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原文传递基于稀疏阵的三维前视声呐方位估计技术研究

论文题名：	基于稀疏阵的三维前视声呐方位估计技术研究
关键词：	三维前视声呐;回波方位估计;稀疏阵;稀疏重构;相位差测深
摘要：	在国家发展海洋科学技术、推动海洋科技向创新引领型转变的国家战略牵引下，国产化声呐设备的研制工作正在如火如荼地开展。前视声呐能够对视场范围内感兴趣的目标进行主动探测，是海洋小型平台开展目标探测定位的关键性设备。本文聚焦当前国内外前视声呐设备及技术的发展趋势和实际需求，重点围绕三维前视声呐样机开发背景，在自然科学基金面上项目、某重点科研项目等的支撑下，针对稀疏阵列设计及方位估计技术理论基础、基于稀疏重构的点源目标方位估计技术和基于相位差的面目标方位估计技术三个方面展开深入研究。　　第一，研究稀疏阵列设计与方位估计技术理论基础。相比均匀线阵，稀疏阵列不需增加额外的传感器，仅根据一定规则布放传感器单元，所形成的阵列具有更大的阵列孔径，因而在方位估计问题中具有分辨能力强、方位估计精度高的优势。文中围绕该项技术分三个方面展开研究，第一方面，从稀疏阵列设计理论出发，概述了互质阵、嵌套阵等典型稀疏列结构特点，定量分析了基于稀疏阵列的方位估计性能评价准则;第二方面，提出一种三次嵌套阵列结构，推导了该阵列的阵列几何参数，克拉美罗界分析表明:相比其他稀疏阵列，所提出的三次嵌套阵列具有更高的方位估计精度;第三方面，从蒙特卡洛仿真实验出发，分析现有差协同阵方位估计算法在方位估计精度方面存在的不足。　　第二，研究基于稀疏重构的点源目标方位估计技术。文中围绕该项技术分两个方面展开研究，一方面，针对稀疏阵列点源目标高精度方位估计需求，采用稀疏重构技术进行点源目标方位估计。考虑现有稀疏重构技术多假设回波方位准确落在字典网格上，与实际情形不符导致存在较大方位估计误差，针对此问题，提出一种适用于稀疏/均匀阵列的求根稀疏贝叶斯学习算法，每个迭代过程对超参数和字典网格进行交替更新，使得字典网格能够逐步趋近真实回波方向。与此同时，为了强化稀疏性，基于恒虚警率准则提出一种基于支撑选取的求根稀疏贝叶斯学习算法，改善方位估计精度的同时提升了算法收敛性能，仿真实验表明所提出的方法能够渐进接近克拉美罗界;另一方面，为了进一步改善算法在目标分辨方面的性能，考虑字典列相关性过高导致目标方位分辨能力差的问题，提出一种自适应步长的感知矩阵优化算法，降低字典列相关性的同时提升算法收敛性能，仿真实验表明所提出算法具有优异的目标方位分辨能力，水池实验进一步验证了所提出的三次嵌套阵对比其他稀疏阵列在方位估计问题中的优越性。　　第三，研究面地形目标方位估计技术。考虑面地形目标几何特征不可忽略，阵列回波模型不满足点源假设条件，常规的点源方位估计方法均失效。针对此问题，提出一种基于相位差的面目标方位估计算法，涉及四个方面的研究。首先，考虑面地形回波条带时间上不可分问题，采用波束形成实现水体成像和空域滤波，对面目标进行栅格化处理，认为同一个时刻每个波束角内只存在一个回波;其次，面地形回波检测还面临水体散射回波、声传播多途等干扰，提出一种异常值标记与重检测方法应用局部地形的连续性实现面地形回波的稳定检测;然后，面地形回波存在复杂的声散射回波叠加，导致相位曲线存在较多异常跳变点，应用非线性滤波器处理滤除这些相位异常跳变点;最后，由于前视声呐采用稀疏阵设计存在相位展开模糊的问题，应用互质解模糊技术实现无模糊方位估计。通过Field Ⅱ声场仿真工具和水池实验验证了所提出方法能够准确进行海底面地形三维重构。　　最后，在上述关键技术的支撑下，开展前视声呐样机研制。首先依据前视声呐关键技术指标确定前视声呐系统组成，然后设计嵌入式软件，提出大流水线套小流水线模式的多通道匹配滤波器模块设计解决系统缓存资源不足的问题，经过系统联调完成设计并开发一套完整的前视声呐系统。为了验证样机执行前视避碰和下视海底面地形测量任务的效果，分别于外场开展水中点源目标探测和面地形目标探测试验，验证了所研制的样机可用于避碰、面地形测量任务，测量结果准确可靠。
作者：	沈嘉俊
专业：	水声工程
导师：	周天
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2022