相控阵三维声纳中的稀疏阵列与近场成像算法研究

《相控阵三维声纳中的稀疏阵列与近场成像算法研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、D20127714110487相控阵三维声纳中的稀疏阵列与近场成像算法研究学位申请人：罗再磊学科专业：机械电子工程指导教师：陈学东教授答辩日期：2018年1月18日AThesisSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheDegreeofDoctorofPhilosophyinEngineeringResearchonThinnedArrayandNear-fieldImagingAlgorithmforPhasedArrayThree-DimensionalSonarCandidate

2、:LuoZaileiMajor:MechatronicEngineeringSupervisor:Prof.ChenXuedongHuazhongUniversityofScienceandTechnologyWuhan,Hubei430074,P.R.ChinaJan.18,2018独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研宄工作及取得的研宄成果。尽我所知，，除文中已经标明引用的内容外本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研宄做出贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完

3、全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：ｙ日期客年／月曰学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在年解密后适用本授权书。本论文属于不保密Ｚ“”（请在以上方框内打Ｗ）、学位论文作者签名：罗从指导教师签名：１滅日期：

4、少彳年月＞日日期名年／月抑曰／华中科技大学博士学位论文摘要相控阵三维声纳是近年来为满足日益增长的水下目标三维探测需求而发展起来的三维声学成像设备。它具有良好的成像分辨率和实时成像性能，适用于港口及近岸海域等浑浊水体下的目标探测，在港口安全巡视、水下工程作业、海洋科学研究以及国防军事等领域都有十分广泛的应用需求。目前相控阵三维声纳技术仍然面临系统硬件复杂度过高和近场成像视角受限两大问题。本学位论文针对上述两大问题，开展相控阵三维声纳中的稀疏阵列与近场成像算法研究，旨在降低三维声纳系统的硬件复杂度，并扩展其在近场区域内的成像视角范围，从理论和

5、实践两方面推动相控阵三维声纳及其相关技术领域的进步。论文的主要研究内容如下：考虑相控阵三维声纳对换能器阵列性能的要求，根据换能器激励与阵列波束的内在函数关系，从优化理论层面分析了稀疏阵列优化问题中的变量、目标与约束，重点分析了阵列旁瓣峰值与阵列增益性能约束及其在稀疏优化问题中的处理方式，建立了兼顾远场和近场阵列性能的稀疏阵列优化问题理论模型。此外，推导了相控阵三维声纳系统的回波理论模型和波束形成算法模型，在此基础上分析了远场和近场区域内成像信号处理的差异，从原理上推导了基于传统菲涅尔时延的近场波束形成算法的理论适用范围，及其所受成像视角限制。针

6、对相控阵三维声纳系统中的大规模接收换能器阵列导致的系统硬件复杂度过高问题，从启发式优化方法和确定性优化方法两个角度对稀疏阵列的优化方法开展研究。在启发式优化方法层面，提出了一种修正教与学优化算法（MTLBO），该算法具有收敛速度快且无需对算法特定参数因子进行调节等特点，与同类型算法相比具有更高的求解精度。在确定性优化方法层面，本文结合压缩感知与凸优化理论，提出了一种改进迭代凸优化方法（ISCVX），该方法求解精度与启发式优化算法精度十分接近，求解结果固定且无需多次迭代，更适合实际工程应用。典型相控阵三维声纳的换能器阵列优化算例表明，本文所提出的

7、稀疏阵列优化方法可以有效降低系统的硬件规模，换能器稀疏率可达86%以上。针对近场快速波束形成算法在相控阵三维声纳中视角受限的问题，提出一种基于菲涅尔近似的近场分区时延方法（NSTD），该时延方法可在保证原有菲涅尔时延区域时延精度的前提下进一步扩展三维声纳系统的近场成像视角。同时，在该时延方法的基础上，I华中科技大学博士学位论文结合快速傅里叶变换和Chirp-Z变换提出了相应的近场快速波束形成算法，优化后的波束形成算法与直接波束形成算法相比，可以大幅度减少系统成像所需的参数存储量和计算量。理论分析与仿真计算结果表明，本文所提出的近场成像算法可将相

8、控阵三维声纳系统的有效探测区域扩展40%以上。在考虑相控阵三维声纳系统高分辨率和宽视角性能要求的前提下，进行了兼顾远场和近场性能的稀疏阵列设计。依据相