發(fā)布時(shí)間：2020-03-28 19:36

【摘要】：隨著國家海洋戰(zhàn)略布局的不斷推進(jìn),我國在海洋資源勘探和國家海洋權(quán)益維護(hù)方面的科技投入不斷加大。多波束成像聲納,作為水下探測的重要設(shè)備,得到了大范圍的應(yīng)用。然而,為了獲得高分辨率圖像,多波束成像聲納往往配有大規(guī)模換能器陣列,導(dǎo)致了系統(tǒng)硬件成本高、后續(xù)處理電路復(fù)雜、系統(tǒng)體積功耗大等問題。陣列稀疏設(shè)計(jì)技術(shù)是解決上述問題的有效途徑之一。目前,針對單波束情況下的陣列稀疏研究已經(jīng)趨于成熟。而多波束情況下的陣列稀疏受限于更多的約束要求,是一個(gè)高維協(xié)同一致性問題,有待進(jìn)一步研究。本文針對多波束情況下的半圓陣列稀疏進(jìn)行研究,主要研究內(nèi)容與成果如下:(1)研究了基于NIWO(Niche Invasive Weed Optimization:小生境入侵雜草)和凸優(yōu)化混合算法的多波束半圓陣列稀疏設(shè)計(jì)。該混合算法將陣元位置序列作為入侵雜草算法的優(yōu)化變量,進(jìn)行種群繁衍、空間擴(kuò)散、小生境二次學(xué)習(xí)和競爭淘汰,篩選優(yōu)秀稀疏陣元序列。由于,稀疏陣列會引起波束旁瓣峰值電平升高,為此,基于凸優(yōu)化理論,將旁瓣峰值電平最低作為優(yōu)化目標(biāo),同時(shí)求解多組波束加權(quán)系數(shù)。數(shù)值仿真及實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證結(jié)果表明,該算法可以有效求解滿足成像要求的陣元布局及多組加權(quán)系數(shù),陣元稀疏率高,波束主瓣最窄,但算法耗時(shí)長。(2)研究了基于M-FOCUSS(Multiple Focal Undetermined System Slover:多維欠定系統(tǒng)局域解法)和凸優(yōu)化的多波束半圓陣列稀疏綜合設(shè)計(jì)。給定陣列流形和多個(gè)參考波束,尋求最小化陣元數(shù)目并求解多組加權(quán)系數(shù),這一高度非線性稀疏陣優(yōu)化問題可以轉(zhuǎn)化為壓縮感知理論中稀疏信號的重建問題。為此,引入壓縮感知中多測量向量問題,通過M-FOCUSS算法求解重構(gòu)系數(shù),以確定稀疏后陣列結(jié)構(gòu);為了形成多個(gè)低旁瓣波束,建立了有關(guān)激勵(lì)幅值和相位的凸優(yōu)化模型。數(shù)值仿真及實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證結(jié)果表明,該算法可以得到滿足旁瓣要求的稀疏陣列結(jié)構(gòu)和多組波束加權(quán)系數(shù)。相比于入侵雜草智能算法,該算法大幅降低了運(yùn)算耗時(shí),獲得的多個(gè)波束的旁瓣峰值電平降低,但是該算法需要預(yù)先給定參考波束,同時(shí)優(yōu)化得到的稀列的稀疏率下降。(3)研究了基于線搜索和FISTA(Fast Iterative Shrinkage Thresholding Algorithm:快速迭代收縮閾值)算法的多波束半圓陣列稀疏綜合設(shè)計(jì)。首先分析了稀疏陣列天線綜合問題與最小二乘回歸問題的相似性,構(gòu)建了稀疏陣列的單波束形成模型;接著引入多任務(wù)學(xué)習(xí)模型,在優(yōu)化函數(shù)中加入加權(quán)系數(shù)的混合L1/L2范數(shù),用來約束多組加權(quán)系數(shù)為一個(gè)塊稀疏結(jié)構(gòu),將單波束形成的陣列稀疏問題推廣到多波束情況,并通過線搜索和快速迭代收縮閾值法求解這一多目標(biāo)優(yōu)化問題。該算法同時(shí)求解陣列結(jié)構(gòu)和每個(gè)陣元的多組加權(quán)系數(shù),避免了失配情況。數(shù)值仿真及實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證結(jié)果表明,該算法可以在稀疏率、波束旁瓣峰值電平和計(jì)算耗時(shí)方面獲得一個(gè)折中結(jié)果,但是算法依賴采樣的參考波束值。綜上,本文給出的三種稀疏方法各有優(yōu)缺點(diǎn),可以滿足不同的實(shí)際需求�；谛∩橙肭蛛s草和凸優(yōu)化的多波束陣列稀疏方法尋優(yōu)性能好,陣列稀疏率高,但是計(jì)算量大;基于欠定系統(tǒng)局域解法和凸優(yōu)化的多波束陣列稀疏方法,可以獲得低旁瓣的窄波束,但是陣列稀疏率略低;基于線搜索和快速迭代收縮閾值的多波束半圓陣列稀疏方法,優(yōu)化的陣列稀疏率高且波束旁瓣電平較低,但波束存在嚴(yán)重展寬現(xiàn)象。后兩種多波束陣列稀疏方法的收斂速度都快于第一種算法,但是都需要預(yù)先給定參考波束方向圖。
【圖文】：

場景是無錫某海洋公司消聲水池，，目標(biāo)是半徑為 15cm 的細(xì)圓示。首先，在實(shí)際測試環(huán)境中采集了原始滿陣的 180 通道的 A陣數(shù)據(jù)進(jìn)行切比雪夫均勻加權(quán)波束形成處理，旁瓣電平限制為，如圖 3.6 所示。最后，將 3.4.1 節(jié)獲得的多組加權(quán)系數(shù)應(yīng)用到，模擬得到了如圖 3.7 所示的稀疏陣列圓環(huán)成像圖。圖 3.5 消聲水池圓環(huán)目標(biāo)實(shí)測場景圖

稀疏陣圓環(huán)成像圖
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：U666.7;TP301.6

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 S.Y.Kung,S.C.Lo,S.N.Jean,J.N.Hwang,劉濱海;Wavefront陣列機(jī)—從概念到實(shí)現(xiàn)[J];計(jì)算機(jī)工程與科學(xué);1988年04期

2 張大鵬;適于VLSI實(shí)現(xiàn)的Systolic陣列及其發(fā)展[J];微電子學(xué)與計(jì)算機(jī);1989年08期

3 王永寶;;AP85陣列機(jī)上同步并行數(shù)值計(jì)算[J];航空計(jì)算技術(shù);1989年03期

4 張海霞;趙惠玲;陳鋒;萬偉;;一種分析多層周期陣列結(jié)構(gòu)的有效方法[J];計(jì)算機(jī)仿真;2009年09期

5 常虹;;基于任意陣列結(jié)構(gòu)的欠采樣頻率估計(jì)[J];西安郵電學(xué)院學(xué)報(bào);2012年06期

6 萬國賓,汪文秉,萬偉,趙惠玲;有限陣列結(jié)構(gòu)的電性能優(yōu)化[J];電波科學(xué)學(xué)報(bào);2001年03期

7 呂青;蔣林;鄧軍勇;李雪婷;;面向?qū)?shù)與指數(shù)函數(shù)的可重構(gòu)陣列結(jié)構(gòu)[J];微電子學(xué)與計(jì)算機(jī);2016年10期

8 許苗軍;陳天然;李斌;;納米銀碗陣列結(jié)構(gòu)的高效制備及熒光增強(qiáng)性能[J];高等學(xué)�；瘜W(xué)學(xué)報(bào);2012年11期

9 郭力;曹超;;一種可重構(gòu)陣列結(jié)構(gòu)及其任務(wù)調(diào)度算法[J];信息技術(shù);2011年05期

10 劉冰;陳海濤;錢東金;;界面組裝金屬-多卟啉陣列結(jié)構(gòu)及其納米晶[J];化學(xué)進(jìn)展;2007年06期

相關(guān)會議論文 前10條

1 牛麗紅;趙耀龍;馬海光;杜祖亮;;具有增強(qiáng)的抗反射性能的大面積尺寸可調(diào)的Si納米柱陣列結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑[A];中國化學(xué)會第30屆學(xué)術(shù)年會摘要集-第三十六分會：納米材料合成與組裝[C];2016年

2 馬玉榮;;一維方解石單晶微納陣列結(jié)構(gòu)的可控合成[A];中國化學(xué)會第29屆學(xué)術(shù)年會摘要集——第05分會：無機(jī)化學(xué)[C];2014年

3 俞劭杰;劉少斌;孔祥鯤;;基于雙層變尺寸單元的雙頻分波束反射陣列[A];2017年全國天線年會論文集（上冊）[C];2017年

4 王浩;牛雪杰;南冰;李平;;一種新的波束可控陣列設(shè)計(jì)[A];2017年全國天線年會論文集（上冊）[C];2017年

5 何文莉;方方;陳萌;錢東金;;配位鍵驅(qū)動的多卟啉陣列結(jié)構(gòu)的界面組裝及其光電性能研究[A];中國化學(xué)會第30屆學(xué)術(shù)年會摘要集-第二十四分會：超分子組裝與軟物質(zhì)材料[C];2016年

6 郭龍飛;李寶亮;彭超;竇文華;;一種基于微環(huán)諧振器的片上光交換陣列結(jié)構(gòu)[A];第十七屆計(jì)算機(jī)工程與工藝年會暨第三屆微處理器技術(shù)論壇論文集（下冊）[C];2013年

7 李潤清;明平美;周維海;秦歌;閆亮;鄭興帥;王偉;;超微細(xì)型單向喇叭孔陣列電鑄成型仿真分析與試驗(yàn)研究[A];第17屆全國特種加工學(xué)術(shù)會議論文集（上冊）[C];2017年

8 顧鵬飛;樊振宏;丁大志;陳如山;;大規(guī)模陣列結(jié)構(gòu)電磁輻射特性的快速精確求解[A];2015年全國微波毫米波會議論文集[C];2015年

9 蔡金光;齊利民;;基于二氧化鈦納米棒陣列結(jié)構(gòu)的自清潔寬波段全方向減反射涂層[A];2011中國材料研討會論文摘要集[C];2011年

10 王華奎;海丹丹;孫海信;;基于互質(zhì)陣列的寬帶信號DOA估計(jì)[A];2018中國西部聲學(xué)學(xué)術(shù)交流會論文集[C];2018年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條

1 李瑋;陣列失效單元壓縮感知診斷算法研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2019年

2 劉月超;爐內(nèi)管陣列中的泄漏源聲輻射與傳播特性研究[D];華北電力大學(xué)(北京);2019年

3 李天舒;基于憶阻器件交叉陣列的智能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案研究[D];西南大學(xué);2019年

4 于英健;三維硅基微/納陣列結(jié)構(gòu)制備及其在微型能源系統(tǒng)的特性應(yīng)用[D];廈門大學(xué);2017年

5 陳靖峰;時(shí)間調(diào)制陣列理論與測向技術(shù)研究[D];上海交通大學(xué);2018年

6 霍立寰;空間大口徑天線陣列誤差校正方法研究[D];西安電子科技大學(xué);2019年

7 李智煒;基于憶阻器陣列的二值化MLP網(wǎng)絡(luò)研究[D];國防科技大學(xué);2018年

8 王大朋;跨尺度微納結(jié)構(gòu)陣列的膠體球刻蝕方法及其應(yīng)用[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2018年

9 顧蘇杭;二維材料/硅納米柱陣列異質(zhì)結(jié)光電器件研究[D];蘇州大學(xué);2017年

10 王毅;基于分布式陣列與稀疏重構(gòu)的DOA估計(jì)若干問題研究[D];西安電子科技大學(xué);2017年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 王鵬;變壓器局放超聲陣列傳感器指向性評價(jià)[D];華北電力大學(xué)(北京);2019年

2 曾偉;基于共軛空時(shí)拓展陣列的波達(dá)方向估計(jì)技術(shù)研究[D];華南理工大學(xué);2019年

3 劉繼楠;節(jié)能型弧形微棱鏡陣列的光學(xué)設(shè)計(jì)與精密磨削研究[D];華南理工大學(xué);2019年

4 許菲;激光構(gòu)造微孔陣列結(jié)構(gòu)加強(qiáng)鋼/塑料連接技術(shù)研究[D];長春理工大學(xué);2019年

5 徐秀升;直驅(qū)式針織圓緯機(jī)驅(qū)動陣列多物理場耦合研究與實(shí)驗(yàn)[D];武漢紡織大學(xué);2019年

6 唐歡;運(yùn)用FDA實(shí)現(xiàn)空間時(shí)不變聚焦[D];電子科技大學(xué);2019年

7 李晗靜;基于極化敏感陣列的測向技術(shù)研究[D];電子科技大學(xué);2019年

8 劉立峰;基于差分合成陣列的二維目標(biāo)方位估計(jì)技術(shù)研究[D];長安大學(xué);2019年

9 王超杰;直接連接的卟啉陣列的設(shè)計(jì)、合成與性能研究[D];湖南師范大學(xué);2016年

10 郭飛乾;垂直定向排列碳納米管陣列的結(jié)構(gòu)調(diào)控及黏附性能研究[D];南京航空航天大學(xué);2019年

本文編號：2604819