本发明属于水声阵列信号处理，具体涉及一种基于稀疏矩阵的时域波束形成加速方法和装置。
背景技术：
1、由于水中光波和电磁波衰减严重，陆上和空中常用的成像设备和技术手段在水下的应用范围有限，而声波不仅能够在水中长距离传播且衰减较小，还具备良好的方向性和穿透能力，因此声波成为目前水下探测最常用的信号载体。三维声呐成像系统既能够克服光学成像系统可视距离较短的问题，也能相较于传统二维成像声呐获得更为直观的三维空间-目标的图像信息，因此得到了越来越广泛的关注和应用。
2、根据成像方式的不同，三维成像声呐可分为声透镜成像、波束形成声学成像和全息声学成像。随着数字信号处理技术的发展，波束形成声学成像声呐得到越来越广泛的应用。波束形成声学成像声呐在工作时，使用发射换能器主动发射特定频率的声波，通过接收换能器接收特定视场内的散射信号，利用实现波束形成算法的信号处理机对声呐信号进行实时处理，最终反演得到视场范围内声压幅值的空间分布情况。这一过程不仅要求算法具有高度的实时性和准确性，还需要对信号处理机的计算能力提出严格的要求。
3、在波束形成声学成像声呐中，基于波束形成的信号处理作为成像计算过程中耗时较长的关键部分，其计算复杂度和效率直接影响着整个成像系统的实时性和准确性。目前，常见的波束形成成像算法包括时域波束形成、反卷积成像以及压缩波束形成等，其中，时域波束形成算法出现的最早，发展的最为成熟，并且以其具有良好的稳健性、较小的计算量等优点，成为了当前各种声呐装置普遍采用的技术方案，该算法通过计算每个空间像素点位置上的声波传播时间延时，并据此对接收到的信号进行相位补偿和叠加，从而实现对目标声场的重建。
4、然而，时域波束形成算法在实际应用中仍面临诸多挑战。首先，时域波束形成算法需要为每个空间像素点位置计算波束形成的时间延时，若采用稠密矩阵存储方式，将导致存储量急剧增加，进而增加系统的硬件成本和运行负担。其次，在常规的时域波束形成计算中，时间延迟参数的频繁索引操作成为制约算法性能提升的主要瓶颈，这些索引操作不仅增加了计算复杂度，还降低了算法的实时性。三维声呐成像系统作为水下探测领域的重要技术手段，其性能的提升离不开波束形成算法的不断优化与创新，以实现更为高效的三维水下成像。
技术实现思路
1、鉴于上述，本发明的目的是提供一种基于稀疏矩阵的时域波束形成加速方法和装置，采用稀疏矩阵存储信号插值系数和对应的时延，并在时域波束形成计算中与时域多通道信号采用乘法运算代替索引操作，能够大大提高波束形成的效率，减小时间延时参数所需存储空间，适用于三维成像声呐中等采用二维面阵基于平面波成像的接收波束形成算法，具有存储空间小、运算效率高和易于进行并行化改造等优点。
2、为实现上述发明目的，本发明提供的技术方案如下：
3、本发明实施例提供的一种基于稀疏矩阵的时域波束形成加速方法，包括以下步骤：
4、将设定的三维成像空间中的三维像素点空间分布展开至一维后对像素点进行平均分块，得到若干组像素点；
5、根据每组像素点分别到二维平面接收阵和二维平面发射阵的距离向量计算得到延时向量；根据二维平面接收阵的采样率和延时向量计算得到采样索引，根据采样索引计算得到插值系数向量；根据插值系数向量和延时向量计算每组像素点对应的分块稀疏矩阵；
6、将所有组像素点对应的分块稀疏矩阵组合为整体稀疏矩阵；
7、获取二维平面发射阵发射的时域多通道信号并展开至一维排列，根据整体稀疏矩阵与一维排列的时域多通道信号进行计算得到一维矩阵，将一维矩阵进行维数变换后重构至三维空间，完成时域多通道信号的波束形成计算。
8、优选地，所述将设定的三维成像空间中的三维像素点空间分布展开至一维后对像素点进行平均分块，得到若干组像素点，包括：
9、分别设定三维成像空间在、和方向的分辨率和成像范围，由此分别得到、和三个方向成像点数分别为、和，总的像素点个数为；
10、将三维空间点按照行方向展平至一维排列，将个像素点分为组，即平均每组个像素点，每组像素点对应的轴、轴和轴坐标分别形成坐标向量、和。
11、优选地，所述根据每组像素点分别到二维平面接收阵和二维平面发射阵的距离向量计算得到延时向量，包括：
12、分别计算每组像素点到二维平面接收阵、和方向的距离、和，其中，，，、和分别为二维平面接收阵的第个阵元在三个坐标轴方向对应的坐标向量，基于、和，按照下式计算得到每组像素点距离二维平面接收阵的距离向量：
13、 ；
14、分别计算每组像素点到二维平面发射阵、和方向的距离、和，其中，，，、和分别为二维平面发射阵的第个阵元在三个坐标轴方向对应的坐标向量，基于、和，按照下式计算得到每组像素点距离二维平面发射阵的距离向量：
15、 ；
16、根据和计算信号进行波束形成所需要的延时向量，其中为水中声速。
17、优选地，所述根据二维平面接收阵的采样率和延时向量计算得到采样索引，根据采样索引计算得到插值系数向量，包括：
18、根据二维平面接收阵的采样率和延时向量计算时延对应的采样索引；
19、对取整得到数组，计算与的差值，则插值系数向量为，上标为转置。
20、优选地，所述方法还包括：在计算采样索引后，判断采样索引大小若满足大于零并小于等于二维平面接收阵的单个通道采样点数的阈值范围，则保留相应的延时向量，若不满足阈值范围，则排除相应的延时向量，以更新延时向量。
21、优选地，所述根据插值系数向量和延时向量计算每组像素点对应的分块稀疏矩阵，包括：
22、构建分块稀疏矩阵以存储信号插值系数和对应的时延，计算分块稀疏矩阵内的非零元素值为，其中为插值系数向量，为延时向量，上标为转置，得到每组像素点对应的分块稀疏矩阵的行数为每组的像素点个数，列数为，其中为二维平面接收阵的通道数，为二维平面接收阵的单个通道采样点数。
23、优选地，所述将所有组像素点对应的分块稀疏矩阵组合为整体稀疏矩阵，包括：
24、将所有组像素点对应的分块稀疏矩阵按照行方向进行堆叠组合得到整体稀疏矩阵，的维数为，其中为总的像素点个数，为每个分块稀疏矩阵的列数。
25、优选地，所述获取二维平面发射阵发射的时域多通道信号并展开至一维排列，根据整体稀疏矩阵与一维排列的时域多通道信号进行计算得到一维矩阵，包括：
26、获取二维平面发射阵发射的时域多通道信号，将二维的时域多通道信号以行优先方式展开至一维，进行波束域信号计算，其中为计算得到的一维矩阵，为整体稀疏矩阵，为获取的时域多通道信号。
27、优选地，所述将一维矩阵进行维数变换后重构至三维空间，完成时域多通道信号的波束形成计算，包括：
28、将一维矩阵通过维数变换重构为三维矩阵，三维矩阵的维数为，其中、和分别为设定的三维成像空间在、和三个方向的成像点数。
29、为实现上述发明目的，本发明实施例还提供了一种基于稀疏矩阵的时域波束形成加速装置，包括：三维成像空间分块模块、分块稀疏矩阵构建模块、整体稀疏矩阵构建模块和时域波束形成计算模块；
30、所述三维成像空间分块模块用于将设定的三维成像空间中的三维像素点空间分布展开至一维后对像素点进行平均分块，得到若干组像素点；
31、所述分块稀疏矩阵构建模块用于根据每组像素点分别到二维平面接收阵和二维平面发射阵的距离向量计算得到延时向量；根据二维平面接收阵的采样率和延时向量计算得到采样索引，根据采样索引计算得到插值系数向量；根据插值系数向量和延时向量计算每组像素点对应的分块稀疏矩阵；
32、所述整体稀疏矩阵构建模块用于将所有组像素点对应的分块稀疏矩阵组合为整体稀疏矩阵；
33、所述时域波束形成计算模块用于获取二维平面发射阵发射的时域多通道信号并展开至一维排列，根据整体稀疏矩阵与一维排列的时域多通道信号进行计算得到一维矩阵，将一维矩阵进行维数变换后重构至三维空间，完成时域多通道信号的波束形成计算。
34、与现有技术相比，本发明具有的有益效果至少包括：
35、本发明利用稀疏矩阵在存储和索引上的优势，将常规时域波束形成插入延时、叠加计算转化为稀疏矩阵与输入信号向量的点乘运算，其中稀疏矩阵包含了与成像空间大小、成像分辨率和采样频率等参数对应的空间像素点时延和基于既定插值法的插值系数，从而提高了波束形成的效率，稀疏矩阵经存储读取后能够进行多次成像，大大减小了单次成像时间。
1.一种基于稀疏矩阵的时域波束形成加速方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于稀疏矩阵的时域波束形成加速方法，其特征在于，所述将设定的三维成像空间中的三维像素点空间分布展开至一维后对像素点进行平均分块，得到若干组像素点，包括：
3.根据权利要求2所述的基于稀疏矩阵的时域波束形成加速方法，其特征在于，所述根据每组像素点分别到二维平面接收阵和二维平面发射阵的距离向量计算得到延时向量，包括：
4.根据权利要求1所述的基于稀疏矩阵的时域波束形成加速方法，其特征在于，所述根据二维平面接收阵的采样率和延时向量计算得到采样索引，根据采样索引计算得到插值系数向量，包括：
5.根据权利要求4所述的基于稀疏矩阵的时域波束形成加速方法，其特征在于，所述方法还包括：在计算采样索引后，判断采样索引大小若满足大于零并小于等于二维平面接收阵的单个通道采样点数的阈值范围，则保留相应的延时向量，若不满足阈值范围，则排除相应的延时向量，以更新延时向量。
6.根据权利要求1所述的基于稀疏矩阵的时域波束形成加速方法，其特征在于，所述根据插值系数向量和延时向量计算每组像素点对应的分块稀疏矩阵，包括：
7.根据权利要求1所述的基于稀疏矩阵的时域波束形成加速方法，其特征在于，所述将所有组像素点对应的分块稀疏矩阵组合为整体稀疏矩阵，包括：
8.根据权利要求1所述的基于稀疏矩阵的时域波束形成加速方法，其特征在于，所述获取二维平面发射阵发射的时域多通道信号并展开至一维排列，根据整体稀疏矩阵与一维排列的时域多通道信号进行计算得到一维矩阵，包括：
9.根据权利要求1所述的基于稀疏矩阵的时域波束形成加速方法，其特征在于，所述将一维矩阵进行维数变换后重构至三维空间，完成时域多通道信号的波束形成计算，包括：
10.一种基于稀疏矩阵的时域波束形成加速装置，其特征在于，包括：三维成像空间分块模块、分块稀疏矩阵构建模块、整体稀疏矩阵构建模块和时域波束形成计算模块；
