相控阵三维成像声纳系统的稀疏阵及波束形成算法研究

【摘要】： “相控阵三维成像声纳系统”采用一个声脉冲透射整个观察场景,运用相控阵技术同时产生上万个实时波束强度信号,经过实时信号处理得到一幅三维场景图像。该三维图像以每秒钟高达20次的更新率进行更新,使得相控阵三维成像声纳系统具备对水下目标进行实时成像的能力。本论文以国家高技术研究发展(863)计划“相控阵三维声学摄像声纳”项目(编号2006AA09Z109)为依托,研究了接收换能器阵的稀疏布阵方式；研究并提出了近场条件下,一种优化的时延参数近似表达式和基于此近似表达式的相控阵三维成像声纳系统的优化的波束形成算法；研究了远场条件下的波束形成算法,利用声波位移矢量分解与合成的原理,推导出波束强度与相应方向角的数学关系式,进而使相控阵三维成像声纳系统的波束形成算法得到优化；研究并提出了一种基于多片现场可编程门阵列(FPGA)芯片的分布并行处理架构,并通过该架构对相控阵三维成像声纳系统的信号处理机进行了优化设计。 第一章绪论部分首先阐述了研究背景与意义,然后对国内外研究现状进行了综述并作了相应的总结,最后给出了本文的主要研究内容。 第二章提出了一种改进的模拟退火算法,该算法应用于换能器平面阵权重系数的稀疏优化。改进后的模拟退火算法在某一固定大小的换能器平面阵上,在一定的旁瓣能量阈值与权重系数比阈值限制条件下,求得需要开启换能器数目的最小值。首先对改进的模拟退火算法和它的四点改进内容进行了阐述,然后将稀疏优化结果与相关文献中的结果进行了比较和讨论。 第三章首先研究并提出了近场条件下,一种优化的时延参数近似表达式和一种基于此近似表达式的相控阵三维成像声纳系统的优化的波束形成算法。然后,将优化后的波束形成算法与直接波束形成算法在内存需求量和计算量方面进行了比较。再将此近似表达式与菲涅耳近似表达式进行了比较,并给出了此近似表达式的优点。最后,给出了此近似表达式的最优化过程。 第四章研究并提出了远场条件下,一种对相控阵三维成像声纳系统的波束形成算法进行优化的方法。首先,利用声纳回波信号位移矢量分解与合成的原理,推导出波束强度与相应方向角的数学关系式,进而使相控阵三维成像声纳系统的波束形成算法得到优化,并在Matlab平台上验证了该算法。接着,给出了实现此算法的两种数据通路,并对其内存需求量和计算量进行了分析。优化后的算法在得到与传统算法相同的波束强度矩阵结果的情况下,减少了存储相移参数需要的内存空间。最后,在Xilinx公司ISE开发环境下,在FPGA上对该两种数据通路进行了仿真,并列出了相应的资源利用情况。 第五章研究并提出了一种基于多FPGA的分布并行处理架构,通过该架构对相控阵三维成像声纳系统的信号处理机进行了优化设计。该架构以FPGA为处理单元,FPGA之间通过自定义协议的低压差分信号(LVDS)相连,具有低通信开销、对系统硬件资源要求低等优点。利用前面三章的研究成果,通过FPGA的多级分布并行处理架构使相控阵三维成像声纳系统的信号处理机得到了优化。 第六章总结了本论文的研究成果与创新点,并提出了本课题进一步的研究方向和任务。