基于声学轨道角动量波与模式匹配波束成形的水下三维成像增强研究

作者及机构
本研究的通讯作者为Qing Hu（南方海洋科学与工程广东省实验室（珠海）、中山大学海洋工程与技术学院、极地环境综合观测与测评教育部重点实验室（中山大学）），第一作者为Yanqing Jia（中山大学海洋工程与技术学院），合作作者包括Shengquan Li（鹏城实验室）。研究发表于Journal of the Acoustical Society of America (J. Acoust. Soc. Am.) 2025年2月刊（Volume 157, Pages 880–896），DOI: 10.¹¹²¹⁄₁₀.0035792。

研究背景

科学领域与动机
本研究属于水下声学成像与信号处理领域，聚焦于通过声学轨道角动量波（Acoustic Orbital Angular Momentum, AOAM）提升声呐系统的三维成像分辨率。传统平面波成像受限于“瑞利准则”（Rayleigh limitation），分辨率难以突破。而AOAM波具有螺旋相位（spiral phase）和贝塞尔幅度分布（Bessel amplitude distribution），能携带更多目标空间信息，但其在水下成像中的应用尚未充分探索。

关键科学问题
1. AOAM波的物理特性：包括螺旋相位和“能量空心”（energy hollow）结构，理论上可提供无限正交模态（orthogonal modes），但如何利用这些模态实现高分辨率成像尚未明确。
2. 模式匹配的算法设计：传统波束成形（Conventional Beamforming, CBF）无法直接利用AOAM的模态维度，需开发新型信号处理方法。

研究目标
1. 建立AOAM波的水下成像信号模型；
2. 提出模式匹配波束成形（Mode Matching Beamforming, MMBF）算法，结合均匀圆形阵列（Uniform Circular Array, UCA）与螺旋阵列（Spiral Array）的复合结构，验证AOAM波在方位角（azimuth）和仰角（elevation）方向的成像优势；
3. 通过仿真与真实水下实验验证方法的有效性。

研究方法与流程

1. AOAM波信号模型构建

• 发射模型：基于UCA结构，推导AOAM波的远场声压公式（式10），揭示其螺旋相位（e^iau）和贝塞尔幅度（Ja(ka sinθ)）的调制关系。
  
• 接收模型：针对不规则阵列（如UCA+螺旋阵列），建立多目标回波信号模型（式13），包含目标散射系数、模态匹配向量和阵列导向向量。
  

2. 模式匹配波束成形（MMBF）算法

• 两步处理：
  
  1. 时域CBF：对任意模态的回波信号进行延时补偿与叠加（式18）；
     
  2. 模态匹配：利用AOAM波的模态导向向量（式20）与CBF输出进行匹配求和（式21），提升主瓣（mainlobe）锐度并抑制旁瓣（sidelobe）。
     
• 创新点：首次将AOAM的模态维度与阵列空间增益结合，突破传统平面波仅依赖空间分辨的局限。
  

3. 仿真与实验设计

• 仿真参数：频率375 kHz，UCA半径0.1 m，64阵元，30个AOAM模态；目标场景包括单目标、密集目标及噪声环境（SNR=0 dB至-5 dB）。
  
• 复合结构优化：UCA+螺旋阵列的非周期性分布有效抑制栅瓣（grating lobe），提升成像纯度。
  
• 水下实验：鹏城实验室提供实测数据（2021年9月），使用UCA发射6模态AOAM波，复合阵列接收角反射器（corner reflector）回波。
  

主要结果

1. AOAM波的物理特性验证

• 声场分布：仿真与实测数据均显示AOAM波的“能量空心”和螺旋相位特征（图3），模态数越高，空心区域半径越大。
  
• 模态优势：多模态照射下，目标方向形成独特的幅度-相位分布（图4），为MMBF提供匹配多样性。
  

2. 成像性能对比

• 分辨率提升：
  
  • 旁瓣抑制：AOAM波在方位角和仰角方向的旁瓣分别达-22.43 dB和-29.10 dB，较平面波（-7.90 dB）显著降低（表II）；
    
  • 主瓣缩窄：主瓣宽度减少1.70°（方位角）和0.40°（仰角）。
    
• 复杂场景适应性：在密集目标（如P11与P12间距1.5°）和低信噪比（SNR=-5 dB）条件下，AOAM波仍能准确分辨目标（图7, 图10）。
  

3. 水下实验验证

• 角反射器成像：MMBF处理后的成像背景纯净，主瓣指向清晰（图14），实测数据与仿真趋势一致，但受限于模态数（6模态），仰角分辨率提升幅度小于仿真（30模态）。
  

结论与价值

1. 科学价值：
   
   • 首次将AOAM波应用于水下三维成像，建立了完整的信号模型与物理特性分析框架；
     
   • 提出的MMBF算法为声学成像提供了新的模态维度处理范式。
     
2. 工程意义：
   
   • UCA+螺旋阵列的复合结构解决了栅瓣问题，具有实际应用潜力；
     
   • 为宽带AOAM波成像（未来研究方向）奠定基础。
     

研究亮点

1. 方法创新：MMBF算法首次将阵列空间增益与AOAM模态增益结合，突破传统波束成形的分辨率极限；
   
2. 技术突破：通过非周期阵列设计（螺旋结构）抑制栅瓣，验证了AOAM波在复杂环境下的鲁棒性；
   
3. 跨学科应用：借鉴电磁涡旋波（vortex electromagnetic wave）成像理论，拓展至声学领域并实现水下验证。
   

其他有价值内容

• 局限性：AOAM波的成像效果受模态数限制，未来需研究宽带信号以进一步提升分辨率；
  
• 数据公开：水下实验数据可根据需求向通讯作者申请获取。