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成像声纳波束形成新技术研究

王晓峰  
【摘要】:水下目标的探测技术,无论在水下预警、防卫等军事领域,还是在港口检测、海洋资源开发等民用领域,都有巨大的需求和广阔的应用前景,利用声纳成像技术进行探测无疑是一种有效和直观的方法。随着水下工程事业的发展,人们对新一代成像声纳系统在成像实时性、成像精度、及探测距离等诸多方面提出了越来越高的要求,对开发高速、高分辨率成像声纳的需求越来越迫切。本文以“XX成像声纳技术研究”等基础科研项目为应用背景,结合电子波束形成技术和声透镜波束形成技术近年来的发展,研究了成像声纳波束形成中的两种新技术。研究工作包括: 1.针对面阵三维多波束形成运算量大的特点,本文研究了基于双向正交常规波束形成技术的成像声纳系统的结构,研究了用一维接收线阵和一维正交发射线阵实现目标三维成像的新技术方案。研制了64通道接收机波束形成硬件平台和软件算法,并且在5片TMS320C6416DSP处理器构成的并行处理机上,完成了并行处理算法的实现。在完成了该实验系统后,进行了水池试验,得到了三维成像实验结果。 2.透镜设计是透镜成像的关键技术,本文系统介绍了声透镜的设计原理。分析了衍射效应对成像质量的影响。对已有的混合模型进行了改进,在标量衍射计算中采用更精确的倾斜因子函数,这对设计宽视场成像声透镜具有重要意义。 3.研究了声透镜束控技术。基于光学成像中的“切趾术”,在透镜表面引入衰减材料实现束控。考虑工程实现的可行性,提出了分段函数形式的切趾衰减方法,分别以二值、三值分段函数进行了束控研究。研究结果表明,具有良好的束控作用。 4.为克服由于高衰减系数材质造成的声透镜波束展宽,提出了用菲涅耳透镜技术进行声透镜束控的方法。研究结果表明,菲涅耳声透镜对衰减造成的波束展宽有较好的控制作用。 5.设计了模拟检波和CCD器件结合的透镜声纳图像信号采集与传输方案,该方案可显著减小透镜声纳图像扇出电路规模,对高分辨率透镜声纳小型化具有重要意义。 6.研制了透镜声纳试验系统,进行了小目标的水池成像实验,对高分辨率透镜声纳的声成像性能进行了实验验证。 透镜声纳设计开发涉及声学材料,信号处理,集成电路等多个领域的技术支持,因而是一项复杂的系统技术。论文最后总结了图像声纳技术的发展趋势,对未来透镜声纳技术的研究方向进行了展望。


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