相控陣三維成像聲納系統(tǒng)的稀疏陣及波束形成算法研究.pdf

1、“相控陣三維成像聲納系統(tǒng)”采用一個聲脈沖透射整個觀察場景，運用相控陣技術同時產(chǎn)生上萬個實時波束強度信號，經(jīng)過實時信號處理得到一幅三維場景圖像。該三維圖像以每秒鐘高達20次的更新率進行更新，使得相控陣三維成像聲納系統(tǒng)具備對水下目標進行實時成像的能力。本論文以國家高技術研究發(fā)展(863)計劃“相控陣三維聲學攝像聲納”項目（編號2006AA09Z109）為依托，研究了接收換能器陣的稀疏布陣方式；研究并提出了近場條件下，一種優(yōu)化的時延參數(shù)近似表

2、達式和基于此近似表達式的相控陣三維成像聲納系統(tǒng)的優(yōu)化的波束形成算法；研究了遠場條件下的波束形成算法，利用聲波位移矢量分解與合成的原理，推導出波束強度與相應方向角的數(shù)學關系式，進而使相控陣三維成像聲納系統(tǒng)的波束形成算法得到優(yōu)化；研究并提出了一種基于多片現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)芯片的分布并行處理架構，并通過該架構對相控陣三維成像聲納系統(tǒng)的信號處理機進行了優(yōu)化設計。
　　 第一章緒論部分首先闡述了研究背景與意義，然后對國內(nèi)外研究現(xiàn)

3、狀進行了綜述并作了相應的總結(jié)，最后給出了本文的主要研究內(nèi)容。
　　 第二章提出了一種改進的模擬退火算法，該算法應用于換能器平面陣權重系數(shù)的稀疏優(yōu)化。改進后的模擬退火算法在某一固定大小的換能器平面陣上，在一定的旁瓣能量閾值與權重系數(shù)比閾值限制條件下，求得需要開啟換能器數(shù)目的最小值。首先對改進的模擬退火算法和它的四點改進內(nèi)容進行了闡述，然后將稀疏優(yōu)化結(jié)果與相關文獻中的結(jié)果進行了比較和討論。
　　 第三章首先研究并提出了近場條

4、件下，一種優(yōu)化的時延參數(shù)近似表達式和一種基于此近似表達式的相控陣三維成像聲納系統(tǒng)的優(yōu)化的波束形成算法。然后，將優(yōu)化后的波束形成算法與直接波束形成算法在內(nèi)存需求量和計算量方面進行了比較。再將此近似表達式與菲涅耳近似表達式進行了比較，并給出了此近似表達式的優(yōu)點。最后，給出了此近似表達式的最優(yōu)化過程。
　　 第四章研究并提出了遠場條件下，一種對相控陣三維成像聲納系統(tǒng)的波束形成算法進行優(yōu)化的方法。首先，利用聲納回波信號位移矢量分解與合成

5、的原理，推導出波束強度與相應方向角的數(shù)學關系式，進而使相控陣三維成像聲納系統(tǒng)的波束形成算法得到優(yōu)化，并在Matlab平臺上驗證了該算法。接著，給出了實現(xiàn)此算法的兩種數(shù)據(jù)通路，并對其內(nèi)存需求量和計算量進行了分析。優(yōu)化后的算法在得到與傳統(tǒng)算法相同的波束強度矩陣結(jié)果的情況下，減少了存儲相移參數(shù)需要的內(nèi)存空間。最后，在Xilinx公司ISE開發(fā)環(huán)境下，在FPGA上對該兩種數(shù)據(jù)通路進行了仿真，并列出了相應的資源利用情況。
　　 第五章研究