【摘 要】
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声涡旋具有特殊的螺旋状相位波前分布,它自身带有轨道角动量,拥有更多的信息自由度以及相对独特的目标信息获取能力,近年引起了中外学者的普遍重视。理论上,涡旋声波能够产生无限种的OAM（Orbital Angular Momentum）模态数,这些模态彼此正交并在空域内能够独立的传递,通过使用带轨道角动量的声涡旋去照射目标物体,就能够获取更多的目标信号,用这些信息对目标进行成像,通过采用不同的成像处理方
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声涡旋具有特殊的螺旋状相位波前分布,它自身带有轨道角动量,拥有更多的信息自由度以及相对独特的目标信息获取能力,近年引起了中外学者的普遍重视。理论上,涡旋声波能够产生无限种的OAM（Orbital Angular Momentum）模态数,这些模态彼此正交并在空域内能够独立的传递,通过使用带轨道角动量的声涡旋去照射目标物体,就能够获取更多的目标信号,用这些信息对目标进行成像,通过采用不同的成像处理方法,有望提高目标的成像分辨率,为目标探测成像应用领域提供一个新的思路。本文通过对声涡旋的产生方法以及其辐射特性的理论和仿真,进而展开对声涡旋成像的基本原理和成像方法的探索,验证利用涡旋声波进行目标声成像的可行性。论文的主要工作和创新点如下:1.从声学的基本理论出发,利用点声源的叠加原理,建立了利用均匀圆阵换能器阵列产生涡旋声场的数学模型,推导出声场中任意一点的声压表达式,分析了不同参数对声压分布和相位分布的影响。构建了利用均匀圆阵换能器阵列产生涡旋声场的有限元数值仿真模型,数值仿真结果证明了理论结果的正确性。2.提出了一种基于螺旋结构换能器阵列产生涡旋声场的方法,并进行了理论推导和数值仿真计算,证明了此方法的可行性。在有限元软件COMSOL中对涡旋声场进行了模拟,与解析理论计算结果基本一致。3.利用均匀圆阵设计换能器阵列结构发射声波信号产生涡旋声束对目标进行声成像,推导了均匀圆阵单点和多点接收回波信号的数学表达式,研究了应用傅里叶变换方法对目标进行重构的成像模型,分析了俯仰角与阵列参数对目标成像的影响,得到了这两种不同接收方法空间分辨率的表达式,并分析了点扩展函数PSF对目标成像结果的影响。对模型结构进行了仿真实验,得到了目标物体的二维图像,并从理论角度分析了产生虚像的根本原因。
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