一种新型多波束声学成像方法与系统

技术领域

本发明涉及了声学成像应用领域，具体是一种新型多波束声学成像方法与系统。

背景技术

声学成像在医疗诊断、水下成像、液体中成像（如油等）等领域拥有广泛的应用。为了提高分辨率，传统方法多采用直线、曲线或平面换能器阵列等方式，基于波束形成等阵处理方法提高方位向（或角度域）分辨率。上述处理方式的主要问题是对换能器阵列的加工制作工艺要求较高。为了实现上述方式，必须配置复杂的多通道声学电子系统用于发射或采集声信号，同时需要比较复杂和计算量较大的信号处理方法，整个系统的功耗较高、体积较大。特别在手持、无人系统搭载等特殊应用领域和使用环境中，传统方法不能很好的满足现实需求。为了解决上述问题，提出一种新型多波束声学成像方法与系统。

发明内容

为了克服现有技术中的缺陷，本发明实施例提供了一种新型多波束声学成像方法与系统，来解决上述背景技术中提出的问题。

本发明申请公开了：一种新型多波束声学成像系统，包括宽带声学换能器、收发转换装置、发射机、接收机、电子系统控制模块、信号处理模块、显示控制模块、互联缆和接插件，所述显示控制模块与电子系统控制模块、信号处理模块连接，所述信号处理模块与接收机连接，所述电子系统控制模块与发射机连接，所述发射机、接收机分别与收发转换装置连接，所述收发转换装置与宽带声学换能器连接。

优选的，所述宽带声学换能器采用电声转换材料组成，优选陶瓷材料，所述宽带声学换能器由多个换能器基元组成，各个基元之间的相对位置关系排布与使用的声信号频率相关，典型的相邻基元在法线方向上相差1倍lamda，lamda为信号中心频率波长，通过换能器指向性以及阵列设计可选择其他位置偏差，但位于-lamda至lamda之间，所述宽带声学换能器采用现有的1-3复合材料，宽带声学换能器发射超宽带声学信号，宽带声学换能器发射声波时，将信号带宽范围内的任意频率的声信号以声信号经换能器阵列波束形成后的空间角发射到空间中，同时，宽带声学换能器在接收宽带声信号的同时，宽带声学换能器在声信号经换能器阵列波束形成后的空间角方向，接收信号带宽内相应频率的声信号。

优选的，所述发射机被用于驱动宽带声学换能器发射宽带声学信号。

优选的，所述接收机被用于连接宽带声学换能器接收宽带声学信号。

优选的，所述收发转换装置被用于发射机和接收机的工作切换，确保发射机工作时发出的高压信号对接收机不造成损坏，同时接收机工作时，发射机不工作，确保接收机工作时外部干扰最小，实现目标回波弱声学信号的高质量接收。

优选的，所述电子系统控制模块被用于接收显示控制模块控制指令，用于控制发射机、接收机系统，配置发射机、接收机参数，同时监测发射机和接收机工作状态，并将工作状态上传至显示控制模块。

优选的，所述信号处理模块被用于声学信号处理，将所述接收机接收的声学信号进行处理，形成声学图像，所述信号处理模块采用通用处理器，也能采用FPGA、DSP专用处理器。

优选的，所述显示控制模块被用于视声学图像的显示，以及发射机、接收机、收发转换、信号处理及各声学电子系统的控制和参数配置。

优选的，所述互联缆和接插件被用于连接宽带声学换能器、收发转换装置、发射机、接收机、电子系统控制模块、信号处理模块和显示控制模块，并完成水密、耐压、连接线固定辅助功能。

本发明还提供了一种新型多波束声学成像方法，其具体步骤如下：

步骤1：对发射机、接收机和宽带声学换能器进行联合校准，校准过程如下：

确定校准频率f，并由发射机发射频率为f的信号，同时测量f信号对应的空间角；

重复上述过程得到空间角与声学频率f的对应关系表B(f0,theta)，其中theta为方位角；

步骤2：基于步骤1，由发射机驱动宽带声学换能器发射宽带声学信号，且宽带声学信号发射后，其频率的分布与空间角度有关联关系；

其中，宽带声学信号，即声学信号包含多种不同频率的声学信号；

其中，发射机发射过程中，通过收发转换装置关闭接收机，防止接收机被高电压发射信号损坏。

步骤3：基于步骤1-2，根据用户配置，发射机发射完成后，延迟一定时间，通过收发转换装置将系统切换为接收状态，接收机启动声信号接收，由宽带声学换能器完成空间目标回波信号的电声转换，进而由接收机接收空间目标对上述声学信号的回波信号；

步骤4：基于步骤1-3，对接收的回波进行时频分析，分析方法包括短时傅里叶变换、小波变换，时频分析结果为A(f, t)，其中t为声传播时间，其中，声传播时间与声传播距离r的关系为：r = (C/2) × t，其中C为声速，对于非均匀介质，声速C为变量，r与t的关系可通过声线追踪来确定；

步骤5：基于步骤1-4，根据宽带声学换能器的校准结果，利用空间角与声学频率f的对应关系表B，以及声传播时间、声速以及声传播距离的关系，通过插值的方式可以得到空间声学成像结果，即：IMG(theta, r)。

本发明的有益效果如下：本发明通过设置宽带声学换能器、收发转换装置、发射机、接收机、电子系统控制模块、信号处理模块、显示控制模块、互联缆和接插件组成声学成像系统，并配合此系统提出一种新型多波束声学成像方法，整个系统的功耗小，节约了使用成本，且整体结构体积小，做到手持轻量化设计，提高了适用性。

为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的系统示意图；

图2是本发明的换能器阵元布局示意图；

图3是本发明的 IMG(theta,r)成像示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1，本发明提供的一种新型多波束声学成像系统与方法，该系统采用宽带声学换能器实现空间高分辨率声学成像，其包括: 一种新型多波束声学成像系统，该系统由宽带声学换能器、收发转换装置、发射机、接收机、电子系统控制模块、信号处理模块、显示控制模块、互联缆和接插件等部分组成。

在本实施例中，宽带声学换能器采用收发合置的形式，即采用一套宽带声学换能器，同时实现发射声信号和接收声信号的功能。

为了进一步对实施例进行详细说明，所述宽带声学换能器采用电声转换材料组成，优选陶瓷材料，所述宽带声学换能器由多个换能器基元组成，各个基元之间的相对位置关系排布与使用的声信号频率相关，典型的相邻基元在法线方向上相差1倍lamda，lamda为信号中心频率波长，通过换能器指向性以及阵列设计可选择其他位置偏差，但位于-lamda至lamda之间，所述宽带声学换能器采用现有的1-3复合材料可实现发射超宽带声学信号，相邻基元的偏差使阵列具备了空间滤波能力，即宽带声学换能器发射声波时，可将信号带宽范围内的任意频率的声信号以声信号经换能器阵列波束形成后的空间角发射到空间中，同时，宽带声学换能器在接收宽带声信号的同时，也因相邻阵元偏差设计使阵列具备了空间滤波能力，即宽带声学换能器在声信号经换能器阵列波束形成后的空间角方向，接收信号带宽内相应频率的声信号。

为了进一步对实施例进行详细说明，参照图2，给出一种典型的换能器阵元空间位置排布示意图，声学宽带换能器由多个换能器阵元组成，各换能器阵元的沿着水平向的间距满足半波长布阵要求（或者根据水平向开角的要求，大于或小于半波长布阵），各换能器阵元沿着垂直向的空间位置满足特定频率f1的波长lamda1布置。在这种情况下垂直向入射（或发射）的声波频率为f1时，声学宽带换能器的响应最高，实现了空间滤波器的作用，采用图2方式排布宽带声学换能器在发射宽带声学信号和接收宽带声学信号时，可以实现水平方向空间角theta与声信号频率f之间的对应关系，该对应关系可以通过本发明给出的校准方法获得。

为了进一步对实施例进行详细说明，其中发射机用于驱动宽带声学换能器发射宽带声学信号，发射机需要与宽带声学换能器进行匹配设计，以确保发射机工作在效率较高的最佳工作状态，配置发射机需要的参数包括发射声信号形式、发射声信号频率范围、发射声信号功率、发射声信号脉冲宽度、发射声信号脉冲重复周期等。

为了进一步对实施例进行详细说明，其中接收机用于连接宽带声学换能器接收宽带声学信号，接收机需要与宽带声学换能器进行匹配设计，以确保接收机工作在信噪比较高的最佳工作状态，配置接收机需要的参数包括接收机收发延迟、接收机采样频率、接收机滤波器截止频率等。

为了进一步对实施例进行详细说明，其中收发转换装置实现发射机和接收机的工作切换，确保发射机工作时发出的高压信号对接收机不造成损坏，同时接收机工作时，发射机不工作，确保接收机工作时外部干扰最小，实现目标回波弱声学信号的高质量接收。

为了进一步对实施例进行详细说明，其中电子系统控制模块接收显示控制模块控制指令，用于控制发射机、接收机系统，配置发射机、接收机参数，同时监测发射机和接收机工作状态，并将工作状态上传至显示控制模块。

为了进一步对实施例进行详细说明，其中信号处理完成用于声学信号处理，将接收机接收的声学信号进行处理，形成声学图像，信号处理部分采用通用处理器，也可以采用FPGA、DSP等专用处理器完成。

为了进一步对实施例进行详细说明，其中显示控制模块用视声学图像的显示，以及发射机、接收机、收发转换、信号处理等各声学电子系统的控制和参数配置。

为了进一步对实施例进行详细说明，其中互联缆和接插件用于连接上述各部分，并完成水密、耐压、连接线固定等辅助功能。

本发明还提供了一种新型多波束声学成像方法，其具体步骤如下：

步骤1：对发射机、接收机和宽带声学换能器进行联合校准，校准过程如下：

确定校准频率f，并由发射机发射频率为f的信号，同时测量f信号对应的空间角；

重复上述过程得到空间角与声学频率f的对应关系表B(f0,theta)，其中theta为方位角；

步骤2：基于步骤1，由发射机驱动宽带声学换能器发射宽带声学信号，且宽带声学信号发射后，其频率的分布与空间角度有关联关系；

其中，宽带声学信号，即声学信号包含多种不同频率的声学信号；

其中，发射机发射过程中，通过收发转换装置关闭接收机，防止接收机被高电压发射信号损坏；

步骤3：基于步骤1-2，根据用户配置，发射机发射完成后，延迟一定时间，通过收发转换装置将系统切换为接收状态，接收机启动声信号接收，由宽带声学换能器完成空间目标回波信号的电声转换，进而由接收机接收空间目标对上述声学信号的回波信号；

步骤3：基于步骤1-2，对接收的回波进行时频分析（短时傅里叶变换，小波变换等方法），时频分析结果为A(f, t)，其中t为声传播时间，其中，声传播时间与声传播距离r的关系为：

r = (C/2) × t，其中C为声速，对于非均匀介质，声速C为变量，r与t的关系可通过声线追踪来确定；

5)根据宽带声学换能器的校准结果，利用空间角与声学频率f的对应关系表B，以及声传播时间、声速以及声传播距离的关系，通过插值的方式可以得到空间声学成像结果，即：IMG(theta, r)，成像示意图参照图3。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。