具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。另外，本发明提供的各个实施例或单个实施例中的技术特征可以相互任意结合，以形成可行的技术方案，这种结合不受步骤先后次序和/或结构组成模式的约束，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时，应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明实施例提供了一种三维侧扫声呐成阵列方法，参见图1，该方法包括：根据接收时长差，将接收阵列的信号分割为若干距离快拍，对每个距离快拍进行常规波束形成，生成基于信号强度的灰度图像；根据信号强度设置每个距离快拍的范围，并根据声呐接收阵列偏航和俯仰方向的阵元数量和阵元间距，以及偏航角和俯仰角，设置二维卷积核；设置迭代次数并进入一距离快拍，进行Richardson-Lucy反卷积算法迭代运算，若达到最大迭代次数，则将Richardson-Lucy反卷积算法迭代运算的结果作为所述一距离快拍的输出。

基于上述方法实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的三维侧扫声呐成阵列方法，所述对每个距离快拍进行常规波束形成，生成基于信号强度的灰度图像，包括：

（1）

其中，S(x,y)为常规波束形成输出图像的强度数值；x,y分别为波束形成输出图像的横坐标和纵坐标，即预成波束的数量；f(m,n)为特定坐标的阵元的原始信号，为一复数；M,N分别为声呐接收阵列阵元在横向和纵向的数量；j为虚数单位；m为横向的第m个声呐接收阵列阵元；n为纵向的第n个声呐接收阵列阵元。

具体地，每一个距离快拍的原始信号，首先通过常规波束形成算法，生成一幅基于强度的灰度图像。本发明通过在GPU平台上运行FFT算法完成常规波束形成的处理，具体如（1）式所示。

基于上述方法实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的三维侧扫声呐成阵列方法，所述并根据声呐接收阵列偏航和俯仰方向的阵元数量和阵元间距，以及偏航角和俯仰角，设置二维卷积核，包括：

（2）

其中，为卷积核二维数组；为偏航和俯仰方向的阵元数量；为偏航和俯仰方向的阵元间距；为俯仰角；为偏航角；为水声信号的波长。

具体地，常规波束形成运行完成后，通过用户设置，或根据信号强度自动设置进行反卷积算法的距离快拍的范围。根据声呐接收阵列阵元的横方向和纵方向间距，以及偏航和俯仰方向预成波束的数量，设置二维卷积核的尺寸。卷积核是一个关于俯仰角和偏航角的函数，计算公式如（2）式所示。

基于上述方法实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的三维侧扫声呐成阵列方法，所述进行Richardson-Lucy反卷积算法迭代运算，包括：

（3）

其中，为上一次迭代的输出；为本次迭代的输出；*为二维卷积运 算。需要说明的是，在Richardson-Lucy反卷积算法中，每一次迭代的公式如（3）式所示。

基于上述方法实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的三维侧扫声呐成阵列方法，在所述进行Richardson-Lucy反卷积算法迭代运算之后，还包括：若未达到最大迭代次数，则继续进行Richardson-Lucy反卷积算法迭代运算。

基于上述方法实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的三维侧扫声呐成阵列方法，在所述则将Richardson-Lucy反卷积算法迭代运算的结果作为所述一距离快拍的输出之后，还包括：若完成对所有距离快拍的计算，则结束Richardson-Lucy反卷积算法迭代运算。

本发明实施例提供的三维侧扫声呐成阵列方法，通过每个距离快拍生成基于信号强度的灰度图像，根据信号强度设置每个距离快拍的范围，并设置二维卷积核，设置迭代次数并对距离快拍进行Richardson-Lucy反卷积算法迭代运算，并将结果作为所述一距离快拍的输出，可以实现三维图像的实时处理，对水声图像进行超分辨率成像，在声呐的阵元数量和阵元间距受限的前提下，完成对水下物体的高精度测绘。

本发明实施例提供的三维侧扫声呐成阵列方法，通过在NVIDIA GPU平台上运行核心的信号处理算法，有效加快了算法的运行时长，实现了关键算法能够在两次声呐发射信号的时长间隔中完成运算，实现三维图像的实时处理，通过反卷积算法，实现了水声图像的超分辨成像。在声呐的阵元数量和阵元间距受限的情况下，较好的实现了高精度水下测绘功能，可以在集成角度和位置传感器的情况下，自动拼接多次测量的三维数据，并生成全航迹方向的三维水下地形。

本发明实施例提供了一种三维侧扫声呐成阵列系统，参见图4，该系统包括：发射阵列模块，用于发射球面波或柱面波超声信号；接收阵列模块，用于将超声波回波的声压强度的变化转换为电信号，并通过正交解调电路提取信号的幅值和相位；波束形成和反卷积模块，用于实现如前述方法实施例中任一实施例所述的三维侧扫声呐成阵列方法；显示控制模块，用于进行用户交互和三维成像数据的显示。

具体地，发射阵列模块，用于发射球面波或柱面波超声信号。由于声呐与目标之间的平均距离远大于声呐工作的波长，因此接收阵处理信号时，近似为远场信号，即假设目标的回波是平行的。接收阵列模块，为多个水声换能器组成的相控阵系统，所有阵元布置在一个平面上。换能器可以将超声波回波的声压强度的变化转换为电信号，并通过正交解调电路提取信号的幅值和相位。每一个换能器阵元在某一个时刻，输出一个复数，包括信号的幅值和相位信息。波束形成和反卷积模块，在NVIDIA GPU上，通过调用CUDA API实现算法的运行。显示控制模块，负责进行用户交互和三维成像数据的显示。当声呐安装在移动平台时，显示控制软件会结合与声呐连接的陀螺仪和GPS接收机的数据，自动进行声呐位置的偏移和对应三维模型的生成。

本发明各个实施例的实现基础是通过具有处理器功能的设备进行程序化的处理实现的。因此在工程实际中，可以将本发明各个实施例的技术方案及其功能封装成各种模块。基于这种现实情况，在上述各实施例的基础上，本发明的实施例提供了一种三维侧扫声呐成阵列装置，该装置用于执行上述方法实施例中的三维侧扫声呐成阵列方法。参见图2，该装置包括：第一主模块，用于根据接收时长差，将接收阵列的信号分割为若干距离快拍，对每个距离快拍进行常规波束形成，生成基于信号强度的灰度图像；第二主模块，用于根据信号强度设置每个距离快拍的范围，并根据声呐接收阵列偏航和俯仰方向的阵元数量和阵元间距，以及偏航角和俯仰角，设置二维卷积核；第三主模块，用于设置迭代次数并进入一距离快拍，进行Richardson-Lucy反卷积算法迭代运算，若达到最大迭代次数，则将Richardson-Lucy反卷积算法迭代运算的结果作为所述一距离快拍的输出。

本发明实施例提供的三维侧扫声呐成阵列装置，采用图2中的若干模块，通过每个距离快拍生成基于信号强度的灰度图像，根据信号强度设置每个距离快拍的范围，并设置二维卷积核，设置迭代次数并对距离快拍进行Richardson-Lucy反卷积算法迭代运算，并将结果作为所述一距离快拍的输出，可以实现三维图像的实时处理，对水声图像进行超分辨率成像，在声呐的阵元数量和阵元间距受限的前提下，完成对水下物体的高精度测绘。

需要说明的是，本发明提供的装置实施例中的装置，除了可以用于实现上述方法实施例中的方法外，还可以用于实现本发明提供的其他方法实施例中的方法，区别仅仅在于设置相应的功能模块，其原理与本发明提供的上述装置实施例的原理基本相同，只要本领域技术人员在上述装置实施例的基础上，参考其他方法实施例中的具体技术方案，通过组合技术特征获得相应的技术手段，以及由这些技术手段构成的技术方案，在保证技术方案具备实用性的前提下，就可以对上述装置实施例中的装置进行改进，从而得到相应的装置类实施例，用于实现其他方法类实施例中的方法。例如：

基于上述装置实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的三维侧扫声呐成阵列装置，还包括：第一子模块，用于实现所述对每个距离快拍进行常规波束形成，生成基于信号强度的灰度图像，包括：

其中，S(x,y)为常规波束形成输出图像的强度数值；x,y分别为波束形成输出图像的横坐标和纵坐标，即预成波束的数量；f(m,n)为特定坐标的阵元的原始信号，为一复数；M,N分别为声呐接收阵列阵元在横向和纵向的数量；j为虚数单位；m为横向的第m个声呐接收阵列阵元；n为纵向的第n个声呐接收阵列阵元。

基于上述装置实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的三维侧扫声呐成阵列装置，还包括：第二子模块，用于实现所述并根据声呐接收阵列偏航和俯仰方向的阵元数量和阵元间距，以及偏航角和俯仰角，设置二维卷积核，包括：

其中，为卷积核二维数组；为偏航和俯仰方向的阵元数量；为偏航和俯仰方向的阵元间距；为俯仰角；为偏航角；为水声信号的波长。

基于上述装置实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的三维侧扫声呐成阵列装置，还包括：第三子模块，用于实现所述进行Richardson-Lucy反卷积算法迭代运算，包括：

其中，为上一次迭代的输出；为本次迭代的输出；*为二维卷积运 算。

基于上述装置实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的三维侧扫声呐成阵列装置，还包括：第四子模块，用于实现在所述进行Richardson-Lucy反卷积算法迭代运算之后，还包括：若未达到最大迭代次数，则继续进行Richardson-Lucy反卷积算法迭代运算。

基于上述装置实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的三维侧扫声呐成阵列装置，还包括：第五子模块，用于实现在所述则将Richardson-Lucy反卷积算法迭代运算的结果作为所述一距离快拍的输出之后，还包括：若完成对所有距离快拍的计算，则结束Richardson-Lucy反卷积算法迭代运算。

本发明实施例的方法是依托电子设备实现的，因此对相关的电子设备有必要做一下介绍。基于此目的，本发明的实施例提供了一种电子设备，如图3所示，该电子设备包括：至少一个处理器(processor)、通信接口(Communications Interface)、至少一个存储器(memory)和通信总线，其中，至少一个处理器，通信接口，至少一个存储器通过通信总线完成相互间的通信。至少一个处理器可以调用至少一个存储器中的逻辑指令，以执行前述各个方法实施例提供的方法的全部或部分步骤。

此外，上述的至少一个存储器中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本发明各个方法实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器（ROM，Read-Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。基于这种认识，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

在本专利中，术语"包括"、"包含"或者其任何其它变体意在涵盖非排它性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句"包括……"限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。