基于稀疏阵列的实时三维声学成像技术研究

论文摘要

水下实时三维声学成像技术在海底地貌测绘、海底施工、水下航行器避障、水下机器人、海上工程建设和军事作战等领域的作用日益凸显,具有广泛的应用前景。目前,十字阵列和平面阵列是水下三维声学成像系统中常用的两种阵列形式。十字阵列具有阵元数量较少的优点,在水下实时成像应用中,通常用于近距离探测,但目前基于十字阵列的实时波束形成算法及其稀疏优化设计只考虑了理想的远场条件,难以保证近场任意距离的波束图性能。另一方面,基于平面阵列的三维成像系统具有图像刷新率高、可远距离实时成像的优点,通常采用快速波束形成算法和稀疏阵列降低计算量和硬件复杂度,但存在快速波束形成在稀疏阵列上计算效率低以及阵列稀疏率不足的问题。本文分别针对十字阵列和平面阵列的实时三维声学成像技术及稀疏阵列设计进行了深入研究,并研究成果应用于基于稀疏阵列的实时三维声学成像系统中。1、针对十字阵列实时波束形成算法近场性能不足的问题,提出了一种兼顾远场和近场性能的十字阵列实时波束形成算法。发射阵列采用多频率发射波束形成算法,保证成像的实时性,同时根据发射阵列的景深,将整个三维场景划分为多个聚焦区间,分时向各个聚焦区间发射波束信号,提升近场发射波束形成性能;接收阵列将传统的CZT波束形成扩展至十字阵列近场宽带波束形成算法中,同时结合修剪FFT技术,可快速处理近场宽带信号。该算法在有效减少系统计算需求的同时,保证了远近场条件下十字阵列整体波束图性能。2、针对十字阵列波束图在近场非聚焦距离处旁瓣较高且阵列稀疏率不足的问题,提出了一种适用于全场景的非网格化稀疏阵列设计方法。基于模拟退火算法,对十字阵列远近场波束图进行分析,提出了一种新的能量函数,该能量函数包含了整个三维场景每个距离的信息,在稀疏优化过程中,可以有效抑制全场景内波束图的旁瓣高度;在此基础上,针对远场提出了二次优化,降低了系统在远场工作时所需的阵元数量;之后,为最大化降低阵元数量,在模拟退火算法中引入位置扰动,阵元位置不受网格化约束,提高了稀疏优化过程的自由度。相比其他稀疏阵列,该非网格化稀疏阵列以更少的阵元数量获得了全场景内更优的波束图性能。3、针对当前快速波束形成算法在稀疏阵列上计算效率低、阵列稀疏率不足的问题,分别提出了一种修剪的分布式并行子阵（P-DPS）波束形成算法及其稀疏阵列设计方法。P-DPS算法将传统的分布式并行子阵（DPS）波束形成转化为一系列一维FFT运算;对全布阵和稀疏平面阵列波束形成输入和输出特性进行分析,运用修剪FFT算法有效剪除了不必要的操作,大大提升了计算效率。同时,为进一步降低系统的复杂度,设计了一种适用于P-DPS算法的稀疏平面阵列。该方法以更低的计算量和更少的阵元数量,获得了与其他方法相同的波束图性能。该成果应用于实际三维声学成像系统,水下试验验证了算法的有效性。

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致谢

摘要

Abstract

第一章绪论

1.1 选题的意义

1.2 三维声学成像技术综述

1.2.1 三维声学成像技术国内外发展现状

1.2.2 波束形成算法

1.2.3 稀疏阵列优化算法

1.3 主要研究内容和论文组织结构

1.3.1 主要研究内容

1.3.2 论文组织结构

第二章兼顾远场和近场性能的十字阵列实时波束形成算法研究

2.1 多频发射波束形成及近场优化

2.1.1 远场条件下的多频发射波束形成算法

2.1.2 近场条件下优化的MFT算法

2.1.3 O-MFT算法的扫描时间

2.2 基于十字型阵列的CZT波束形成优化算法

2.2.1 O-CZT接收波束形成算法

2.2.2 计算量分析与比较

2.3 仿真实验和实际水下试验

2.3.1 仿真实验

2.3.2 实际水下试验

2.4 本章小结

第三章适用于全场景的非网格化稀疏阵列方法研究

3.1 基于模拟退火算法的稀疏阵列优化方法

3.2 近场和远场条件下十字阵波束图分析

3.3 适用于全场景的新能量函数

3.3.1 新能量函数的定义

3.3.2 新能量函数的简化

3.3.3 远场条件下的二次优化

3.4 基于模拟退火算法的非网格化稀疏阵列设计

3.4.1 非网格化稀疏阵列

3.4.2 优化的模拟退火算法

3.5 实验结果及分析

3.5.1 实验环境

3.5.2 实验结果及分析

3.6 本章小结

第四章修剪的分布式并行子阵波束形成算法及其稀疏阵列设计

4.1 分布式并行子阵波束形成算法

4.2 基于稀疏平面阵列的P-DPS波束形成算法

4.2.1 分布式并行子阵波束形成的优化算法

4.2.2 针对稀疏阵列的剪除算法

4.2.3 计算量分析

4.2.4 FPGA数据通路实现

4.3 适用于P-DPS算法的稀疏平面阵列优化设计

4.3.1 新能量函数的定义

4.3.2 稀疏平面阵列优化设计流程

4.4 计算量比较及稀疏阵列优化结果

4.4.1 波束形成算法计算量比较

4.4.2 稀疏阵列优化结果

4.5 仿真实验和实际水下试验

4.5.1 仿真实验

4.5.2 实际水下试验

4.6 本章小结

第五章结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

攻读博士学位期间的主要研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 赵冬冬

导师: 陈耀武

关键词: 稀疏阵列,实时三维声学成像,波束形成,非网格化设计,模拟退火算法,修剪算法

来源: 浙江大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑,信息科技

专业: 物理学,工业通用技术及设备,计算机软件及计算机应用

单位: 浙江大学

基金: 浙江大学承担的国家自然科学基金面上项目(编号41276090):基于稀疏阵的相控阵三维成像声纳系统阵元优化及波束形成算法研究,中国船舶重工集团公司第七一五研究所和浙江大学共同承担的国家“863”高技术研究发展计划资助项目(编号“2014AA091301”)

分类号: TB56;TP391.41

DOI: 10.27461/d.cnki.gzjdx.2019.000958

总页数: 136

文件大小: 10005K

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基于稀疏阵列的实时三维声学成像技术研究

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