，圖2(b)是圖2(a)在綜合方位角方向的側視圖，以下類同。從圖2(b)中可以看出，當θ=18°時，均方差最大約6.8×10?14s2。

取初始K值K0=[1?0.5 0.5]，通過求解式(3)、(8)、(10)獲得TF近似下的時延均方差。圖3為TF近似均方差隨方位角和俯仰角的變化情況。

圖2 菲涅耳近似的均方差Fig.2 MSE of Fresnel approximation

圖3 TF近似的均方差Fig.3 MSE of TF approximation

對比圖 3(b)與圖 2(b)可知，當均方差6.8× 10?14s2時，成像聲吶有效視野范圍的俯仰角從±18°至少擴大到約±23°，當且僅當φ=?180°,?90°,0°,90°,180°時，有效視野范圍可以從±18°擴大到±90°，說明TF近似方法可以擴大成像聲吶有效視野范圍。

通過Matlab計算式(13)、(15)、(16)可獲得最優(yōu)加權系數(shù)Kbest=[0.994 2?0.4980 0.4889]，從圖4最優(yōu)化后的均方差結果可以看出，均方差為6.8× 10?14s2時，成像聲吶有效視野范圍擴大到約±24°。相對于文獻[7]提出的時延參數(shù)近似表達式，本文方法在計算時延時增加了1項多項式計算的復雜度，時延均方誤差計算用時增加約 28%(2.5 s)，在實際應用過程中需要綜合考慮系統(tǒng)資源，結合實際需求選擇更為合適的時延參數(shù)近似表達式。

圖4 最優(yōu)化TF近似的均方差Fig.4 MSE of optimal TF approximation

從上述仿真結果可知，在傳統(tǒng)方位角與俯仰角的定義下，當|θ|=18°時，菲涅耳近似與準確時延的均方誤差最大為6.8× 10?14s2。本文另在新方位角與俯仰角定義下，以均方差為基準討論菲涅耳近似與TF近似在該均方差值下的有效視野范圍大小。圖5視野范圍圖，圖5(a)為三維顯示圖，圖 5(b)為俯視圖，以下類同。圖5(b)中非深紅色區(qū)域的均方差都小于6.8× 10?14s2，說明這些區(qū)域是成像的有效視野范圍。

圖6是TF近似在新方位角與俯仰角定義下的有效視野范圍圖。圖6(b)中非深紅色區(qū)域的均方差都小于6.8× 10?14s2，從圖中可以看出該區(qū)域面積較圖5(b)中大很多，說明TF近似的確擴大了三維成像的有效視野范圍。

圖7是當K值最優(yōu)時的TF近似在新方位角與俯仰角定義下的有效視野范圍圖。

圖7(b)與圖6(b)的最大不同之處就是藍色區(qū)域面積增大，總體非深紅色區(qū)域面積也有所擴大。說明K值最優(yōu)時，能夠擴大三維成像的有效視野范圍，并明顯減小原有區(qū)域的均方差，對于提升圖像分辨率、減小圖像畸變具有重要作用。

圖5 菲涅耳近似下平面陣的有效視野范圍Fig.5 Effective visual field of planar array under Fresnel approximation

圖6 TF近似下平面陣的有效視野范圍Fig.6 Effective visual field of planar array under TF approximation

圖7 K最優(yōu)時的TF近似下平面陣的有效視野范圍Fig.7 Effective visual field of planar array under TF approximation with optimal K values

5 結 論

針對平面陣，本文研究并探討了一種時延參數(shù)的優(yōu)化方法，推導了其數(shù)學表達式。通過求解平面陣在聚焦波束形成中的時延參數(shù)，并對其進行Matlab仿真，得出以下結論：

(1) 與菲涅耳近似時延相比較，本文研究的TF近似時延的確可以擴大成像的有效視野范圍。

(2) 當K值最優(yōu)時，TF近似時延能進一步擴大有效視野范圍并明顯減小原有效視野范圍內的均方差。