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(gè)聲脈沖透射整個(gè)觀察場(chǎng)景，運(yùn)用相控陣技術(shù)同時(shí)產(chǎn)生上萬(wàn)個(gè)實(shí)時(shí)波束強(qiáng)度信號(hào)，經(jīng)過(guò)實(shí)時(shí)信號(hào)處理得到一幅三維場(chǎng)景圖像。該三維圖像以每秒鐘高達(dá)20次的更新率進(jìn)行更新，使得相控陣三維成像聲納系統(tǒng)具備對(duì)水下目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)成像的能力。本論文以國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展(863)計(jì)劃“相控陣三維聲學(xué)攝像聲納”項(xiàng)目（編號(hào)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(chǎng)條件下，一種優(yōu)化的時(shí)延參數(shù)近似表

2、達(dá)式和基于此近似表達(dá)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(yuǎn)場(chǎng)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(dǎo)出波束強(qiáng)度與相應(yīng)方向角的數(shù)學(xué)關(guān)系式，進(jìn)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(chǎng)可編程門陣列(FPGA)芯片的分布并行處理架構(gòu)，并通過(guò)該架構(gòu)對(duì)相控陣三維成像聲納系統(tǒng)的信號(hào)處理機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。
　　 第一章緒論部分首先闡述了研究背景與意義，然后對(duì)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)

3、狀進(jìn)行了綜述并作了相應(yīng)的總結(jié)，最后給出了本文的主要研究?jī)?nèi)容。
　　 第二章提出了一種改進(jìn)的模擬退火算法，該算法應(yīng)用于換能器平面陣權(quán)重系數(shù)的稀疏優(yōu)化。改進(jìn)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(quán)重系數(shù)比閾值限制條件下，求得需要開(kāi)啟換能器數(shù)目的最小值。首先對(duì)改進(jìn)的模擬退火算法和它的四點(diǎn)改進(jìn)內(nèi)容進(jìn)行了闡述，然后將稀疏優(yōu)化結(jié)果與相關(guān)文獻(xiàn)中的結(jié)果進(jìn)行了比較和討論。
　　 第三章首先研究并提出了近場(chǎng)條

4、件下，一種優(yōu)化的時(shí)延參數(shù)近似表達(dá)式和一種基于此近似表達(dá)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(jì)算量方面進(jìn)行了比較。再將此近似表達(dá)式與菲涅耳近似表達(dá)式進(jìn)行了比較，并給出了此近似表達(dá)式的優(yōu)點(diǎn)。最后，給出了此近似表達(dá)式的最優(yōu)化過(guò)程。
　　 第四章研究并提出了遠(yuǎn)場(chǎng)條件下，一種對(duì)相控陣三維成像聲納系統(tǒng)的波束形成算法進(jìn)行優(yōu)化的方法。首先，利用聲納回波信號(hào)位移矢量分解與合成

5、的原理，推導(dǎo)出波束強(qiáng)度與相應(yīng)方向角的數(shù)學(xué)關(guān)系式，進(jìn)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(tái)上驗(yàn)證了該算法。接著，給出了實(shí)現(xiàn)此算法的兩種數(shù)據(jù)通路，并對(duì)其內(nèi)存需求量和計(jì)算量進(jìn)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(qiáng)度矩陣結(jié)果的情況下，減少了存儲(chǔ)相移參數(shù)需要的內(nèi)存空間。最后，在Xilinx公司ISE開(kāi)發(fā)環(huán)境下，在FPGA上對(duì)該兩種數(shù)據(jù)通路進(jìn)行了仿真，并列出了相應(yīng)的資源利用情況。
　　 第五章研究