一种新型的低频高分辨率水声成像方法研究

This application is a creative way of a novel low-frequency high-resolution underwater acoustic imaging method, using low-frequency signals in the water to reduce the loss of sound wave propagation, changing low frequency echo signal into high frequency echo signal by high-frequency pump wave. So the same length of the array under conditions to improve significantly the reception beam angle resolution of the low-frequency echo signal. In order to verify the feasibility of the imaging method, this research project uses 20～30kHz chirp wave transmitter signal as transmitted signal, uses 475kHz with a single-frequency signal as a pump wave echo signal to change low-frequency signal into 495～505kHz high-frequency and LFM wave signal, receiving the high-frequency sum frequency-wave signal by high-frequency transducer, so achieves high-resolution imaging. According to the method and frequency parameters to build a high-resolution imaging appraratus, by the field-proven way of lake and sea trials in the muddy water, the ability to detect high-resolution seabed effectiveness and explore buried objects. This research project proposes two methods that a low-frequency sound field is converted into a high-frequency field, and sound-electric-acoustic sound field transform improves the conversion efficiency were discussed.

本申请创造性地提出了一种新型的低频高分辨率水声成像方法，采用低频信号在水中传播以减少声波的传播损失，用高频泵波将低频回波信号变换成高频回波信号，用高频换能器阵接收高频回波信号，从而实现在同样阵长条件下相对于低频回波信号大幅度地提高接收波束的角度分辨率。为了验证该成像方法的可行性，本研究项目提出采用20～30kHz的线性调频波作为发射信号，用475kHz的单频信号作为泵波将低频回波信号变换成495～505kHz线性调频高频和频波信号，用高频换能器阵接收该高频和频波信号，从而实现高分辨率成像。根据上述方法和参数搭建一套低频高分辨率成像装置,通过湖、海试的方式实地验证在浑浊水中高分辨率探测的有效性和探测海底掩埋物的能力。本研究项目提出了两种低频声场变换成高频声场的方法，并对声－电－声变换提高声场的转换效率进行了探讨。

目前水声成像为了提高分辨率一般都采用高频声波，但高频水声成像不能在浑浊水中进行有效探测，不能探测海底掩埋物等，克服上述缺点必须采用低频水声成像技术，但是在接收换能器孔径相同的情况下低频水声成像比高频水声成像分辨率低。课题探索一种新型的低频高分辨率水声成像方法，这种新型的水声成像方法具有高稳健性同时具有分辨率突破接收换能器孔径的限制。采用低频信号在水中传播减少声波的传播损失，用高频泵波将低频回波信号变换成高频回波信号，用高频换能器阵接收高频信号，从而实现在同样阵长条件下相对于低频回波信号大幅度地提高波束的角度分辨率。提高常规形成波束的角度分辨率可以在角域里加一个窗函数，该窗函数的要求：在波束的主瓣内窗函数的最大值位置与波束的最大值位置重合，在最大值位置的两侧窗函数应该有两个极小值才能使波束的主瓣分裂变细，同时窗函数的两个次极大值位置对应波束主瓣的两个极小值位置；在波束的旁瓣处，窗函数的极小值位置对应旁瓣的极大值位置，窗函数的极大值位置对应旁瓣的极小值位置。符合这些要求的窗函数能在角域里有效地分裂波束，使波束的主瓣变细同时使波束的旁瓣相对于主瓣的衰减量增大。根据角域窗函数的要求，采用基于广义倒谱相关法设计了一个窗函数提高了波束的角度分辨率。提出了阵元域数据在角域中对消波动性再做常规波束形成的信号处理方法，将接收到的阵元域数据在角域里根据需要对消波束主瓣内不同入射方向平面波的波动幅度，对消后的数据做常规波束形成能提高波束的角度分辨率，从而突破了孔径的限制。采用基于广义倒谱相关设计角域窗函数的方法将波束的角度分辨率提高到原来分辨率的9倍。采用阵元域数据在角域中对消波动性再做常规波束形成的信号处理方法能克服声波波动的传播遇到有限的接收换能器孔径会产生衍射的问题，从而提高低频水声成像系统的分辨率。项目的科学意义是解决了声呐波束的角度分辨率受接收换能器孔径的限制，突破了瑞利准则。