基于十字型阵列的小型化便携式三维声学摄像声纳关键技术研究

Real-time 3D acoustic imaging system has important application value in such fields as underwater security, underwater exploration and underwater resource exploitation. However, the large number of array elements in a conventional 2D planar array results in a large amount of hardware cost and computation. As an improved array configuration, the cross array has advantage of small number of array elements, but there are three problems such as long scanning time, poor amplitude and phase interference rejection, and large beamforming calculation. In order to solve the above problems, this project intends to research the key technologies of portable 3D acoustic imaging sonar based on the cross array. A method is proposed to satisfy the real-time requirement and decrease the scanning time of cross array. A novel calibration method for amplitude and phase errors in receiving arrays is proposed to eliminate the amplitude and phase errors of the arrays and enhance the imaging performance. A efficient beamforming algorithm is proposed to reduce the amount of system computing. The research work of this project has important theoretical significance and engineering practical value for the design and development of portable 3D acoustic imaging sonar system.

实时三维声学成像系统在水下要地安防、水下探测、水下资源开发等领域具有重要的应用价值。然而，传统二维平面接收阵列庞大的阵元数量导致其硬件开销及计算量巨大。十字型阵列作为一种改进的阵列配置，具有阵元数量少的优势，但其存在扫描时间长、幅相抗干扰性差、波束形成计算量大三个难题。为解决上述难题，本项目拟研究基于十字型阵列的小型化便携式三维声学摄像声纳关键技术研究，研究提高十字型阵列波束形成实时性的方法，减小其扫描时间；研究换能器阵列的幅相误差自校正技术，消除阵列幅相不一致性，提升成像质量；针对十字型阵列，研究高效波束形成算法，降低系统计算量。本项目的研究工作对小型化便携式三维声学摄像声纳系统的设计与研制具有重要的理论指导意义和工程实用价值。

实时三维声学成像系统在水下要地安防、水下探测、水下资源开发等领域具有重要的应用价值。然而，传统二维平面接收阵列庞大的阵元数量导致其硬件开销及计算量巨大。十字型阵列作为一种改进的阵列配置，具有阵元数量少的优势，但其存在扫描时间长、幅相抗干扰性差、波束形成计算量大三个难题。针对上述问题本项目开展了波束形成算法、阵列稀疏优化、幅相误差自校正算法的研究。.在降低十字型阵列波束形成扫描时间、提高其实时性方面，研究基于多频率发射波束形成算法(MFT)，针对十字阵列发送波束形成算法近场性能不足的问题，提出了一种兼顾远场和近场性能的十字阵列发送波束形成算法，保证发射指向性 的同时发射延时约为传统方法的17%；提出了精确协方差矩阵重构的自适应波束形成算法，在模型失配时仍保持较高性能，干扰零陷较传统方法降低60dB。.在高效波束形成算法方面，基于修剪FFT，提出了优化的CZT波束形成算法，可实现十字型阵列远场和近场的快速波束形成；提出了一种修剪的分布式并行子阵波束形成算法(P-DPS)及其稀疏阵列设计方法，相比DM算法降低了3个数量级，相比DPS算法降低了71.6%；提出了一种基于精确协方差矩阵重构的自适应波束形成算法，具有更高的输出SINR和旁瓣控制水平。.在幅相误差自校正方面，提出了基于凸优化和神经网络的CVX-NN自校正方法，无需阵列特性先验，使用凸优化算法求解规划问题初步鲁棒估计校正源DOA，利用神经网络进行拟合，得到更精确的离网方向的DOA估计；提出了均匀采样的阵列诊断方法，估计精度略优于l1范数法，运行时间显著降低至5%。.本项目研究成果共发表SCI/EI论文9篇，授权/申请中国发明专利11项。研究工作对小型化便携式三维声学摄像声纳系统的设计与研制具有重要的理论指导意义和工程实用价值。