水下稀疏基阵成像波束形成算法与系统实现

论文摘要

一直以来,便携、高速实时阵列式成像系统的研究与设计,是所有海洋工作者与研究者们孜孜不倦努力的目标。阵列式成像是利用大型二维阵列以获取三维超高分辨率声学图像的一种探测方式。目前,对于阵列式成像系统的研究主要集中在以快速、高分辨率、强鲁棒性为设计目标的基阵设计、波束形成算法以及相关的软硬件设计等几个方面。借鉴传统B型超声成像技术并结合合成孔径技术、阵列式成像技术等相关理论研究和实践基础,设计并实现一种基于稀疏阵列的水下超声成像软硬件系统,验证了一种一次发射-接收过程就可实现成像的稀疏阵列成像方式,并通过仿真实验与硬件系统试验共同验证该算法的正确性。水声换能器,即水声传感器,其设计对于系统的成像质量具有决定性作用。传感器阵元的设计与布阵排列直接影响成像系统最终性能。文章从传感器阵元的尺寸作为切入点分析不同孔径传感器阵元响应与不同阵元间距布阵的传感器阵列性能,利用乘性定理设计了双正面稀疏阵列并将其与Mills cross阵列进行性能对比明确了该型阵列的结构优势,本系统将其作为稀疏阵列成像的前端成像阵列。首先,文章重点分析了一次发射-接收成像方式的波束形成算法,对近场与远场波束形成性能的差异进行仿真分析,使用基于Matlab的Field-II工具箱对单焦点、多焦点以及变迹函数进行成像仿真实验,分析了在不同成像模式下的成像结果与变化趋势,确定并描述了一次发射-接收便可进行成像的稀疏阵列成像算法。接着,文章利用远场声势函数构建空间任意位置处声场回波,并使用两个预设点目标以及4发9收双正面稀疏阵列进行成像仿真,验证了该模型的正确性。在此基础上,使用16发25收的双正面结构进一步扩大阵列的规模以提高成像的质量,将不同布阵间距下的双正面稀疏阵列成像结果进行对比,结果充分验证了成像模型、算法以及相关理论的正确和有效。最后,设计4发9收的双正面阵列的超声成像系统,包括数据的下行、上行与处理系统。特别地,为了满足不同尺寸、特征阻抗、容抗的水声换能器的需要,改进设计驱动电路。定性分析了推挽式AC-AC变换电路的关键参数,并对“对称T型”滤波器的关键参数进行定量分析和仿真,确保发射的正弦脉冲信号稳定在100KHz。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 稀疏阵列成像国内外研究现状
•     1.2.1 国外研究现状
•     1.2.2 国内研究现状
•   1.3 论文主要内容和结构安排
•     1.3.1 论文主要解决的问题
•     1.3.2 论文的内容安排
• 第二章 稀疏传感器阵列设计与性能分析
•   2.1 传感器设计基础
•     2.1.1 传感器的分类
•     2.1.2 压电水声传感器的性能分析与选择
•   2.2 稀疏传感器基阵的评价方法
•     2.2.1 稀疏阵列指向性分析
•     2.2.2 稀疏阵列分辨力与孔径分析
•   2.3 一种乘性处理的稀疏阵列设计
•     2.3.1 乘性处理与PCA
•     2.3.2 双正面阵元位置计算
•     2.3.3 双正面阵元与Mills cross阵列的性能比较
•   2.4 本章小结
• 第三章 稀疏阵列成像波束形成算法分析
•   3.1 MIMO阵列模型与波束形成基础
•   3.2 近远场波束性能分析
•     3.2.1 线性阵列波束输出
•     3.2.2 近远场波束形成分析
•   3.3 多焦点波束形成性能分析
•     3.3.1 多焦点波束性能分析
•     3.3.2 幅度变迹函数波束形成性能
•   3.4 稀疏阵列成像方式
•     3.4.1 成像区域构建
•     3.4.2 一次发射-接收成像算法实现
•   3.5 本章小结
• 第四章 基于散射模型的大孔径稀疏阵列成像仿真
•   4.1 高频近场回波特性公式
•   4.2 回波信号模型
•     4.2.1 回波波形仿真
•     4.2.2 回波模型验证
•   4.3 成像仿真
•     4.3.1 阵列结构与目标设置
•     4.3.2 仿真参数设置
•     4.3.3 仿真结果分析
•   4.4 本章小结
• 第五章 稀疏基阵成像驱动电路系统改进设计与成像系统分析
•   5.1 成像前端系统设计
•     5.1.1 单极性脉冲宽度调制
•     5.1.2 对称T型滤波器设计
•   5.2 系统调试与分析
•     5.2.1 系统测试平台搭建
•     5.2.2 整体测试
•   5.3 成像系统分析
•     5.3.1 成像实现过程
•     5.3.2 性能分析
•   5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
•   6.1 全文总结
•   6.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者简介
• 攻读硕士期间发表论文
• 攻读硕士期间参与项目情况

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 姜路

导师: 李鹏,石辉

关键词: 稀疏阵列成像,近场波束形成,多焦点,散射模型

来源: 南京信息工程大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 海洋学,计算机软件及计算机应用,自动化技术

单位: 南京信息工程大学

分类号: P715.5;TP391.41;TP212

DOI: 10.27248/d.cnki.gnjqc.2019.000507

总页数: 89

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