空氣中二維稀疏超聲相控陣列穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計及DOA估計.pdf

1、針對現(xiàn)有的光學(xué)和電磁成像設(shè)備在大霧、雨雪、強輻射、煙霧等光學(xué)和電磁成像設(shè)備工作效果不理想、成本過高或者結(jié)構(gòu)笨重的局限性，提出一種用于移動機器人場景探測的二維稀疏超聲相控陣優(yōu)化布局、幅度加權(quán)矩陣穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計和波達方向估計和波束成形的方案。并通過 Matlab仿真對方案的可行性進行驗證。
　　根據(jù)空氣中二維稀疏超聲相控陣的聲場特性，建立空氣中二維稀疏超聲相控陣的聲場指向性與陣列結(jié)構(gòu)參數(shù)的方程。分別仿真分析了換能器大小、間距和個數(shù)等結(jié)構(gòu)

2、參數(shù)對聲場特性的影響，并根據(jù)仿真結(jié)果確定陣列的結(jié)構(gòu)參數(shù)。所設(shè)計的二維稀疏超聲相控陣的發(fā)射陣列陣元個數(shù)為8?8個，間距為2??？紤]到稀疏陣列柵瓣的存在影響陣列的掃描范圍，采用發(fā)射陣列和接收陣列交替排布的雙向輻射形式消除柵瓣的影響，從而確定發(fā)射陣列和接收陣列的陣元間距和陣元個數(shù)，實現(xiàn)空氣中二維稀疏超聲相控陣陣元排布的優(yōu)化設(shè)計，經(jīng)過優(yōu)化排布后的陣列的橫向分辨率達到約4°，橫向和縱向掃面范圍由30°擴大到60°。
　　考慮到實際使用中存在

3、的安裝誤差、制造誤差和陣元故障等不確定因素影響成像的分辨率問題，將遺傳算法、蒙特卡羅模擬仿真分析和二維黃金分割搜索方法相結(jié)合對陣列幅值加權(quán)矩陣進行穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計，采用遺傳算法搜索陣元的幅值矩陣，通過蒙特卡羅方法模擬陣元服從正態(tài)分布 N(1,1)的連續(xù)性誤差組合，利用二維黃金分割算法搜索一級旁瓣高度和主瓣高度的峰值。將一級旁瓣高度和主瓣高度的比值作為穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計的目標(biāo)，搜索出一組誤差條件下陣列的最優(yōu)權(quán)值，作為穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計的目標(biāo)，以降低陣列對

4、上述誤差的敏感性。通過穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計，誤差條件下發(fā)射陣列的一級旁瓣高度和主瓣高度的比值由0.28下降到0.07，誤差條件下接收陣列的一級旁瓣高度和主瓣高度的比值由0.29下降到0.142。
　　二維稀疏超聲相控陣的發(fā)射信號經(jīng)過目標(biāo)物體反射回來后，受到地面多徑反射信號、其它物體的散射信號和波束柵瓣反射信號的干擾，需要分離開這些空間相干信號源，消除來自干擾信號的影響，從而獲取期望的目標(biāo)信號。針對大數(shù)目陣元的二維空間稀疏超聲相控陣列，考慮