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相控阵三维摄像声纳系统信号处理关键技术研究

袁龙涛  
【摘要】:相控阵三维摄像声纳系统是一种新型的水下三维声学成像系统,该系统采用一个声脉冲透射整个水下三维场景,通过二维换能器阵列接收被探测物体的回波信号,再运用相控阵技术同时产生多达上万个波束信号,从而获得探测场景的实时三维图像。在相控阵三维摄像声纳系统中,由于换能器通道和需要计算的实时波束信号数量巨大,水下信号处理单元面临着硬件电路复杂、实时信号处理算法计算量庞大等难题。此外,不同换能器通道之间的性能不一致性,以及波束形成器输出结果中的有效数据难以准确识别,都会明显降低系统的成像质量,严重时甚至会造成水下目标观测和识别的失败。因此,针对上述相控阵三维摄像声纳系统信号处理面临的关键问题进行深入研究,具有重要的理论意义和实用价值。 针对相控阵三维摄像声纳系统中接收换能器通道数目大、硬件复杂度高的问题,提出了一种兼顾远场和近场性能的接收换能器阵列稀疏方法。基于对近场波束方向图表达式的分析,该方法提出了一种与实际工程应用相一致的近场能量函数。为利于优化计算的具体实施,结合近场能量函数的特性对其进行了简化。对简化后的近场能量函数进行最小化寻优运算,从而获得满足近场需求的稀疏换能器阵列。随后,提出一种二次优化的思想,对近场稀疏换能器阵列进行进一步稀疏化操作,从而获得适用于远场的、稀疏率更高的二维稀疏阵列。 针对相控阵三维摄像声纳系统中接收换能器阵列存在幅相误差、从而导致系统探测性能降低的问题,提出了一种新的幅相误差自校正方法。该方法仅需要一个方位未知的远场校正源,分三个步骤估计校正源方位和阵列幅相误差:首先采用一种三步迭代方位估计方法,获得对校正源方位的鲁棒估计;再利用该方位估计的结果,采用空域匹配滤波的方法,估计阵列的幅相误差;最后利用最大后验概率的原理,对相位误差参数和校正源方位的估计结果进行进一步调整。相对于其他校正方法,新的幅相误差自校正方法具有计算量较小、适用范围广、校正精度高等特点。 针对相控阵三维摄像声纳系统中实时波束形成算法计算量非常巨大的问题,提出了一种基于剪除分裂基FFT的二维czT波束形成优化算法。该方法对原始的二维CZT波束形成算法流程进行了优化,使二维CZT变换通过一系列一维离散卷积完成。同时,针对这些一维离散卷积运算的部分输入和输出特性,提出了一种基于剪除分裂基FFT的一维离散卷积运算方法。其中,实时剪除技术的应用有效去除了FFT运算中的不必要操作。优化的二维CZT波束形成算法能够在保证计算精度的同时,有效降低波束形成算法所需的计算量,同时对于稀疏阵列仍具有较高的运算效率。 针对相控阵三维摄像声纳系统中与水下物体对应的有效数据的提取的问题,提出了一种相控阵三维摄像声纳图像的自适应阈值算法。该算法首先基于二维波束方向图的对称特性,利用波束邻域对称性的统计结果实现对二维置信度图像的修正;再采用最大熵原理,计算适用于修正后的置信度图像的自适应阈值,从而有效的区别物体区域和背景区域,并进而提取并保留与物体区域对应的有效波束数据。对于具体的水下三维摄像声纳图像,该算法相比于其他几种典型的阈值处理方法具有更好的处理效果,但是所需的计算量仅与传统的空域滤波方法处于同一量级。


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