多波束成像声呐基本原理及仿真分析

       多波束成像声呐是一种使用声学手段对水下的环境进行探测的设备，使用它可以得到远距离的水下环境成像结果。其利用了数字波束形成技术在一定空间范围上形成了数以百计的极窄单波束同时接收来自不同方向的反射声波最终得到了一张二维的声学图像，每个单波束的成像结果相当于是对当前空间的一个切面的成像结果。

成像的基本原理

对于单个波束而言，它的成像原理如图1所示：

                                                                              图1 

对于来自不同时刻（对应不同的斜距）的回波其强度是不同的，因此会得到一张回波强度图，在物体的后面由于声波无法照射到因此无法产生回波，在回波强度图中表现为影区，很明显这一成像过程是一个非线性过程，无法用矩阵的形式表示。

对于其中的一个单波束，其在水平方位上的波束宽度是要求非常窄的，一般是低于1°，越窄意味着更高的分辨力，成像的质量就越高，图2、3、4展示了波束分辨力分别为2.1°、1.1°、0.53°的成像结果。可以观察到水平方位上的波束宽度越窄成像效果越清晰。图中是对一只兔子进行的成像，如图5所示。对于垂直方向上的宽度要求是尽量宽的，这样有利于在当前的切面上获得更多的有用的回波信号，使成像范围可能的远。对于单个波束而言其典型的垂直方向指向性图和水平指向性图如图6所示。

图2

图3

图4

图5

图6 

 多波束成像声呐仿真分析

       前面介绍了多波束声呐的基本原理，利用这一原理笔者开发出了一套多波束成像声呐的仿真软件，该软件的基本思想就是通过将输入的物体点云数据进行水平向切割，得到若干个在水平方向很窄的切片，在每个切片内再进行垂直方向的分割，然后在每个垂直切块内找出斜距最小的点云团，并计算此点云团的强度和斜距，在没有点云的垂直块内计算对应的海底的回波时刻点及强度。融入了换能器设计相关的理论使声呐的基元指向性更加接近实际，考虑了常规波束形成（CBF）的旁瓣干扰和低旁瓣的高分辨波束形成算法（解卷积波束形成算法dCv），考虑了声波传播的衰减模型，海底回波散射理论，回波的亮点模型等这些理论和技术。

多波束成像声呐仿真软件简介

        笔者上传了该仿真软件到我的下载资源里，供大家下载使用。此仿真软件支持对输入的任意的点云图进行成像，自带丰富的3维点云库，可以对物体进行静态或者动态成像；支持成像结果导出。打开软件后界面如下图7，一共有两个界面，第二个界面而参数设置界面，如图8，里面包含了丰富的可调参数，可以在最大程度上模拟市面上已有的多波束成像声呐。

图7

                                                                         图8

       软件打开后会自动加载猫的点云数据，这是直接点击“开始仿真”，即可得到一张猫的成像结果图，如图9所示，如果想换成其它的数据可以点击导入文件路径旁的下拉菜单，如图10所示，里面一个包含的20个自带的点云数据，当然你也可以导入你自己的数据库，将下拉菜单选自定义，这是你就可以将自己的数据库路径输入到下方的白色方框中，文件的格式为mat文件，里面的变量名字需要命名成“Sonar_pc”，为3行N列矩阵，第1行表示x轴坐标，第2行表示y轴坐标，第3行表示z轴坐标。

      以上讲的是静态成的一张图像，如果想要动态的结果，则可以编辑右侧的运动次数，编辑成大于1的数，然后再编辑起点和终点的x,y,z坐标，该坐标系的定义为右手系z轴朝向大地。编辑好坐标后点击开始仿真开始，就可以看到动态的图像了，图像显示的是物体从起点坐标匀速直线运动中点坐标。如果想要物体旋转则可以编辑旋转开始和停止角，就可看到物体旋转的结果图。

      如果觉得导入的数据大小不对则可以自己输入放大/缩小倍数，调整到合适的尺寸，如果觉得导入的数据姿态不对可以滑动旋转绕X轴或者绕Y轴的旋转选项，直到调整到满意的姿态为止。然后软件就会保持该状态被放置到空间中进行成像。

      有做水下目标识别，水下物体三维重构，水下SLAM的又苦于没有实验数据的，这个可以帮你获得大量接近实际的声呐图像数据，助你快速的验证你的算法。