本文關(guān)鍵詞：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，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：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)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°�？紤]到實際使用中存在的安裝誤差、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,考慮到空間反射回的多個相干信號源的二維DOA估計問題,在線性陣列的空間平滑技術(shù)的基礎(chǔ)上,提出了基于雙向空間平滑的二維DOA估計的MUSIC算法,實現(xiàn)對空間反射回的多個相干超聲信號源的DOA估計。通過發(fā)射聲束的方向限定接收聲束方向的范圍,從而消除稀疏陣列產(chǎn)生的角度模糊的問題。該方法可以有效解決空間中多個相干信號源的問題,對空間中兩個相干信號的角度分辨率可達3°。
【關(guān)鍵詞】：二維稀疏超聲相控陣 聲場指向性仿真 誤差分析 穩(wěn)健優(yōu)化 DOA估計
【學(xué)位授予單位】：西南科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN911.23
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 1 緒論10-20
• 1.1 超聲相控陣成像檢測的研究背景與意義10-12
• 1.2 相控陣超聲檢測的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀12-15
• 1.3 論文組織結(jié)構(gòu)15-20
• 1.3.1 本文符號說明15
• 1.3.2 研究思路15-18
• 1.3.3 論文結(jié)構(gòu)18-20
• 2 空氣中二維稀疏超聲相控陣的基本原理20-30
• 2.1 單個壓電式超聲波換能器的聲場特性20-22
• 2.2 二維超聲相控陣超聲波束掃描的時空控制原理22-26
• 2.2.1 二維超聲相控陣空間波束的偏轉(zhuǎn)23-24
• 2.2.2 二維超聲相控陣空間波束的聚焦24-25
• 2.2.3 二維超聲相控陣空間聚焦波束的偏轉(zhuǎn)25-26
• 2.3 基于Matlab的二維稀疏超聲相控陣聲場建模仿真26-29
• 2.4 本章小結(jié)29-30
• 3 二維稀疏超聲相控陣的陣列設(shè)計30-41
• 3.1 二維稀疏陣列設(shè)計方法的研究30
• 3.2 二維稀疏陣列的設(shè)計準(zhǔn)則30-31
• 3.3 陣元的選擇31-32
• 3.3.1 相控陣超聲換能器中心頻率的選擇31
• 3.3.2 相控陣超聲換能器孔徑大小的選擇31-32
• 3.4 發(fā)射陣列的設(shè)計32-35
• 3.4.1 陣元間距的確定32-33
• 3.4.2 陣元數(shù)目的確定33-34
• 3.4.3 偏轉(zhuǎn)角度對柵瓣的影響34-35
• 3.5 接收陣列的設(shè)計35-39
• 3.6 二維稀疏超聲相控陣的陣元排布39-40
• 3.7 本章小結(jié)40-41
• 4 二維稀疏超聲相控陣的誤差分析和穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計41-65
• 4.1 陣元故障等離散誤差因素對聲場特性的影響41-45
• 4.2 二維稀疏超聲相控陣連續(xù)性誤差因素對聲場指向性的影響45-64
• 4.2.1 二維稀疏超聲相控陣連續(xù)性誤差的優(yōu)化設(shè)計原理46
• 4.2.2 基于遺傳算法的權(quán)值單陣元搜索原理46-53
• 4.2.3 基于蒙特卡羅算法的陣元誤差組合原理53
• 4.2.4 單個陣元誤差的計算方法53-55
• 4.2.5 基于二維黃金分割算法的單峰函數(shù)搜索原理55-57
• 4.2.6 仿真實例57-64
• 4.3 本章小結(jié)64-65
• 5 基于空間平滑算法的二維稀疏超聲相控陣的DOA估計65-78
• 5.1 二維稀疏超聲相控陣的DOA估計方案65
• 5.2 相干信源的數(shù)學(xué)模型分析65-66
• 5.3 空間平滑解相干算法66-68
• 5.4 二維空間平滑算法的空間譜估計MUSIC68-72
• 5.4.1 基于二維稀疏相控陣的空間平滑算法69-71
• 5.4.2 基于空間平滑算法的二維稀疏超聲相控陣DOA估計算法步驟71-72
• 5.5 實驗結(jié)果仿真分析72-76
• 5.6 本章小結(jié)76-78
• 結(jié)論78-80
• 致謝80-82
• 參考文獻82-86
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文及研究結(jié)果86

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前3條

1 趙匯強;張玉萍;全厚德;;運動目標(biāo)DOA自適應(yīng)跟蹤算法[J];火力與指揮控制;2012年06期

2 施克仁;楊平;陳斌;;基于二維陣列的相控陣超聲三維成像實現(xiàn)[J];清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版);2006年11期

3 肖雄;相控陣全自動超聲波檢測技術(shù)在西氣東輸工程中的應(yīng)用[J];無損探傷;2004年05期

  本文關(guān)鍵詞：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，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：346429