基于压缩感知的稀疏水声阵列信号处理机理研究

With more and more attention has been paid to underwater exploration, more higher performance of marine acoustic equipments are required, such as real-time and high-resolution. A large-scale elements acoustic array can get higher resolution but company with more complexity structure, power consumption and mass data transmission. Research shows that, the application of sparse process from signal collection to signal reconstruction can get simplified structure, lower data redundancy and appropriate load distribution on every component module. Starting with the analysis sparse structure of underwater signal, Comparing the different Characteristics of sparse array and thinned array, using the latest compressed sensing theory, this program concretely research the optimum design method and signal processing method of underwater acoustic array. Through sufficient theoretical discussion and numerous experimental data analysis, establish model and fundamental framework of sparse process technology in the space-time-frequency domain and fast imaging algorithm, seek for critical technical breakthrough in high-performance and low-power-consumption marine acoustic real-time equipments, provide the technical support of underwater hand-held devices and robots.

随着海洋探索的不断深入，对水下声学探测设备的性能提出更高要求，尤其是在分辨率和实时性方面。阵元的增加可以提高分辨率，然而随之带来的复杂性、功耗、数据传输量的增加又成为制约系统实时性能的瓶颈。理论研究指出，稀疏化处理技术可应用于从信号采集阶段开始到信号重构显示阶段，可以简化前端设备的复杂性，减少数据和运算的冗余度，合理分布各组成部件的负载。本项目拟从分析水声阵列信号的稀疏特性入手，比较稀疏分布阵和稀疏抽取阵的不同特性，引入最新的压缩感知理论，研究水下声阵的优化设计方法和信号处理方法。本项目将在充分的理论研究和大量实验数据分析的基础上，建立基于空、时、频稀疏化处理技术的阵列信号处理模型和理论基本框架，研究与之相应的快速成像算法，实现高性能、低功耗水下声学实时探测设备的技术突破，为水下手持式探测装备和水下机器人的研制提供技术支撑。

随着海洋探索的不断深入，对水下探测设备的性能需求不断提高。提高分辨率必须增加阵列规模，这对前端信号实时处理能力提出了极大挑战。如何解决多通道、高采样率、大数据量传输、存储和实时运算是当前水下装备亟待解决的问题。 .本项目首先对水声阵列信号稀疏性进行分析，采用稀疏布阵设计和优化处理，简化前端采集端的复杂性；然后引入压缩感知理论，分析从空、时、频多方面进行稀疏化处理的可行性，建立稀疏信号模型；最后研究基于稀疏水声阵列的快速成像算法，试制了基于稀疏面阵设计的三维声学成像原理样机，开展了水池和湖上、海上试验，分析了随机误差和串扰对三维声阵成像的影响。.主要取得以下成果：.（1）建立了基于主副瓣比、旁瓣高度和、主瓣宽度、通道间幅相误差四个因素的稀疏面阵目标评价函数，使稀疏成像阵列获得更好的综合性能；.（2）研究了基于遗传算法的稀疏抽取阵、螺旋线阵、改进型圆阵和T型阵等典型声阵结构和三维快速成像算法；.（3）搭建了一套基于稀疏阵的水下实时三维成像原理系统，获得多次湖上及海上测试数据，可以实时地对水下近场及远场目标三维成像，作用距离在1 ～ 50 m。.本项目从声阵优化设计和信号处理着手，探索了阵列信号空、时、频多维稀疏化处理方法，在保持分辨率基本不变情况下有效降低了计算量和数据传输量，为研制高性能、低功耗水下声学实时探测设备提供了理论和技术支撑，成果将应用于某型水下手持式三维成像设备和某型海底成像设备中。