基于稀疏阵的相控阵三维成像声纳系统阵元优化及波束形成算法研究

Phased array 3D imaging sonar system is the most advanced underwater imaging system in the world, which can detect and monitor the underwater base equipments. However, due to the high system hardware complexity and the heavy computation load, the system performance is low and cannot meet the demand of engineering practice. This project focuses on the research on transducer array optimization, and proposes a high performance beamforming algorithm that suitable for the optimized array. Finally, a hardware system prototype will be designed based on the high performance embedded processor and FPGAs. The system detection precision is the same as the full array system, and the system complexity will be reduced evidently. With the optimization of the transducer array and algorithm, the system performance will be much higher than ever.

)：相控阵三维成像声纳系统是目前国际上最先进的水下成像系统，是各类水下关键基础设施检测和监控的有力保障，而相控阵三维成像声纳系统中硬件系统复杂和计算规模巨大两大难题的存在，严重制约了相控阵三维成像声纳系统的性能的提升及工程实用。本项目拟研究适用于相控阵三维成像声纳系统的稀疏换能器阵的优化方法及其在近场条件下的性能补偿方法，构建适用于稀疏换能器阵的高性能波束形成算法，最终研制基于稀疏换能器阵的高性能嵌入式实时数字波束形成硬件系统。在保证系统探测精度的前提下，系统硬件复杂度能够得到有效降低，同时波束形成算法也针对稀疏换能器阵进行专门的优化，并通过基于高性能嵌入式计算系统的信号处理机实现，大大提高相控阵三维成像声纳系统的综合性能，并加速其走向实用。具有完全自主知识产权的高性能相控阵三维成像声纳系统的成功研制，对水下环境监测、水下工程实施和科学研究等具有重要的实用价值。

相控阵三维成像声纳系统是目前国际上最先进的水下成像系统，是各类水下关键基础设施检测和监控的有力保障，而相控阵三维成像声纳系统中硬件系统复杂和计算规模巨大两大难题的存在，严重制约了相控阵三维成像声纳系统的性能的提升及工程实用。本项目针对相控阵三维摄像声纳系统中接收换能器通道数目大、硬件复杂度高的问题，提出了一种兼顾远场和近场性能的接收换能器阵列稀疏方法，获得适用于远场的、稀疏率更高的二维稀疏阵列，降低系统硬件复杂度；针对三维成像声纳系统中波束形成算法计算量和内存需求量过于庞大的问题，提出一种可应用于稀疏换能器阵列的分布式并行子阵波束形成算法，大大降低了系统计算量和存储量需求；针对平面换能器阵列数量巨大的问题，提出了一种采用发射和接收共同进行波束形成的十字型阵列配置对平面阵进行稀疏化处理，并提出了一种多频信号发射算法，解决了十字型阵列固有的实时性不足问题，极大程度降低了系统的硬件复杂度；基于上述成果，设计实现了全阵列三维声纳原理样机和十字型阵列三维声呐原理样机，用于稀疏阵列和其他相关验证。相关研究成果在保证系统探测精度的前提下，系统硬件复杂度能够得到有效降低，通过基于高性能嵌入式计算系统的信号处理机实现，大大提高相控阵三维成像声纳系统的综合性能，并加速其走向实用。具有完全自主知识产权的高性能相控阵三维成像声纳系统的成功研制，对水下环境监测、水下工程实施和科学研究等具有重要的实用价值。