基于十字型陣列的實(shí)時(shí)三維聲學(xué)成像技術(shù)研究.pdf

1、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)量龐大帶來的系統(tǒng)復(fù)雜度過高問題。然而，十字型陣列在成像過程

2、中需要掃描整個(gè)觀測(cè)場(chǎng)景，過長(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)。通過上述方法，該算法有效地將十字型陣列發(fā)射次數(shù)從

3、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

4、，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。基于多頻率發(fā)射波束形成算法和并行子陣波束形成算法，重新定義了

5、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