【摘要】：水下實時三維聲學成像技術在海上工程建設、海底地形測繪、水下設施檢查、水下考古、重大海洋工程和軍事工程防護等眾多領域具有廣泛的應用前景,是當前海洋探測領域的重點研究內(nèi)容之一。在目前基于二維平面接收陣列的水下實時三維聲學成像系統(tǒng)中,其龐大的陣元數(shù)量導致系統(tǒng)的硬件電路復雜和波束形成算法計算量龐大,制約了水下實時三維聲學成像系統(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)復雜度過高問題。然而,十字型陣列在成像過程中需要掃描整個觀測場景,過長的掃描時間導致其實時性不足。本論文針對基于十字型陣列的實時三維聲學成像技術及稀疏陣列設計進行了深入研究,并將研究成果應用于低復雜度實時三維聲學成像系統(tǒng)的設計開發(fā)。1、為解決十字型陣列實時性不足的問題,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。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)建一幀三維聲學圖像所需的時間。此外,為避免增加系統(tǒng)的性能開銷和存儲空間,提出了一種后處理時延補償方式。最后,與二維平面接收陣進行對比,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,大幅降低了系統(tǒng)計算量需求。2、針對十字型陣列接收波束形成計算量偏大的問題,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子陣,首先在各子陣上并行地進行一級波束形成,然后以各子陣為基本陣元,進行二級波束形成計算。該算法基于較小的子陣規(guī)模和兩級并行流水線結(jié)構(gòu),有效地降低了算法計算量,大幅提高了波束形成的計算效率,并且易于工程化實現(xiàn)。通過與直接接收波束形成對比,證明該算法在降低了系統(tǒng)計算量需求的同時,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,以進一步減小其陣元數(shù)量為出發(fā)點,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,利用改進的模擬退火算法進行稀疏優(yōu)化,最終獲得基于十字型陣列的稀疏陣列。與當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。4、將上述理論成果應用于實際,設計開發(fā)了一臺基于十字型陣列的低復雜度實時三維聲學成像系統(tǒng),從硬件開銷和計算量兩方面獲得了較低的復雜度。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系統(tǒng)的換能器陣列及相關參數(shù)進行配置。然后對信號處理系統(tǒng)的硬件及算法邏輯設計分別進行詳細闡述。最后通過仿真實驗和實際水下試驗,證明該低復雜度實時三維聲學成像系統(tǒng)的有效性、可靠性及實際三維成像能力。
【圖文】：

出了靈活、高效等優(yōu)勢，因此在聲學成債系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應用。逡逑水下實時五維聲學成像系統(tǒng)采用波宋形成聲學成僚技術，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處理系統(tǒng)兩個部分，逡逑其中換能器陣列實現(xiàn)聲納信號的發(fā)射及接收，信號處理系統(tǒng)完成聲納信號的波宋逡逑形成實時計算，同時生成上萬個波束強度信號；水上部分包括電源模挾和主控逡逑ＰＣ，電源模塊負責《統(tǒng)的供電，主控ＰＣ通過Ｌ義太網(wǎng)與水下部分進行通訊，實現(xiàn)逡逑系統(tǒng)控制及Ｓ維聲學圖像的實時顯示。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：2530786