【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于水下聲成像，具體涉及一種復合型超結構壓縮感知聲成像裝置及方法。
技術介紹
1、海洋不僅為人們生產生活帶來資源與便利，更是軍事戰略版圖的重要一部分。在水下戰中，探測是至關重要的環節。電磁波難以在水下傳播，而聲波在水下傳播具有獨特的特性，例如全向性和多介質傳播，能夠適應復雜水下環境。聲音定位廣泛應用于各種工程領域，包括結構健康監測、目標辨識、水聲通信等。發展小型、低代價、高性能探測裝置和技術對于建立強大的海洋戰略科技力量具有重大戰略意義。水下成像在聲吶探測中發揮重要作用，其廣泛應用于海洋軍事領域和水下資源探測與開發。傳統的水下聲成像普遍采用相控傳感器陣列實現，但其極大的受到算法、傳感器數量以及空間陣列方式影響，具有高復雜度、低空間利用率和高能耗的缺點，因此改善現有的水下聲探測裝置一直是聲學領域研究的熱點話題。近些年來，人們開始利用具有亞波長尺寸特性的聲學超結構來實現復雜的聲成像功能。聲學超結構是通過結構設計來操縱聲波的人造材料，它們相比傳統材料表現出更卓越的性能。結合壓縮感知理論，通過設計具有高空間各向異性的聲學超結構能夠實現包括多聲源辨識、高分辨率感知和追蹤等復雜聲成像功能。壓縮感知和超結構的結合為建立水下小體積、高精度的水聲探測系統提出了新思路。
2、以往提出的水聲傳感裝置雖然能實現對水下弱信號的探測，但其僅對單一方向和諧振頻率下的聲波敏感，無法實現空間上的復雜聲源感知。目前基于各向異性超結構的聲成像裝置雖然能夠實現多聲源的感知和追蹤，但也僅僅停留在空氣環境，難以實現水下環境的聲源感知，且僅實現了聲源方
技術實現思路
1、本專利技術的目的在于克服現有聲成像裝置的不足，提供了一種復合型壓縮感知聲成像裝置及方法，用于實現在空氣或水下空間針對多個聲源的近、遠場高精度聲源辨識、精確測距和定位追蹤功能，并且可以根據實際應用場景調節頻率響應。
2、為了實現上述目的，本專利技術采用如下技術方案：
3、一種復合型超結構壓縮感知聲成像裝置，包括兩個魚形仿生鸚鵡螺超結構組合構成的圓盤形，魚形仿生鸚鵡螺超結構上分布多個內部空腔，八個折疊通道單元組成的八邊形超結構，折疊通道單元上分布正交聲通道。
4、本專利技術進一步的改進在于，魚形仿生鸚鵡螺超結構外層螺旋線滿足方程：xt＝rcos(th)，yt＝rsin(th)，zt＝0給出，其中th＝360nt，a為控制螺線發散程度的參數，n為螺旋旋繞的圈數，t為0～1的自變量。
5、本專利技術進一步的改進在于，該裝置能夠在以空氣為代表的氣體介質中實現聲成像，或者在以水為代表的液體介質中實現聲成像，在不同介質中工作時空腔內填充相應的工作介質。
6、本專利技術進一步的改進在于，當聲源發出的聲波由外界進入圓盤形超結構時，不同方向的聲波經過不同的正交聲通道和空腔，最終在兩探測點產生聲信號的相位和幅值均不相同，即通過人工結構呈現的各項異性實現聲源方向判斷。
7、本專利技術進一步的改進在于，通過調整聲學單元的幾何參數，包括正交聲通道長度和空腔的體積，能夠直接調節頻率響應。
8、一種復合型超結構壓縮感知聲成像方法，該方法基于所述的一種復合型超結構壓縮感知聲成像裝置，包括：
9、1)根據目標聲源探測頻段，確定聲學單元的幾何參數，包括正交聲通道長度和空腔的外形和體積；
10、2)根據目標聲信息和預期位置，將探測方向劃分為若干個網格點，并在各網格點處進行對各目標聲源預知探測，根據兩個魚形仿生鸚鵡螺超結構內部傳感器測得的復聲信號，聯合構建壓縮感知觀測矩陣，完成系統測試和訓練；
11、3)實際測量中，根據兩傳感器測得的復聲信號，結合壓縮感知觀測矩陣，反向推演聲源與兩傳感器的方位關系，根據兩傳感器間距和兩方位角，得到聲源方向和相對距離。
12、本專利技術進一步的改進在于，魚形仿生鸚鵡螺超結構外層螺旋線滿足方程：xt＝rcos(th)，yt＝rsin(th)，zt＝0給出，其中th＝360nt，a為控制螺線發散程度的參數，n為螺旋旋繞的圈數，t為0～1的自變量。
13、本專利技術進一步的改進在于，該方法能夠在以空氣為代表的氣體介質中實現聲成像，或者在以水為代表的液體介質中實現聲成像，在不同介質中工作時空腔內填充相應的工作介質。
14、本專利技術進一步的改進在于，當聲源發出的聲波由外界進入圓盤形超結構時，不同方向的聲波經過不同的折疊聲通道和空腔，最終在兩探測點產生聲信號的相位和幅值均不相同，即通過人工結構呈現的各項異性實現聲源方向判斷。
15、本專利技術進一步的改進在于，通過調整聲學單元的幾何參數，包括正交聲通道長度和空腔的體積，能夠直接調節頻率響應。
16、與現有技術相比，本專利技術至少具有以下有益的技術效果：
17、綜上所述，根據本專利技術提供的一種復合型壓縮感知聲成像裝置的上述特點，采用本專利技術提供的聲成像裝置，能夠實現空氣或水下三維空間中單聲源定位與測距。這種裝置的結構簡單規則，獨特且美觀，同時具有多種可設計因素如：單元通道長度和寬度、空腔的形狀和體積、單元的數量和形狀、單元的排列方式和開孔方向、結構壁厚和整體高度、傳感器位置。通過設計鸚鵡螺超結構和折疊通道超結構能夠實現對入射聲波的定制調控，減小了結構尺寸和系統復雜度，調節結構強度和感知范圍以適應不同的工作環境。同時，兩個互不相同雙魚鸚鵡螺的結構特征使得兩個傳感器的成像過程相互獨立，從而可以通過兩次獨立的聲源方位辨識來確定聲源距離。聲學超結構的使用通過物理結構實現了聲波捕獲，更加穩定可靠。結構單元與聲波間的共振作用增強了特殊頻段聲波，削弱了水下傳遞損耗，保護了信息完整性。多元信息融合壓縮感知方法和雙傳感器聯合壓縮感知方法的使用降低了計算復雜度，提高了重建精度，克服了空間采樣定理和中垂線位置錐面模糊的缺陷，降低了采樣率，實現了對水下多聲源的分辨、定位和追蹤。綜上，這種聲成像裝置與現有的傳感器陣列成像系統相比具有更小的尺寸和更穩定的結構，減少了傳感器數量，成像的性能可根據實際工作情況靈活調控。與現有壓縮感知超結構成像裝置相比融合了多種信息，提高了精度，增加了可同時分辨聲源的數量，并且能夠實現對聲源的距離測量，可廣泛應用各種裝置和環境的聲成像中。
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1.一種復合型超結構壓縮感知聲成像裝置，其特征在于，包括兩個魚形仿生鸚鵡螺超結構(1)組合構成的圓盤形超結構(2)，魚形仿生鸚鵡螺超結構(1)上分布多個內部空腔(3)，八個折疊通道單元(4)組成的八邊形超結構(5)，折疊通道單元(4)上分布正交聲通道(6)。
2.根據權利要求1所述的一種復合型超結構壓縮感知聲成像裝置，其特征在于，魚形仿生鸚鵡螺超結構(1)外層螺旋線滿足方程：xt＝rcos(th)，yt＝rsin(th)，zt＝0給出，其中th＝360nt，a為控制螺線發散程度的參數，n為螺旋旋繞的圈數，t為0～1的自變量。
3.根據權利要求1所述的一種復合型超結構壓縮感知聲成像裝置，其特征在于，該裝置能夠在以空氣為代表的氣體介質中實現聲成像，或者在以水為代表的液體介質中實現聲成像，在不同介質中工作時空腔(3)內填充相應的工作介質。
4.根據權利要求1所述的一種復合型超結構壓縮感知聲成像裝置，其特征在于，當聲源發出的聲波由外界進入圓盤形超結構(2)時，不同方向的聲波經過不同的正交聲通道(6)和空腔(3)，最終在兩探測點產生聲信號的相位和幅值均不
5.根據權利要求1所述的一種復合型超結構壓縮感知聲成像裝置，其特征在于，通過調整聲學單元的幾何參數，包括正交聲通道(6)長度和空腔(3)的體積，能夠直接調節頻率響應。
6.一種復合型超結構壓縮感知聲成像方法，其特征在于，該方法基于權利要求1所述的一種超結構壓縮感知聲成像裝置，包括：
7.根據權利要求6所述的一種復合型超結構壓縮感知聲成像方法，其特征在于，魚形仿生鸚鵡螺超結構(1)外層螺旋線滿足方程：xt＝rcos(th)，yt＝rsin(th)，zt＝0給出，其中th＝360nt，a為控制螺線發散程度的參數，n為螺旋旋繞的圈數，t為0～1的自變量。
8.根據權利要求6所述的一種復合型超結構壓縮感知聲成像方法，其特征在于，該方法能夠在以空氣為代表的氣體介質中實現聲成像，或者在以水為代表的液體介質中實現聲成像，在不同介質中工作時空腔(3)內填充相應的工作介質。
9.根據權利要求6所述的一種復合型超結構壓縮感知聲成像方法，其特征在于，當聲源發出的聲波由外界進入圓盤形超結構(2)時，不同方向的聲波經過不同的正交聲通道(6)和空腔(3)，最終在兩探測點產生聲信號的相位和幅值均不相同，即通過人工結構呈現的各項異性實現聲源方向判斷。
10.根據權利要求6所述的一種復合型超結構壓縮感知聲成像方法，其特征在于，通過調整聲學單元的幾何參數，包括正交聲通道(6)長度和空腔(3)的體積，能夠直接調節頻率響應。
...【技術特征摘要】
1.一種復合型超結構壓縮感知聲成像裝置，其特征在于，包括兩個魚形仿生鸚鵡螺超結構(1)組合構成的圓盤形超結構(2)，魚形仿生鸚鵡螺超結構(1)上分布多個內部空腔(3)，八個折疊通道單元(4)組成的八邊形超結構(5)，折疊通道單元(4)上分布正交聲通道(6)。
2.根據權利要求1所述的一種復合型超結構壓縮感知聲成像裝置，其特征在于，魚形仿生鸚鵡螺超結構(1)外層螺旋線滿足方程：xt＝rcos(th)，yt＝rsin(th)，zt＝0給出，其中th＝360nt，a為控制螺線發散程度的參數，n為螺旋旋繞的圈數，t為0～1的自變量。
3.根據權利要求1所述的一種復合型超結構壓縮感知聲成像裝置，其特征在于，該裝置能夠在以空氣為代表的氣體介質中實現聲成像，或者在以水為代表的液體介質中實現聲成像，在不同介質中工作時空腔(3)內填充相應的工作介質。
4.根據權利要求1所述的一種復合型超結構壓縮感知聲成像裝置，其特征在于，當聲源發出的聲波由外界進入圓盤形超結構(2)時，不同方向的聲波經過不同的正交聲通道(6)和空腔(3)，最終在兩探測點產生聲信號的相位和幅值均不相同，即通過人工結構呈現的各項異性實現聲源方向判斷。
5.根據權利要求1所述的一種復合型超結構壓縮感知聲成像裝置，其特征在于，通過調整聲學單元的幾何參數，包...
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