實(shí)時(shí)相控陣三維成像聲納的波束形成及陣列稀疏技術(shù)研究.pdf

1、實(shí)時(shí)相控陣三維成像聲納系統(tǒng)采用單頻窄帶聲脈沖信號(hào)透射整個(gè)水下探測(cè)場(chǎng)景，通過大規(guī)模平面換能器陣列接收聲納回波信號(hào)，并且運(yùn)用相控陣技術(shù)同時(shí)產(chǎn)生數(shù)以萬計(jì)個(gè)波束強(qiáng)度信號(hào)，從而獲得實(shí)時(shí)三維圖像。在實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)相控陣三維成像聲納系統(tǒng)過程中，為了克服波束形成計(jì)算量龐大和硬件系統(tǒng)復(fù)雜且成本昂貴的難題，本論文分別針對(duì)相控陣三維成像聲納系統(tǒng)的波束形成算法和陣列稀疏優(yōu)化算法進(jìn)行深入研究，并將理論與實(shí)踐相結(jié)合，應(yīng)用于實(shí)時(shí)相控陣三維成像聲納系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
　　第一

2、章緒論部分首先闡述了研究背景與選題意義，然后對(duì)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了綜述和總結(jié)，最后列出本文的主要研究?jī)?nèi)容。
　　第二章研究并提出一種遠(yuǎn)場(chǎng)波束形成算法，分布式并行子陣(DPS)波束形成算法。全面陣被分解成兩級(jí)分布式子陣，一級(jí)子陣和二級(jí)子陣之間采用流水線分布式計(jì)算結(jié)構(gòu)，一級(jí)子陣波束形成采用并行計(jì)算結(jié)構(gòu)。首先對(duì)DPS波束形成算法過程進(jìn)行了闡述并給出數(shù)據(jù)通路;然后將該算法與直接(DM)波束形成算法和快速傅立葉變換(FFT)波束

3、形成算法進(jìn)行計(jì)算效率對(duì)比和分析;最后通過仿真測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證:在減少參數(shù)存儲(chǔ)空間和計(jì)算負(fù)載的前提下，DPS波束形成算法保持波束方向圖性能不變。
　　第三章針對(duì)近場(chǎng)波束形成算法計(jì)算量過大的問題，首先基于時(shí)延參數(shù)的菲涅耳近似表達(dá)式和泰勒級(jí)數(shù)展開優(yōu)化了近場(chǎng)時(shí)延參數(shù);然后結(jié)合優(yōu)化后的時(shí)延參數(shù)，針對(duì)DPS波束形成算法進(jìn)行相位補(bǔ)償和聚焦，將遠(yuǎn)場(chǎng)DPS算法擴(kuò)展到近場(chǎng)成像區(qū)域;最后基于Matlab進(jìn)行仿真測(cè)試，結(jié)果可以驗(yàn)證:近場(chǎng)DPS波束形成算法的波

4、束方向圖可以保持主瓣寬度和抑制旁瓣能量，內(nèi)存需求量和計(jì)算需求量也得到大幅度降低。
　　第四章針對(duì)平面換能器陣列的陣元數(shù)目多和硬件成本高的問題，將DPS波束形成算法和模擬退火算法相結(jié)合，應(yīng)用于接收換能器稀疏優(yōu)化設(shè)計(jì)。首先基于DPS波束形成算法重新定義一個(gè)能量函數(shù);然后以新能量函數(shù)為目標(biāo)，采用模擬退火算法進(jìn)行陣列稀疏優(yōu)化;最后將優(yōu)化后的算法應(yīng)用于接收陣設(shè)計(jì)并進(jìn)行仿真測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:優(yōu)化后的算法與其它算法相比較，采用更少的換能器數(shù)目

5、和更低的權(quán)重系數(shù)比，獲得了相同的波束方向圖性能，大幅度降低了系統(tǒng)的硬件復(fù)雜度和成本。
　　第五章將理論與實(shí)踐相結(jié)合，基于DPS波束形成算法設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)時(shí)相控陣三維成像聲納系統(tǒng)的原理樣機(jī)。首先，通過權(quán)衡系統(tǒng)制造成本、波束形成計(jì)算量和成像性能，根據(jù)DPS波束形成算法的精度、參數(shù)取值范圍和約束條件，配置接收換能器陣列參數(shù);隨后詳細(xì)闡述信號(hào)處理機(jī)的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和控制邏輯設(shè)計(jì)方案;最后將研制開發(fā)的原理樣機(jī)應(yīng)用于湖試和海試，測(cè)試結(jié)果表明:原理