前 言

波束形成聲成像技術是一種被廣泛使用的聲成像技術，波束形成技術是波束形成聲成像系統中的重要組成部分，波束形成的好壞將直接影響到最終生成的圖像質量。發展較早的主要是二維成像聲吶，如側掃聲吶、前視聲吶等，二維聲圖像中僅包含了目標的距離和方位信息，不包含被掃描區域的垂直距離變化等三維信息。隨著科技的不斷進步和發展，三維聲吶成像技術也得到了較快發展，目前世界上一些先進國家已經擁.有良好的三維聲成像技術，三維聲成像聲吶已被用于海底勘測、海底成像等領域。

? ? ?采用波束形成的二維聲成像系統中，主要是利用波束形成來獲得觀測區域的距離和方位信息。其中距離信息是根據目標后向散射回波時間換算成距離，而方位信息則是根據各個掃描角度的波束輸出強弱來實現的。二維聲成像主要采用的是線性陣列，線性陣列具有電路結構簡單、通道數少、硬件實現方便等優點，被廣泛應用于聲成像系統中。常用的線性陣列的成像方式有以下兩種：

??? 1)單波束掃描成像:單波束成像聲吶一次只能發射一個波束，只能觀察到一個波束掃描區域。要想獲得被觀測區域的完整信息，可以通過機械旋轉單波束線陣來獲得指定扇面或者全方位的區域信息，最終通過擬合二維點圖生成二維聲圖像。

??? 2)多波束預成電子掃描成像：利用多波束形成技術，在一次脈沖發射期間預成多個波束，實現同時對很寬的區域掃描，獲得觀測區域的二維信息，生成目標二維圖像。預成多波束的優點為一次掃描就能覆蓋較寬的區域，因為采用數字電子掃描技術，其成像速度快，可以進行大面積區域成像。

? ? ?二維成像系統

?二維聲吶成像多采用單波束掃描聲吶和預成多波束聲吶進行掃描成像，其基陣采用線性陣。對于二維成像聲吶，其水下目標聲成像系統主要由四部分組成，分別為目標回波信號接收、前置預處理、后置處理及終端顯示，系統中各個模塊的功能如下(見圖1)。

? ? ? ? ??圖1?二維聲吶成像系統組成

? ?1)目標回波信號接收：發射換能器向探測水域發射特定的聲信號，經過水下環境反射體反射后，接收換能器基陣接收后向散射回波，聲信號經過水下信道傳輸再經反射體反射，形成水下目標的回波信號，回波信號由目標回波及混響疊加而成。

??? 2)前置預處理：完成對回波信號的預處理，為后續波束形成和圖像生成提供可靠有效的數據，主要包括：對回波信號的采樣、帶通濾波、放大等功能。

??? 3)后置處理：在前置預處理的基礎上，對回波信號進行波束形成、波束內插、匹配濾波、正交解調、低頻抽樣等數據處理，再對目標的方位、距離和強度等信息進行估計，最終生成回波聲成像(強度-角度-強度聲圖像)，即目標的二維俯視圖、側視圖及三維圖，再經終端顯示出來。

??? 4)終端顯示：通過終端顯示對聲吶成像的結果進行顯示。

?? ?對水下目標進行聲成像可以較完整地獲取目標及其所在水下環境的多維空間信息，從而為目標分類與識別提供更加充分的依據。水下聲成像依據對目標回波信息進行數據及圖像處理，形成由主要亮點構成的目標偽圖像，從而對目標進行有效識別。

波束形成實現

??二維成像聲吶系統主要采用線列陣，使用常規波束形成算法實現。通過測量發射聲波的收發時間差，獲取目標的距離信息，再由波束空間掃描獲取目標方位信息。由波束形成理論可知，系統的輸出可以表示為：

其中 ? ?ω_i為第i個陣元的加權系數，S_i為第i個陣元的輸出信號，?τ_i為第i個陣元的時延。采用加權系數是為了改善旁瓣比或者抑制某種特定的干擾，常用的加窗函數有漢寧窗、海明窗、切比雪夫窗等加權方法，實際工程中應根據實際情況選擇加權系數。延遲時間的補償精度取決于系統信號采樣頻率，較好的系統性能要求較高的采樣頻率，一般要求達到奈奎斯特頻率的5-10倍，并要求較高的數據傳輸速率。要想得到更高的空間角度分辨率，可以采用提高采樣頻率或者提高波束插值倍數D的方法來實現。

(3)匹配濾波

??? 在主動聲吶信號處理技術中，常用波束形成、匹配濾波等方法來提高回波信號的信噪比，提高判決目標有無的把握。主動聲吶接收的回波信號先經過波束形成技術取得空間增益;再經過對波束形成后的輸出作進一步的處理，以獲取足夠的時間增益。

??? 考慮將回波信號經過-種最佳的線性濾波器，通過該濾波器后，能夠獲得最大信噪比的輸出。在波形檢測中，經常用匹配濾波器來構造最佳檢測器，匹配濾波器在信號檢測理論中占有重要地位。在通信系統中，常用的接收機都簡化為由一個線性濾波器和一個判決電路兩部分組成。

??? 設接收機系統輸入為確知的、能量有限的信號，其復數形式為u(t)，接收系統響應函數為h(t)，傳遞函數為H(f)，在時系統輸出為：

?使 ?y(t₀) 達到最大值的系統定義為與信號u(t)匹配的匹配濾波器系統簡稱匹配濾波器。由施瓦爾茲不等式以及系統輸出最大值的條件可以得出：

上式中，K為濾波器的相對放大量， ?R_u(t₀-t) 為輸入信號u(t)的相關函數，在時刻為匹配濾波器的最大輸出時刻。對于一般輸入信號而言，匹配濾波器相當于能計算互相關函數的互相關器，匹配濾波器是在白噪聲背景下有規信號檢測的最佳接收機。

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總結

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