多波束成像声纳阵列稀疏化技术研究

摘要

多波束成像声纳通过在接收端对大规模换能器阵列进行采样，经数字波束形成在一定角度范围内形成均匀密集分布的接收波束，从而实时获取水下目标的二维图像，在海洋资源开发和水下搜救等方面应用广泛。但是大规模换能器阵列带来声纳系统硬件复杂度的提高和成本、体积、功耗的增加。阵列稀疏化技术是解决上述问题的有效途径之一。现有的稀疏阵列设计大部分都是针对单波束情形，约束条件少。而对于成像声纳这类多波束情形下的稀疏阵列设计，尚未得到很好的解决。因此，本文对适用于多波束情形下的阵列稀疏化技术进行研究，具有重要的理论意义和应用价值。主要研究内容与成果如下：
　　（1）研究了基于Farrow结构多波束形成器的阵列稀疏方法，旨在通过得到一组稀疏的加权系数矢量来实现阵元位置的稀疏。采用Farrow结构指向可调波束形成器，结合基于子孔径旋转的多波束形成方法，仅用一组加权系数即可实现90度视野范围内的538个波束形成；构建了基于Farrow结构多波束形成器的阵列稀疏的凸优化模型，仿真和实测数据表明该多波束稀疏方法可以根据设定的门限得到满意解，但是阵列稀疏率不高。
　　（2）研究了基于智能优化算法和凸优化的多波束阵列稀疏方法。将前人提出的基于粒子群算法的单波束阵列稀疏方法拓展到多波束阵列，仿真结果表明该方法寻优能力不佳、计算量过大；针对现有方法的缺陷，提出了一种基于改进的二进制风驱动优化和凸优化的混合算法，同时对阵列的位置和加权矢量进行优化，直到获得满足方向图性能的最小阵元数目的稀疏阵列；仿真和实测数据表明，该算法能够得到满足性能要求的阵列最优权值和阵列布局，无论是寻优性能还是计算效率相比于现有方法都有了较大的提高。
　　（3）研究了基于列空间相关的多波束阵列稀疏方法。考虑到阵元接收信号本身存在很大的相关性，研究了接收阵列导向矩阵的列空间相关模型；引入投影误差，基于每一列在其他列张成的子空间上的投影误差确定阵元的相对冗余，并设计了详细的算法流程；仿真和实测数据表明，基于列空间相关的稀疏方法相比于前两种方法寻优性能有了提升，并且能在同等的主旁瓣性能下达到最优的阵列稀疏率。
　　综上，本文给出的三种稀疏方法各有优缺点。基于Farrow结构多波束形成器的阵列稀疏方法所需加权系数少、计算量小，但是波束主瓣宽度较宽，阵列稀疏率不高；后两种多波束阵列稀疏方法的寻优性能都强于基于 Farrow结构多波束形成器的稀疏方法，但是计算时间有所增加。比较而言，基于列空间相关的多波束阵列稀疏方法综合性能最优。

目录

声明

缩略词

第一章 绪论

1.1 背景与研究意义

1.2 国内外成像声纳研究现状

1.3 国内外阵列稀疏化技术研究现状

1.4 本文的主要研究内容

第二章 多波束成像声纳系统总体框架

2.1 引言

2.2 系统功能及组成

2.3 波束形成算法

2.4 成像声纳半圆阵列的数学模型

2.5 本章小结

第三章 基于Farrow结构多波束形成器的阵列稀疏方法

3.1 引言

3.2 基于Farrow结构的指向可调多波束形成方法

3.3 基于Farrow结构多波束形成器的阵列稀疏设计

3.4 仿真与实测验证

3.5 本章小结

第四章 基于智能优化算法和凸优化的多波束阵列稀疏方法

4.1 引言

4.2 粒子群算法

4.3 基于粒子群算法的多波束阵列稀疏化设计

4.4 风驱动优化算法

4.5 基于改进的风驱动优化-凸优化混合算法的多波束阵列稀疏化设计

4.6 本章小结

第五章 基于列空间相关的多波束阵列稀疏方法

5.1 引言

5.2 导向矩阵的列空间相关模型

5.3 基于列空间相关的多波束阵列稀疏化设计

5.4 仿真与实测验证

5.5 本章小结

第六章 结束语

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文