專利名稱：：用于小型水下載體的三維前視聲像聲納系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及三維前—見聲像聲納技術(shù)，更具體地，本發(fā)明涉及一種基于波達(dá)方向估計(jì)、用于小型水下載體的三維前視聲像聲納系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
：水下載體(例如自治水下機(jī)器人、纜控水下機(jī)器人等)需要使用三維前視聲像聲納來探測(cè)載體前方三維空間內(nèi)障礙物和目標(biāo)，獲得三維聲像，由于水下載體速度的要求、空間和功耗的限制，需要三維前視聲像聲納具有體積小、重量輕和功耗低的特點(diǎn)。現(xiàn)有前視成像聲納，主要采用以下兩種方案獲得前方三維聲像一種是接收聲納陣采用單條線陣，應(yīng)用常規(guī)波束形成技術(shù)在水平面內(nèi)形成多個(gè)寬度為1度到2度的波束；發(fā)射聲納陣采用發(fā)射相控陣，形成多個(gè)指向不同方向的窄波束，通過數(shù)次發(fā)射獲得目標(biāo)的方位和距離，得到三維聲像，垂直方向覆蓋寬度一般為20度左右。在此方案中，聲納陣的發(fā)射陣和接收陣采用T形安裝，體積較大，不適于小型水下載體，而且覆蓋區(qū)域較窄，垂直平面內(nèi)分辨率較低，形成三維聲像所需時(shí)間較長(zhǎng)。第二種方式是"t妻收聲納陣采用平面陣，通過信號(hào)處理算法實(shí)現(xiàn)透鏡功能，在聲納陣前方形成二維波束，能夠直接獲得目標(biāo)的方位和距離，得到三維聲像，覆蓋區(qū)域較寬。但是，由于采用平面陣形式，陣元數(shù)多，系統(tǒng)復(fù)雜，安裝在水下載體時(shí)受到限制，尤其不適于小型水下載體，而且其垂直方向分辨率受傅立葉變換限制，分辨率較低。目前三維前視聲納發(fā)展已經(jīng)系列化，工藝水平很高，但所研制聲納的分辨率受到常規(guī)波束形成的限制，即波束角寬A^;i/丄，A為中心頻率的波長(zhǎng)，丄為聲納陣長(zhǎng)度。一般三維前視聲納的尺寸較大，不適合安裝在小型自主水下航行器(autonomousunderwatervehicle,AUV)等小型水下載體上，目前小型AUV上主要安裝上述第一種多波束前視成像聲納，不能直接給出目標(biāo)三維信息。
發(fā)明內(nèi)容為克服現(xiàn)有用于小型水下載體的三維前視聲像聲納系統(tǒng)尺寸大、分辨率差、作用距離短和覆蓋范圍窄的缺陷，本發(fā)明提出一種基于波達(dá)方向估計(jì)、用于小型水下載體的三維前視聲像聲納系統(tǒng)和方法。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提出了一種用于小型水下載體的三維前視聲像聲納系統(tǒng)，包括發(fā)射聲納陣l,用于寬覆蓋范圍的近距離探測(cè)，所述發(fā)射聲納陣1為多個(gè)基元組成的發(fā)射平面陣，基元間距為半波長(zhǎng)；發(fā)射聲納陣2，用于遠(yuǎn)距離探測(cè)，所述發(fā)射聲納陣2由多排聲納陣組成，水平方向呈圓弧排列，垂直方向以半波長(zhǎng)間隔排列；接收聲納陣，用于接收回波信號(hào)，由間距為半個(gè)波長(zhǎng)的接收換能器單元組成平面陣，中央的基元用于接收，邊緣基元為啞元，用于降低基元互耦合的影響；其中，所述發(fā)射聲納陣1、所述發(fā)射聲納陣2和所述接收聲納陣位于所述小型水下載體的前方。所述系統(tǒng)，還可以包4舌處理模塊，用于在水平平面內(nèi)采用常規(guī)波束形成技術(shù)形成的多個(gè)水平方向的波束內(nèi)，采用相位法求出水平方向的入射角，在垂直平面內(nèi)采用信源數(shù)估計(jì)和波達(dá)方向估計(jì)技術(shù)求出垂直方向的入射角。其中，所述處理^^塊還可以用于利用所述水平方向和垂直方向的入射角和回波到達(dá)時(shí)間，計(jì)算散射點(diǎn)在三維空間中的位置，獲得聲像。其中，所述發(fā)射聲納陣1由3*3個(gè)基元組成，基元間距為半波長(zhǎng)。其中，所述發(fā)射聲納陣1的9個(gè)基元中，中心基元發(fā)射，周圍8個(gè)基元為啞元，為所述中心發(fā)射基元提供必要的邊界條件，保證中心基元可以實(shí)現(xiàn)寬覆蓋發(fā)射。其中，所述發(fā)射聲納陣1的中心基元的水平、垂直方向波束開角為90度*90度。其中，所述發(fā)射聲納陣2由3排聲納陣組成。其中，所述發(fā)射聲納陣2的水平方向的圓弧陣扇面角度為150度。其中，所述發(fā)射聲納陣2的垂直方向以波束開角約為40度發(fā)射波束。其中，所述接收聲納陣的每個(gè)基元單獨(dú)引線，用于波束形成和波達(dá)方向估計(jì)；所述接收聲納陣采用數(shù)字波束形成，水平方向的波束開角為7.2度。其中，所述平面陣由18*8個(gè)間距為半個(gè)波長(zhǎng)的接收換能器單元組成，中央的16*6個(gè)單元用于接收。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提出了一種使用權(quán)利要求1所述的聲納系統(tǒng)獲取三維前視聲像的方法，包括步驟10)、使用所述發(fā)射聲納陣1或者發(fā)射聲納陣2以及所述接收聲納陣，在水平平面內(nèi)采用常規(guī)波束形成技術(shù)形成多個(gè)水平方向的波束；步驟20)、在波束內(nèi)采用相位法求出水平方向的入射角，在垂直平面內(nèi)采用信源數(shù)估計(jì)和波達(dá)方向估計(jì)技術(shù)求出垂直方向的入射角；步驟30)、利用所述水平方向和垂直方向的入射角和回波到達(dá)時(shí)間，計(jì)算散射點(diǎn)在三維空間中的位置，獲得聲像。其中，步驟10)進(jìn)一步包括通過對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行延時(shí)、加權(quán)、求和處理得到指向特定角度的多個(gè)水平方向的波束；其中，時(shí)域波束形成其中，頻域波束形成=￡",是加權(quán)系數(shù)，^(o是第/個(gè)基元在時(shí)刻/的接收信號(hào)，、是波束指向角對(duì)應(yīng)的延時(shí)，M為基元個(gè)數(shù)，w是不同波束指向角對(duì)應(yīng)的波束序號(hào)。其中，步驟IO)中，所述波束寬度約為7度。其中，步驟20)中采用相位法求出水平方向的入射角進(jìn)一步包括把接收聲納陣分成兩個(gè)完全相同的子陣，波束形成后，等效于將接收陣面轉(zhuǎn)向波束指向角，波束中心上的回波正好位于兩個(gè)子陣的等效中心連線的垂直平分線上。其中，步驟20)中采用相位法求出水平方向的入射角進(jìn)一步包括步驟210)、把接收聲納陣分成兩個(gè)完全相同的子陣，兩個(gè)子波束的同相、正交分量分別為7'A2!22,相位差為AaV^arctan/必-/必步驟220)、A"(0),"是兩個(gè)子陣間隔，AW)為Aa'(O的擬合，^是波數(shù)，e是波束指向角，外)是實(shí)際角度與波束指向角的偏差；步驟23Q)、水平方向的實(shí)際入射角為^0*0-^(0。其中，步驟20)中，在垂直平面內(nèi)采用信源數(shù)估計(jì)和波達(dá)方向估計(jì)技術(shù)求出垂直方向的入射角進(jìn)一步包括9步驟210')、用蓋氏圓方法來估計(jì)信號(hào)源數(shù)目，通過蓋氏圓盤定理估計(jì)特征值的位置，從而估計(jì)信號(hào)源數(shù)目；步驟22(K)、采用波達(dá)方向估計(jì)技術(shù)或空間譜估計(jì)技術(shù)，利用數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣信號(hào)子空間的旋轉(zhuǎn)不變特性估計(jì)垂直方向的入射角。其中，步驟220')中，采用旋轉(zhuǎn)不變子空間算法，利用數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣信號(hào)子空間的旋轉(zhuǎn)不變特性估計(jì)垂直方向的入射角。本發(fā)明通過基于波達(dá)方向估計(jì)的三維前視聲像聲納系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)小陣面面積、高分辨率、長(zhǎng)距離、寬覆蓋的前方目標(biāo)探測(cè)。圖1示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的聲納系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖2示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的接收聲納陣布陣圖；圖3示出三維前視聲像聲納信號(hào)處理流程圖；圖4為目標(biāo)與平面聲納陣相對(duì)位置示意圖5示出基于常規(guī)波束形成、相位法和波達(dá)方向估計(jì)相結(jié)合的方法仿真計(jì)算的入射角度示意圖6示出基于常規(guī)二維波束形成技術(shù)計(jì)算出的入射角度示意圖；圖7為仿真結(jié)果與初設(shè)散射點(diǎn)位置的對(duì)比示意圖；圖8為仿真結(jié)果與初設(shè)散射點(diǎn)位置的對(duì)比示意圖。具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明提供的一種基于波達(dá)方向估計(jì)的三維前視聲像聲納系統(tǒng)和方法進(jìn)行詳細(xì)描述。圖1為才艮據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的聲納系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，如圖l所示，聲納系統(tǒng)包括2個(gè)發(fā)射聲納陣和1個(gè)接收聲納陣，位于水下機(jī)殼的前方。聲納系統(tǒng)采用發(fā)射陣1和發(fā)射陣2雙發(fā)射陣切換的方式，近距離探測(cè)采用發(fā)射陣l,保證覆蓋范圍寬度；遠(yuǎn)距離探測(cè)采用發(fā)射陣2，提高覆蓋范圍的作用距離。發(fā)射陣1由3*3=9個(gè)基元組成，基元間距為半波長(zhǎng)。中心基元發(fā)射，周圍8個(gè)基元為啞元，為中心發(fā)射基元提供必要的邊界條件，保證中心基元能夠?qū)崿F(xiàn)寬覆蓋范圍的發(fā)射，水平、垂直方向波束開角為90度*90度。單基元發(fā)射能夠?qū)崿F(xiàn)寬覆蓋，但發(fā)射靈敏度低，影響系統(tǒng)的作用距離。發(fā)射陣2由3排聲納陣組成，水平方向呈圓弧排列，圓弧陣扇面角度為150度，可以實(shí)現(xiàn)150度的水平覆蓋；垂直方向以半波長(zhǎng)間隔排列，可以實(shí)現(xiàn)垂直方向波束開角約為40度的發(fā)射波束。由于發(fā)射采用圓弧陣波束形成，發(fā)射靈敏度較高，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的目標(biāo)探測(cè)。本系統(tǒng)的工作頻率為150kHz，采用chirp發(fā)射信號(hào)，可以達(dá)到約190dB的發(fā)射源極。經(jīng)聲納方程計(jì)算，作用距離可達(dá)到150米。接收聲納陣用于接收回波信號(hào)，由18*8個(gè)間距半個(gè)波長(zhǎng)的接收換能器單元組成平面陣，中央的16*6個(gè)基元接收，邊緣基元為啞元，降低基元互耦的影響。接收聲納陣布陣圖如圖2所示，每個(gè)基元單獨(dú)引線，以實(shí)現(xiàn)波束形成和波達(dá)方向估計(jì)；采用數(shù)字波束形成，水平方向的波束開角為7.2度。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例提出的基于波達(dá)方向估計(jì)的三維前視聲像聲納處理方法適用于安裝在小型水下載體上的三維前視聲像聲納系統(tǒng)，其信號(hào)處理流程中結(jié)合常規(guī)波束形成技術(shù)、相位法和波達(dá)方向估計(jì)技術(shù)的信號(hào)處理方法，信號(hào)處理總體流程如圖3所示，在水平平面內(nèi)采用常規(guī)波束形成技術(shù)形成多個(gè)水平方向的波束，波束寬度約為7度；在波束內(nèi)，采用相位法求出水平方向的入射角，從而提高本裝置探測(cè)連續(xù)目標(biāo)的水平方向分辨率；同時(shí)在垂直平面內(nèi)采用信源數(shù)估計(jì)和波達(dá)方向估計(jì)4支術(shù)求出垂直方向的入射角，最后利用這兩個(gè)方向的入射角度和回波到達(dá)時(shí)間等信息計(jì)算出散射點(diǎn)在三維空間中的位置，得到初步的聲成像。由于在波束內(nèi)采用相位法，可以在較寬波束范圍內(nèi)的提高水平方向分辨率，因此水平基元個(gè)數(shù)少，大大減小了陣面尺寸。下面分別對(duì)信號(hào)處理過程中所使用的各種信號(hào)處理方法進(jìn)行進(jìn)一步說明。水平方向波束形成常規(guī)的時(shí)域波束形成技術(shù)是通過對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行延時(shí)、加權(quán)、求和等處理得到指向特定角度的波束，能夠提高主瓣方向的增益，抑制旁瓣方向的回波，其基本公式為其中A是加權(quán)系數(shù)，一般采用Dolph-Chebyschev加權(quán)系數(shù)，^")是第^個(gè)基元在時(shí)刻纟的接收信號(hào)，7'是波束指向角對(duì)應(yīng)的延時(shí)，M為基元個(gè)數(shù)。對(duì)于帶通采樣的窄帶信號(hào)，通常采用正交時(shí)域波束形成技術(shù)，通過插值提高延時(shí)巧的精度。時(shí)域的波束形成也可以轉(zhuǎn)移到頻域上，時(shí)域上波束形成的求和，對(duì)應(yīng)于頻域上的相乘，時(shí)域上對(duì)不同方向的延時(shí)補(bǔ)償，在頻域上看則是加權(quán)，因此在頻率域上形成多波束是可能的。頻域波束形成采用快速傅立葉變換(FFT)同時(shí)形成多個(gè)指向不同角度的波束，頻域波束形成的計(jì)算公式是式中附是不同波束指向角對(duì)應(yīng)的波束序號(hào)。12采用FFT波束形成方法能夠加快計(jì)算速度，提高計(jì)算效率，但是FFT中波束序號(hào)附是整數(shù)，所以FFT只能形成有限個(gè)特定角度的波束。對(duì)于連續(xù)目標(biāo)，可以利用相位法提高波束內(nèi)的水平方向分辨率，F(xiàn)FT波束形成對(duì)三維前視聲納分辨率的影響不大。相位法相位法的基本原理是把接收陣分成兩個(gè)完全相同的子陣，波束形成后，等效于將接收陣面轉(zhuǎn)向波束指向角，波束中心上的回波正好位于兩個(gè)子陣的等效中心連線的垂直平分線上，也就是說波束中心點(diǎn)到達(dá)兩個(gè)子陣的相位差為零。而偏離波束中心的水平入射角也可以利用與兩子陣相位差之間的關(guān)系計(jì)算得到。令兩個(gè)子波束的同相、正交分量分別為AA^込，可以利用共軛相乘的方法來提取相位差，計(jì)算公式為A,,、f-/2込)對(duì)相位差A(yù)"'(o用最小二乘法進(jìn)行曲線擬合，得到相對(duì)平滑的相位差曲線A"W。相位差曲線的過零點(diǎn)時(shí)刻為該波束中心的到達(dá)時(shí)刻(TimeofArrival,T0A)。對(duì)于連續(xù)目標(biāo)而言，相位差曲線的過零點(diǎn)附近的相位差值也可以表征目標(biāo)的來波方向，其波束指向角與相位差有如下關(guān)系3(0=arcsin式中"是兩個(gè)子陣的間隔，^是波數(shù)，^是波束指向角，W0是實(shí)際角度與波束指向角的偏差，在遠(yuǎn)場(chǎng)條件下，相位差A(yù)"(0為零時(shí)的方向?qū)?yīng)于波束指向角，此時(shí)有^(0=0，所以由相位法計(jì)算出水平方向的實(shí)際角度為柳信源數(shù)估計(jì)波達(dá)方向估計(jì)算法采用基于特征子空間的算法，利用信號(hào)子空間與噪聲子空間的正交性估計(jì)來波方向，需要預(yù)先知道信源個(gè)數(shù)。當(dāng)信號(hào)源數(shù)估計(jì)不正確時(shí)，也就是對(duì)信號(hào)子空間和噪聲子空間估計(jì)不準(zhǔn)，即兩者不完全正交，會(huì)造成估計(jì)信號(hào)源時(shí)的虛警或者漏警，也就會(huì)造成在估計(jì)信號(hào)方向時(shí)的偏差，所以波達(dá)方向估計(jì)技術(shù)中的首要問題是信源數(shù)估計(jì)問題。信源數(shù)估計(jì)的理論依據(jù)是在一定條件下接收數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣的大特征值數(shù)目對(duì)應(yīng)于信號(hào)源數(shù)，相等的小特征值等于噪聲功率。但是在實(shí)際應(yīng)用中由于受信噪比等因素的限制，只對(duì)數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣進(jìn)行特征分解不能得到明顯的大小特征值。本系統(tǒng)采用蓋氏圓方法(GDE)來估計(jì)信號(hào)源數(shù)目，其特點(diǎn)是不需要預(yù)知特征值的具體數(shù)值，而是通過蓋氏圓盤定理來估計(jì)特征值的位置從而估計(jì)信號(hào)源數(shù)目。波達(dá)方向估計(jì)在水平方向完成波束形成后，可以大大減少同時(shí)到達(dá)的信源數(shù)，然后在垂直平面內(nèi)采用波達(dá)方向估計(jì)(DOA)技術(shù)求垂直方向入射角，這里采用旋轉(zhuǎn)不變子空間(ESPRIT)算法，利用數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣信號(hào)子空間的旋轉(zhuǎn)不變特性估計(jì)信號(hào)參數(shù)，計(jì)算量比較小。ESPRIT算法的原理是認(rèn)為相鄰子陣間存在一個(gè)固定間距，這個(gè)固定間距能反映出各相鄰子陣間的旋轉(zhuǎn)不變特性。假設(shè)存在兩個(gè)完全相同的子陣，且子陣間的間距△已知，對(duì)同一信號(hào)兩個(gè)子陣的輸出只有一個(gè)相位差A(yù),則兩個(gè)子陣的接收信號(hào)表示為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage14</formula>式中S是發(fā)射信號(hào)，^是空間陣列的流型矩陣，旋轉(zhuǎn)不變關(guān)系①^"g[^'…e為]，則子陣1的陣列流型4=^,子陣2的陣列流型^"0，I是兩個(gè)子陣陣列流型的合并形式，噪聲W—般是零均值高斯白噪聲，與信號(hào)不相關(guān)。對(duì)接收信號(hào)的協(xié)方差矩陣*進(jìn)行特征分解可得i=]=A+Aw=+式中￡[*]表示計(jì)算數(shù)學(xué)期望，W"表示共軛轉(zhuǎn)置運(yùn)算，^是大特征值構(gòu)成的對(duì)角陣，^為大特征值對(duì)應(yīng)的特征矢量張成的信號(hào)子空間，^是小特征值構(gòu)成的對(duì)角陣，為小特征值對(duì)應(yīng)的特征矢量張成的噪聲子空間。存在一個(gè)唯一的非奇異矩陣r,使得^=^\由陣列流型的關(guān)系4-4①，可以推導(dǎo)出t/S2="j-'①r=所以只要求出旋轉(zhuǎn)不變關(guān)系矩陣o=^T-1，就可計(jì)算出信號(hào)垂直方向的入射角度A,計(jì)算公式為n.fA義^=arcsm~Vt本裝置釆用改進(jìn)的總體最小二乘ESPRIT算法(UnitaryTLS-ESPRIT),將復(fù)數(shù)矩陣實(shí)數(shù)化，可以減小計(jì)算量，提高計(jì)算效率。為了驗(yàn)證本系統(tǒng)及其方法的處理性能，對(duì)信號(hào)處理方法進(jìn)行仿真。仿真實(shí)驗(yàn)中，平面聲納陣選用16*6個(gè)陣元，相鄰陣元間隔為半波長(zhǎng)，有效陣面大小為80腿*30腿，發(fā)射信號(hào)為10kHz帶寬的chirp信號(hào)，實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)設(shè)定為聲納陣前方三維空間中的一根桿，桿中心到參考點(diǎn)的距離為75米，桿中心的水平方向入射角為45度，桿中心的垂直方向入射角為30度，信噪比為20dB，發(fā)射信號(hào)是帶寬10kHz的chirp信號(hào)，目標(biāo)與平面聲納陣相對(duì)位置的示意圖如圖4所示。信號(hào)處理算法的仿真結(jié)果如圖5，與實(shí)際散射點(diǎn)的入射角度相比，水平15方向入射角的均方根誤差為0.8408度，垂直方向入射角的均方根誤差為0.7657度。估計(jì)出的聲像點(diǎn)位置偏差為O.8184米。在平面聲納陣的有效陣面大小相同的條件下，采用常規(guī)二維波束形成技術(shù)估計(jì)入射角度，恢復(fù)出的角度如圖6，與實(shí)際散射點(diǎn)的角度相比，水平方向入射角的均方根誤差為2.9334度，垂直方向入射角的均方根誤差為1.6676度。估計(jì)出的聲像點(diǎn)位置偏差為4.5637米。對(duì)于有效陣面大小相同的平面聲納陣，分別釆用結(jié)合波束形成技術(shù)、相位法和波達(dá)方向估計(jì)技術(shù)的新方法與采用常規(guī)二維波束形成方法在入射角度估計(jì)上的誤差比較見下表表l兩種方法計(jì)算出角度的誤差比較<table>tableseeoriginaldocumentpage16</column></row><table>可見本發(fā)明提出的把常規(guī)波束形成技術(shù)、相位法和波達(dá)方向估計(jì)技術(shù)結(jié)合在一起的方法能夠獲得較高的水平分辨率和垂直分辨率，優(yōu)于常規(guī)二維波束形成技術(shù)。釆用本發(fā)明的方法最終恢復(fù)出的散射點(diǎn)位置與初設(shè)散射點(diǎn)的對(duì)比關(guān)系如圖7，從圖7中可以看出上述信號(hào)處理算法恢復(fù)出的散射點(diǎn)與初設(shè)散射點(diǎn)位置基本吻合，能夠得到前方目標(biāo)的三維圖像。在三維空間中，常規(guī)二維波束形成技術(shù)恢復(fù)出的散射點(diǎn)位置與原始散射點(diǎn)的對(duì)比關(guān)系如圖8，從圖8中看出這種方法只能恢復(fù)出位于波束中心的散射點(diǎn)，不能得到連續(xù)目標(biāo)的形狀。最后應(yīng)說明的是，以上實(shí)施例僅用以描述本發(fā)明的技術(shù)方案而不是對(duì)本技術(shù)方法進(jìn)行限制，本發(fā)明在應(yīng)用上可以延伸為其他的修改、變化、應(yīng)用和實(shí)施例，并且因此認(rèn)為所有這樣的修改、變化、應(yīng)用、實(shí)施例都在本發(fā)明的精神和教導(dǎo)范圍內(nèi)。權(quán)利要求1、一種用于小型水下載體的三維前視聲像聲納系統(tǒng)，包括發(fā)射聲納陣1，用于寬覆蓋范圍的近距離探測(cè)，所述發(fā)射聲納陣1為多個(gè)基元組成的發(fā)射平面陣，基元間距為半波長(zhǎng)；發(fā)射聲納陣2，用于遠(yuǎn)距離探測(cè)，所述發(fā)射聲納陣2由多排聲納陣組成，水平方向呈圓弧排列，垂直方向以半波長(zhǎng)間隔排列；接收聲納陣，由間距為半個(gè)波長(zhǎng)的接收換能器單元組成平面陣，用于接收回波信號(hào)；其中，所述發(fā)射聲納陣1、所述發(fā)射聲納陣2和所述接收聲納陣位于所述小型水下載體的前方。2、權(quán)利要求l的系統(tǒng)，還可以包括處理模塊，用于在水平平面內(nèi)采用常規(guī)波束形成技術(shù)形成的多個(gè)水平方向的波束內(nèi)，采用相位法求出水平方向的入射角，在垂直平面內(nèi)采用信源數(shù)估計(jì)和波達(dá)方向估計(jì)技術(shù)求出垂直方向的入射角。3、權(quán)利要求2的系統(tǒng)，其中，所述處理模塊還可以用于利用所述水平方向和垂直方向的入射角和回波到達(dá)時(shí)間，計(jì)算散射點(diǎn)在三維空間中的位置，獲得聲像。4、權(quán)利要求l的系統(tǒng)，其中，所述發(fā)射聲納陣l由3*3個(gè)基元組成，基元間距為半波長(zhǎng)。5、權(quán)利要求4的系統(tǒng)，其中，所述發(fā)射聲納陣1的9個(gè)基元中，中心基元發(fā)射，周圍8個(gè)基元為啞元，為所述中心發(fā)射基元提供必要的邊界條件，保證中心基元可以實(shí)現(xiàn)寬覆蓋發(fā)射。6、權(quán)利要求5的系統(tǒng)，其中，所述發(fā)射聲納陣1的中心基元的水平、垂直方向波束開角為90度*90度。7、權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中，所述發(fā)射聲納陣2由3排聲納陣組成。8、權(quán)利要求l的系統(tǒng)，其中，所述發(fā)射聲納陣2的水平方向的圓弧陣扇面角度為150度。9、權(quán)利要求l的系統(tǒng)，其中，所述發(fā)射聲納陣2的垂直方向以波束開角約為40度發(fā)射波束。10、權(quán)利要求l的系統(tǒng)，其中，所述接收聲納陣的每個(gè)基元單獨(dú)引線，用于波束形成和波達(dá)方向估計(jì)；所述接收聲納陣釆用數(shù)字波束形成，水平方向的波束開角為7.2度。11、權(quán)利要求l的系統(tǒng)，其中，所述平面陣由18*8個(gè)間距為半個(gè)波長(zhǎng)的接收換能器單元組成，中央的16*6個(gè)單元用于接收，邊緣基元為啞元，用于降低基元互耦合的影響。12、一種使用權(quán)利要求1所述的聲納系統(tǒng)獲取三維前視聲像的方法，包括步驟10)、使用所述發(fā)射聲納陣1或者發(fā)射聲納陣2以及所述接收聲納陣，在水平平面內(nèi)采用常規(guī)波束形成技術(shù)形成多個(gè)水平方向的波束；步驟20)、在波束內(nèi)采用相位法求出水平方向的入射角，在垂直平面內(nèi)采用信源數(shù)估計(jì)和波達(dá)方向估計(jì)技術(shù)求出垂直方向的入射角；步驟30)、利用所述水平方向和垂直方向的入射角和回波到達(dá)時(shí)間，計(jì)算散射點(diǎn)在三維空間中的位置，獲得聲像。13、權(quán)利要求12的方法，其中，步驟10)進(jìn)一步包括通過對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行延時(shí)、加權(quán)、求和處理得到指向特定角度的多個(gè)水平方向的波束；其中，時(shí)域波束形成；K0=2:a,義,(/一rj，其中，頻域波束形成<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>",是加權(quán)系數(shù)，A(0是第/個(gè)基元在時(shí)刻,的接收信號(hào)，^是波束指向角對(duì)應(yīng)的延時(shí)，M為基元個(gè)凄史，附是不同波束指向角對(duì)應(yīng)的波束序號(hào)。14、權(quán)利要求12的方法，其中，步驟10)中，所述波束寬度約為7度。15、權(quán)利要求12的方法，其中，步驟20)中釆用相位法求出水平方向的入射角進(jìn)一步包括把接收聲納陣分成兩個(gè)完全相同的子陣，波束形成后，等效于將接收陣面轉(zhuǎn)向波束指向角，波束中心上的回波正好位于兩個(gè)子陣的等效中心連線的垂直平分線上。16、權(quán)利要求12的方法，其中，步驟20)中采用相位法求出水平方向的入射角進(jìn)一步包括步驟210)、把接收聲納陣分成兩個(gè)完全相同的子陣，兩個(gè)子波束的同相、正交分量分另'j為7iAS込，相位差為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>步驟220)、<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>，"是兩個(gè)子陣間隔，A一)為A"V)的擬合，^是波數(shù)，e是波束指向角，外)是實(shí)際角度與波束指向角的偏差；步驟230)、水平方向的實(shí)際入射角為W0。17、權(quán)利要求12的方法，其中，步驟20)中，在垂直平面內(nèi)采用信源數(shù)估計(jì)和波達(dá)方向估計(jì)技術(shù)求出垂直方向的入射角進(jìn)一步包括步驟21(K)、用蓋氏圓方法來估計(jì)信號(hào)源數(shù)目，通過蓋氏圓盤定理估計(jì)特征值的位置，從而估計(jì)信號(hào)源數(shù)目；步驟220')、采用波達(dá)方向估計(jì)技術(shù)或空間譜估計(jì)技術(shù)，利用數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣信號(hào)子空間的旋轉(zhuǎn)不變特性估計(jì)垂直方向的入射角。18、權(quán)利要求17的方法，其中，步驟22(T)中，采用旋轉(zhuǎn)不變子空間算法，利用數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣信號(hào)子空間的旋轉(zhuǎn)不變特性估計(jì)垂直方向的入射角。全文摘要本發(fā)明公開一種用于小型水下載體的三維前視聲像聲納系統(tǒng)，包括發(fā)射聲納陣1，用于近距離探測(cè)，由多個(gè)基元組成，基元間距為半波長(zhǎng)；發(fā)射聲納陣2，用于遠(yuǎn)距離探測(cè)，由多排聲納陣組成，水平方向呈圓弧排列，垂直方向以半波長(zhǎng)間隔排列；接收聲納陣，由間距為半個(gè)波長(zhǎng)的接收換能器單元組成平面陣，中央的基元用于接收，邊緣基元為啞元。所述系統(tǒng)采用常規(guī)波束形成技術(shù)形成多個(gè)水平方向的波束；在波束內(nèi)，采用相位法求出水平方向的入射角；在垂直平面內(nèi)采用信源數(shù)估計(jì)和波達(dá)方向估計(jì)技術(shù)求出垂直方向的入射角；并利用回波到達(dá)時(shí)間，計(jì)算散射點(diǎn)在三維空間中的位置，獲得聲成像。能夠?qū)崿F(xiàn)小陣面面積、高分辨率、長(zhǎng)距離、寬覆蓋的前方目標(biāo)探測(cè)。文檔編號(hào)G01S15/00GK101581785SQ20081011165公開日2009年11月18日申請(qǐng)日期2008年5月15日優(yōu)先權(quán)日2008年5月15日發(fā)明者劉曉東,劉治宇,順張,朱維慶申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所