专利名称：一种声透镜成像声纳的收发通道设计的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种声透镜成像声纳的收发通道设计技术。
背景技术：
声成像是水下探测、超声医疗检测、无损检测领域常用的技术手段。多波束声 成像主要分为电子多波束成像和声透镜多波束成像两种方式。声透镜成像的原理跟 光学透镜成像的原理相同，都是通过透镜将不同方向到来的波聚焦在透镜焦平面上 的不同位置来成像。不过光学透镜成像一般是利用环境光，而声学透镜成像必须另 外发射声波，相当于光学透镜成像时使用闪光灯。
用声透镜成像的优点主要是电路简单、能耗低，对于中等视角的高分辨率成像， 换能器阵的基元数可以比电子多波束成像方式减少一半以上。然而，即使这样，因 为声透镜成像一般都要求有很高的角度分辨率，因此仍然需要大量的换能器基元， 比如0.3度分辨率、30度视角的二维成像需要IOO个左右基元(电子多波束实现0.3 度分辨率需要300个基元)，三维成像则需要10000个左右的基元。不管是电子多波 束方式还是声透镜方式，通常一个基元需要一个接收通道，因此高分辨率声透镜成 像的接收通道数仍然非常巨大。
国外在进行水下声透镜成像时采用过一些减少接收通道的方法，比如Edward 0. Belcher等人(见Edward 0. Belcher and Hien Q. Dinh " Limpet Mine Image Sonar", Proceedings of SPIE， Vol. 3771, Annual International Symposium on Aerosense, Orlando FL, April 1999)所采用的分时收发的通道结构。然而，这种结构虽然节省了接收通 道，但是因为是通过分时收发来实现的，也就是说，是通过降低成像速度来达到节 省收发通道数的，因而每节省1倍通道数，就要相应的降低1倍成像速度。虽然他 们的方法在近距离时(比如10米以内)能够满足快速成像的要求，但是对于相对较 远的距离，如果希望通过声透镜声纳反映物体的运动状态，那么成像速度是不够的 (比如DIDSON声透镜成像声纳在40米距离时成像速度大约只有2帧/秒)。
发明内容
本发明的目的在于提供一种声透镜成像声纳的收、发通道设计技术。该技术通 过采用多组正交编码信号调制正弦波载波而产生的调相信号作为声透镜成像声纳的 发射信号，使得多路接收通道可以合并，将收发通道总数减少几倍甚至十几倍，但 并不降低成像速度。
为了实现上述目的，本发明的声透镜成像声纳的收发通道设计，包括声透镜、 发射基元和接收基元，其特征在于，采用多组M序列、GOLD序列或其他正交编码 序列调制正弦波载波产生的调相信号作为声透镜成像声纳的信号，并采用分组发射、 分组接收的方式进行传输，每一个所述发射基元发出的信号，经过所述声透镜聚焦 后，经过物体反射后的回波回到同样序号的所述接收基元上。
将所述发射基元分组，其组数与所采用的正交编码序列组数相等，同一组的各 个发射基元同时加上相同的发射信号，不同组的发射基元上所加的发射信号各不相 同，不同组发射基元上的不同发射信号由同一个发射电路分时段顺序加上，或者由 多个发射电路同时分别加上。
所述接收基元与所述发射基元采用不同的方式分组，每一接收组中各个接收基 元所对应的所述发射基元均属于不同的发射组，每一组中各个接收基元接收到的信 号经过同一个接收通道(包括放大、混频、虑波)后转入后续处理，不同组的接收 基元接收的信号经过不同的接收通道，经过每一路接收通道后进入DSP的信号，都 分别与发射信号中所采用的不同的正交编码序列信号进行相关处理。
其中，所述发射基元可采用间隔分组形式编组，所述接收基元可采用顺序分组 形式编组。
另外，本发明可分为基本型结构和精简型结构两种。基本型结构中，所述发射 信号采用同一频段内的多组不同的编码信号，所述发射基元的组数与所述发射信号 的组数相同，同一组发射基元采用同样的发射信号，由同一个发射电路发射，不同 组的发射基元采用不同的发射信号，由不同的发射电路发射。该情况下，所述发射 基元和所述接收基元可以是收发分置或收发合置的发射和接收换能器基阵，当为收 发合置的发射和接收换能器基阵时，在大于10米的远距离情况下，所述发射信号采 用511位以上的正交编码体制，在10米以内的近距离情况下，收发信号采用分时方 式。
另外，本发明的声透镜成像声纳的收发通道设计的精简型结构中，所述发射电路数量少于所述发射信号的组数，采用多路转换结构，分时段连续地将多组信号分 别按序发射到各组发射基元上，每个时段的发射信号是不同的正交编码调制的信号。 该情况下，所述发射基元和所述接收基元可以是收发分置或收发合置的发射和接收 换能器基阵，当为收发合置的发射和接收换能器基阵时，所述发射通道应大于2。
如上所述，基本型结构在大幅度减少接收通道时需要适当增加发射通道，但并 不增加发射总功率，因此基本没有增加发射电路的复杂性。精简型结构在大幅度减 少接收通道时，不增加发射通道，但在换能器收发合置时会增加盲区；在换能器收 发分置时，需要在收发通道之间、收发基阵之间进行良好隔离，以避免盲区。
由此，本发明的声透镜成像声纳的收发通道设计，通过采用多组正交编码信号 调制正弦波载波而产生的调相信号作为声透镜成像声纳的发射信号，使得多路接收 通道可以合并，将收发通道总数减少几倍甚至十几倍，但两种结构都不降低成像速 度，可以实现相对较远距离时的声学摄像(40米距离时能做到18帧/秒)。
图1是本发明的声透镜成像声纳的收发通道设计的发射基元与接收基元排列示 意图。
图2是本发明基本型结构的发射通道示意图。 图3是本发明基本型结构的接收通道示意图。 图4是本发明精简型结构的发射通道示意图。
图5是10个等幅度正交编码信号同时到达时相干处理提取一组信号的信噪比仿 真结果。
图6是3个等幅度正交编码信号同时到达时相干处理提取一组信号的信噪比仿真 结果。
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施例，用二维成像的结构来说明本发明的声透镜成像声 纳的收发通道设计的原理。
图1是本发明的声透镜成像声纳的收发通道设计的发射基元与接收基元排列示 意图。其中A是声透镜，B是发射基元组，C是接收基元组。相同序列号的发射基 元与接收基元可以是同一个压电陶瓷片(收发合置)，也可以是不同的两个压电陶瓷 片(收发分置)图2是本发明基本型结构的发射通道示意图，其中Ol、 02、 03、 04……98、 99、 100为发射基元，Al、 A2、 A3、 A4、 A5、 A6、 A7、 A8、 A9、 A10是第1 第10 个发射电路；Bl、 B2、 B3、 B4、 B5、 B6、 B7、 B8、 B9、 B10是第1 第10组编码 调制信号，C是由DSP和D/A转换器组成的信号发生器。每个发射通道实际上应该 有10路接收信号，图中只画出了2路。
图3是本发明基本型结构的接收通道示意图，其中Ol、 02、 03、 04……98、 99、 IOO为接收基元，其中A1、 A2……A10是指第1 第IO个接收通道。图中省略了 接收通道2 9与相应的接收基元间的连接。
图4是本发明精简型结构发射通道示意图，其中Al、 A2……A10分别表示"时 段1接通"……"时段10接通"，AA是多路转换器，AAA是发射电路。B1、B2……B10 分别表示时段1、时段2……时段10发出的第1 第10组编码调制信号，C是由 DSP和D/A转换器组成的信号发生器。
图5是10个等幅度正交编码信号同时到达时，相干处理提取一组信号的信噪比 仿真结果。
图6是3个等幅度正交编码信号同时到达时，相干处理提取一组信号的信噪比 仿真结果。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地描述。
一、基本型结构
1、基阵与通道的排列连接
在基本型结构中，发射和接收换能器基阵可以采用收发分置或收发合置的方式。 假设有IOO个发射和接收基元，其排列方式如图1所示。
发射信号采用同一频段内的多组不同的编码信号。有多少组发射信号，便将发 射基元分成多少组。同一组发射基元采用同样的发射信号，由同一个发射电路发射。 比如，对于图1所示的100个发射基元，假设有10组相互正交的编码序列调制的信 号可以选择，可以每相隔IO个基元选取一个基元组成一组，由同一个电路发射同样 一组信号，即第l、 U、 21、 31……71、 81、 91个基元用发射电路1发射第1组 信号，第2、 12、 22、 32……72、 82、 92个基元用发射电路2发射第2组信号，以 此类推，直至第IO、 20、 30、 40……80、 90、 100个基元用发射电路10发射第10
7组信号。
经过声透镜聚焦后，每一个发射基元发出的信号，经过物体反射后的回波将回到同样序号的接收基元上。因此，接收处理中则是按顺序将接收基元分成10组，以保证每一组中的接收基元接收到的是不同类型的发射信号。即第1 第10个基元为同一个接收组，它们的接收信号同时输入到接收通道l;第11 第20个基元为同一个接收组，它们的信号同时输入到接收通道2 ;……；第91 第100个基元为同一个接收组，它们的信号同时输入到接收通道10。接收通道由放大、混频、滤波电
路组成。每个接收通道的输出信号经过A/D采样后进入数字信号处理机，再经信号处理后送入显示设备成像。
常规成像声纳的每个接收基元都需要1个接收通道，100个接收基元总共需要100路接收通道，100路A/D (并行采样的情况下)，而经过上述分组处理后，现在总共只需要10路接收通道，10路A/D，接收通道数减少了10倍，总采样速率也降低了 10倍。虽然发射通道数从1路增加到了 10路，但是因为总的发射功率并没有改变，实际上功耗和发射电路复杂度并未增加(相对于常规不允许分时发射的高速成像方式而言)。
也可以将发射基元与接收基元的分组方式互换(图2和图3所示)。实际上基元分组并无严格的空间排列要求，只需要满足下述原则同一组的发射基元发射同样的编码序列调制的信号，同一组的接收基元接收不同的编码序列调制的信号。从减小旁瓣干扰的角度考虑，发射间隔分组、接收顺序分组为佳。
2、信号处理
发射信号采用数字调相信号，用正交编码序列作为调制码，载波信号为正弦信号，频率根据成像设备使用的声波频率决定， 一般大于lMHz。发射信号通过DSP与D/A转换器形成；接收信号经过混频以后从高频信号转为基带信号，再经A/D转换后进入DSP。这些都是常规技术，不必详细说明。
采用收发合置换能器阵进行声成像总是有盲区的，因为必须等发射结束了才能开始接收。盲区是由发射信号长度决定的。例如对于63位编码信号，150kHz带宽时(因为声透镜成像的声波频率通常都高于lMHz，为了提高距离分辨率，且防止斑点噪声，通常带宽都在150kHz以上)，发射信号长度是t = 0.42毫秒，盲区长度为ct/2，c为水中声速，取1500米/秒，则盲区为32厘米。这个距离实际上不到透镜空间长度的两倍，在水下成像应用中可以忽略不计。若采用511位编码时，盲区为2.52米，
8但是信号的自相关和互相关性能可以大幅度提高。因此，在远距离情况下采用511位以上编码的本发明体制，而在近距离(IO米以内)则可以采用Edward O. Belcher等人的分时方式，这样便在近距离和远距离都可以实现高速成像。
采用收发分置换能器阵时，如果收发通道之间、收发换能器之间相互隔离很好，则可以认为没有盲区，在任何距离下都可以采用511位以上的正交编码体制。否则盲区跟收发合置情况一样。
下面说明本发明中的接收信号在DSP中的处理流程
如前所述的发射间隔分组、接收顺序分组方式，第1 第10个发射基元分别通过第1~第IO路发射电路发射了 IO个相互正交的编码序列调相信号，因此通过声透镜聚焦后的第1 第IO路接收基元接收到的信号也是相互正交的编码序列调相信号，这10个信号都是输入到接收通道1的，亦即通过接收通道1的信号是由10个相互正交的编码序列调相信号叠加而成的信号。因此，如果采用第1路发射信号的调制编码序列与这个叠加信号进行相关处理，就可以获得第1个接收基元的接收信号，抑制其他基元的接收信号，送入显示处理模块后，便可以对第1个基元聚焦的空间方向进行声成像。同理，分别采用第2、第3……第10路发射信号的调制编码序列与这个叠加信号进行相关处理，送入显示处理模块后，便可以对第2、第3……第10个基元聚焦的空间方向进行声成像。同理可处理第2 第IO个接收通道的信号，获得第11 第100个接收基元的接收信号，送入显示处理模块后，对第11 第100个基元聚焦的方向进行声成像。这里，虽然信号相关处理需要很大的运算量，但是现在的DSP技术已经可以轻松胜任。比如，对于63位编码信号，100kHz带宽，采用250kHz采样速率，在40米成像距离时， 一个通道的数据为13333点，参考数据为160点，将通道数据分为16段，则可以采用1024点FFT完成相关运算，乘法量为
(3 x 1024 /2 x log21024 + 1024) (2次FFT， 1次1024点相乘，1次逆FFT) x 16段x 100路=26M
现在的TI公司的64系列DSP速度已经可以达到3200 8000MIPS 了 ，单个DSP就
很容易每秒完成20次以上的这样的运算，而功耗只有1瓦多一点。也就是说单个DSP就可以轻松胜任每秒钟刷新图像20次以上的运算要求，而实际上，40米的距离声波来回传播每秒只有不到19次。如果采用127位码，单次成像的乘法运算次数为31M，单个DSP也同样可以轻松胜任每秒20次刷新。
在上述设计中，最恶劣的情况是同一个接收通道同时接收到io个相同大小的反射信号的叠加信号，若采用2047位编码(150kHz带宽时，收发合置时盲区为10米，收发分置时可不考虑盲区)，此时的信噪比大约为14分贝，见图5，此时正交信号叠加形成的噪声干扰只相当于常规声纳的旁瓣干扰。如果采用"同一接收组的基元间隔最大"方式排列换能器基元，那么在10个方向上的同样的距离上同时出现10个分离的反射目标几乎是不可能的，通常情况是同一距离上只有一个方向上有强目标反射信号，其他方向上不相干回波形成的噪声干扰很小。图6是3个方向上同时有等幅回波时的信噪比，正交信号的干扰已经比旁瓣级干扰低5分贝了。可见，采用正交编码方式完全可以在10组正交信号中提取出有足够信噪比的特定1组信号。
二、精简型结构
1、 基阵与通道的排列连接
精简型结构的接收基阵与通道的排列连接方式及接收信号处理方法与基本型结构完全一样，但发射结构不同，发射流程也有差别。因为精简型结构只有1个发射电路(当然，也可以适当增加，但不增加到10个。这可以根据盲区要求、功耗要求来权衡)，因此需要采用多路转换结构，分时段将第1 第io组信号分别加到各组基
元上。仍然针对100个基元、IO组正交信号情况进行说明在时段l，发射电路的
信号加到第l、 11、 21、 31...71、 81、 91个发射基元上；在时段2，发射电路的信号加到第2、 12、 22、 32...72、 82、 92个发射基元上......直至时段10，发射电路的信
号加到第10、 20、 30、 40...80、卯、100个发射基元上。每个时段的发射信号是不同的正交编码调制的信号。
如前所述，并非必须采用上述编组方式，图4所示的就是采用发射基元顺序编组的结构，其相应的接收编组就必须是基元序号间隔为IO的各个基元为同一组。
2、 信号处理
精简型结构的分时发射仍然是连续的顺序发射，与Edward 0. Belcher等人的发射一接收、再发射一再接收的分时收发方式是不同的，不必在每次发射后都等待信号回来再进行第二次发射，只不过成像有一个整体延迟时间，但可以认为是不降低扫描速度的。
精简型结构的信号处理流程与基本型结构完全相同。不过因为不同的编码调制信号是在不同的时段发出的，因此显示模块中计算不同基元收、发的信号之间的时延时，必须分别选择不同的发射时刻为零时。
采用收发合置换能器阵时，对于上述精简型结构，因 io个基元共用同一个接收通道，只要有一个基元在发射，IO个基元就都不能够接收；由于10组信号顺序发射，使得发射信号的时间长度增加了 10倍，盲区也将比采用基本型结构时扩大10倍。因此，采用精简型结构时不宜采用收发合置换能器阵。如果必须釆用收发合置换能器阵，可以适当增加发射通道以减小盲区。比如发射通道为2个时，发射信号的时间长度比只有l个时减少了一半，因而盲区也减小一半，在采用150kHz带宽、511位编码时，盲区为12.8米，可以与分时收发方式相结合工作。
釆用收发分置换能器阵时，同基本型结构中情况一样，如果发射通道与接收通道隔离很好，发射信号对接收基元的干扰很小，则可以认为没有盲区。如果隔离不好，盲区长度也将扩大10倍。因此，如果采用收发分置换能器阵，在精简型结构中必须采取有效的收发通道之间、收发基阵之间的隔离技术。
权利要求
1、一种声透镜成像声纳的收发通道设计，包括声透镜、发射基元和接收基元，其特征在于，采用正交编码序列调制正弦波载波产生的调相信号作为声透镜成像声纳的信号，并采用分组发射、分组接收的方式进行传输，每一个所述发射基元发出的信号，经过所述声透镜聚焦后，经过物体反射后的回波回到同样序号的所述接收基元上，将所述发射基元分组，其组数与所采用的正交编码序列组数相等，同一组的各个发射基元同时加上相同的发射信号，不同组的发射基元上所加的发射信号各不相同，不同组发射基元上的不同发射信号由同一个发射电路分时段顺序加上，或者由多个发射电路同时分别加上，所述接收基元与所述发射基元采用不同的方式分组，每一接收组中各个接收基元所对应的所述发射基元均属于不同的发射组，每一组中各个接收基元接收到的信号经过同一个接收通道后转入后续处理，不同组的接收基元接收的信号经过不同的接收通道，经过每一路接收通道后进入DSP的信号，都分别与发射信号中所采用的不同的正交编码序列信号进行相关处理。
2、 如权利要求l所述的声透镜成像声纳的收发通道设计，其特征在于，所述发 射信号采用同一频段内的多组不同的编码信号，所述发射基元的组数与所述发射信 号的组数相同，同一组发射基元采用同样的发射信号，由同一个发射电路发射，不 同组的发射基元采用不同的发射信号，由不同的发射电路发射。
3、 如权利要求2所述的声透镜成像声纳的收发通道设计，其特征在于，所述发 射基元和所述接收基元为收发分置或收发合置的发射和接收换能器基阵，当为收发 合置的发射和接收换能器基阵时，在大于10米的远距离情况下，所述发射信号采用 511位以上的正交编码体制，在10米以内的近距离情况下，收发信号采用分时方式。
4、 如权利要求1所述的声透镜成像声纳的收发通道设计，其特征在于，所述发射电路数量少于所述发射信号的组数，采用多路转换结构，分时段连续地将多组信号分别按序发射到各组发射基元上，每个时段的发射信号是不同的正交编码调制的 /士 口
5、 如权利要求4所述的声透镜成像声纳的收发通道设计，其特征在于，所述发 射基元和所述接收基元为收发分置或收发合置的发射和接收换能器基阵，当为收发 合置的发射和接收换能器基阵时，所述发射通道大于2。
6、 如权利要求1至5中任意一项所述的声透镜成像声纳的收发通道设计，其特 征在于，所述发射基元采用间隔分组形式编组，所述接收基元采用顺序分组形式编 组。
7、 如权利要求1至5中任意一项所述的声透镜成像声纳的收发通道设计，其特 征在于，所述正交编码序列为多组M序列、GOLD序列。
全文摘要
本发明提供一种声透镜成像声纳的收发通道设计，用于水下声学成像领域。其通过采用多组正交编码信号调制正弦波载波而产生的调相信号作为声透镜成像声纳的发射信号，采用分组发射、分组接收的方式，使同一组的发射基元发射同样的编码序列调制的信号，同一组的接收基元接收不同的编码序列调制的信号，不同组发射基元上的不同发射信号由同一个发射电路分时段顺序加上，或者由多个发射电路同时分别加上，并运用DSP技术，使得声透镜成像声纳的收发通道总数比传统设计方式大幅度减少，而成像速度并不降低。
文档编号G01S7/523GK101685156SQ200810223418
公开日2010年3月31日 申请日期2008年9月27日 优先权日2008年9月27日
发明者李颂文 申请人:中国科学院声学研究所