發(fā)布時(shí)間：2019-09-02 07:10

【摘要】：水下實(shí)時(shí)三維聲學(xué)成像技術(shù)在海上工程建設(shè)、海底地形測(cè)繪、水下設(shè)施檢查、水下考古、重大海洋工程和軍事工程防護(hù)等眾多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景,是當(dāng)前海洋探測(cè)領(lǐng)域的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容之一。在目前基于二維平面接收陣列的水下實(shí)時(shí)三維聲學(xué)成像系統(tǒng)中,其龐大的陣元數(shù)量導(dǎo)致系統(tǒng)的硬件電路復(fù)雜和波束形成算法計(jì)算量龐大,制約了水下實(shí)時(shí)三維聲學(xué)成像系統(tǒng)的發(fā)展。十字型陣列作為一種優(yōu)化的陣列配置,能夠有效解決陣元數(shù)量龐大帶來(lái)的系統(tǒng)復(fù)雜度過(guò)高問(wèn)題。然而,十字型陣列在成像過(guò)程中需要掃描整個(gè)觀測(cè)場(chǎng)景,過(guò)長(zhǎng)的掃描時(shí)間導(dǎo)致其實(shí)時(shí)性不足。本論文針對(duì)基于十字型陣列的實(shí)時(shí)三維聲學(xué)成像技術(shù)及稀疏陣列設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入研究,并將研究成果應(yīng)用于低復(fù)雜度實(shí)時(shí)三維聲學(xué)成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)。1、為解決十字型陣列實(shí)時(shí)性不足的問(wèn)題,提出了一種多頻率發(fā)射波束形成算法。該算法將垂直發(fā)射波束方向劃分為多個(gè)扇面,并在一次發(fā)射過(guò)程中,依次向扇面內(nèi)各垂直波束方向發(fā)射不同頻率的扇形聲納波束信號(hào)。通過(guò)上述方法,該算法有效地將十字型陣列發(fā)射次數(shù)從垂直波束方向數(shù)減小到劃分扇面數(shù),降低了其構(gòu)建一幀三維聲學(xué)圖像所需的時(shí)間。此外,為避免增加系統(tǒng)的性能開銷和存儲(chǔ)空間,提出了一種后處理時(shí)延補(bǔ)償方式。最后,與二維平面接收陣進(jìn)行對(duì)比,證明該算法在獲得與二維平面接收陣相近的波束性能的同時(shí),大幅降低了系統(tǒng)計(jì)算量需求。2、針對(duì)十字型陣列接收波束形成計(jì)算量偏大的問(wèn)題,提出了一種并行子陣波束形成算法。該算法將接收陣列劃分為多個(gè)子陣,首先在各子陣上并行地進(jìn)行一級(jí)波束形成,然后以各子陣為基本陣元,進(jìn)行二級(jí)波束形成計(jì)算。該算法基于較小的子陣規(guī)模和兩級(jí)并行流水線結(jié)構(gòu),有效地降低了算法計(jì)算量,大幅提高了波束形成的計(jì)算效率,并且易于工程化實(shí)現(xiàn)。通過(guò)與直接接收波束形成對(duì)比,證明該算法在降低了系統(tǒng)計(jì)算量需求的同時(shí),能夠獲得與直接波束形成算法近似的波束方向圖。3、在保證十字型陣列波束方向圖性能的前提下,以進(jìn)一步減小其陣元數(shù)量為出發(fā)點(diǎn),提出了一種陣元數(shù)量最小化的稀疏陣列�；诙囝l率發(fā)射波束形成算法和并行子陣波束形成算法,重新定義了模擬退火算法的能量函數(shù),并以十字型陣列為目標(biāo),利用改進(jìn)的模擬退火算法進(jìn)行稀疏優(yōu)化,最終獲得基于十字型陣列的稀疏陣列。與當(dāng)前其他類似的稀疏陣列成果相比,該稀疏陣列能夠以更少的陣元數(shù)量獲得與其他稀疏陣列相同的波束方向圖性能指標(biāo)。4、將上述理論成果應(yīng)用于實(shí)際,設(shè)計(jì)開發(fā)了一臺(tái)基于十字型陣列的低復(fù)雜度實(shí)時(shí)三維聲學(xué)成像系統(tǒng),從硬件開銷和計(jì)算量?jī)煞矫娅@得了較低的復(fù)雜度。首先根據(jù)換能器制造工藝、系統(tǒng)需求以及其他約束條件對(duì)系統(tǒng)的換能器陣列及相關(guān)參數(shù)進(jìn)行配置。然后對(duì)信號(hào)處理系統(tǒng)的硬件及算法邏輯設(shè)計(jì)分別進(jìn)行詳細(xì)闡述。最后通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)際水下試驗(yàn),證明該低復(fù)雜度實(shí)時(shí)三維聲學(xué)成像系統(tǒng)的有效性、可靠性及實(shí)際三維成像能力。
【圖文】：

出了靈活、高效等優(yōu)勢(shì)，因此在聲學(xué)成債系統(tǒng)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。逡逑水下實(shí)時(shí)五維聲學(xué)成像系統(tǒng)采用波宋形成聲學(xué)成僚技術(shù)，由水下部分和水上逡逑部分組成，，如圖１－１所示。水下部分包括換能器陣列和信號(hào)處理系統(tǒng)兩個(gè)部分，逡逑其中換能器陣列實(shí)現(xiàn)聲納信號(hào)的發(fā)射及接收，信號(hào)處理系統(tǒng)完成聲納信號(hào)的波宋逡逑形成實(shí)時(shí)計(jì)算，同時(shí)生成上萬(wàn)個(gè)波束強(qiáng)度信號(hào)；水上部分包括電源模挾和主控逡逑ＰＣ，電源模塊負(fù)責(zé)《統(tǒng)的供電，主控ＰＣ通過(guò)Ｌ義太網(wǎng)與水下部分進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)逡逑系統(tǒng)控制及Ｓ維聲學(xué)圖像的實(shí)時(shí)顯示。逡逑ｆ電源模沖邐ＩＩ上控Ｐｃ｛逡逑一…．Ｉ邋Ｗ太網(wǎng)＼｝，邋，邐水上部分逡逑山

本文編號(hào)：2530786