空气中二维稀疏超声相控阵列稳健优化设计及DOA估计

发布时间：2017-05-05 13:15

  本文关键词：空气中二维稀疏超声相控阵列稳健优化设计及DOA估计，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：针对现有的光学和电磁成像设备在大雾、雨雪、强辐射、烟雾等光学和电磁成像设备工作效果不理想、成本过高或者结构笨重的局限性,提出一种用于移动机器人场景探测的二维稀疏超声相控阵优化布局、幅度加权矩阵稳健优化设计和波达方向估计和波束成形的方案。并通过Matlab仿真对方案的可行性进行验证。根据空气中二维稀疏超声相控阵的声场特性,建立空气中二维稀疏超声相控阵的声场指向性与阵列结构参数的方程。分别仿真分析了换能器大小、间距和个数等结构参数对声场特性的影响,并根据仿真结果确定阵列的结构参数。所设计的二维稀疏超声相控阵的发射阵列阵元个数为8?8个,间距为2?。考虑到稀疏阵列栅瓣的存在影响阵列的扫描范围,采用发射阵列和接收阵列交替排布的双向辐射形式消除栅瓣的影响,从而确定发射阵列和接收阵列的阵元间距和阵元个数,实现空气中二维稀疏超声相控阵阵元排布的优化设计,经过优化排布后的阵列的横向分辨率达到约4°,横向和纵向扫面范围由30°扩大到60°。考虑到实际使用中存在的安装误差、制造误差和阵元故障等不确定因素影响成像的分辨率问题,将遗传算法、蒙特卡罗模拟仿真分析和二维黄金分割搜索方法相结合对阵列幅值加权矩阵进行稳健优化设计,采用遗传算法搜索阵元的幅值矩阵,通过蒙特卡罗方法模拟阵元服从正态分布N(1,1)的连续性误差组合,利用二维黄金分割算法搜索一级旁瓣高度和主瓣高度的峰值。将一级旁瓣高度和主瓣高度的比值作为稳健优化设计的目标,搜索出一组误差条件下阵列的最优权值,作为稳健优化设计的目标,以降低阵列对上述误差的敏感性。通过稳健优化设计,误差条件下发射阵列的一级旁瓣高度和主瓣高度的比值由0.28下降到0.07,误差条件下接收阵列的一级旁瓣高度和主瓣高度的比值由0.29下降到0.142。二维稀疏超声相控阵的发射信号经过目标物体反射回来后,受到地面多径反射信号、其它物体的散射信号和波束栅瓣反射信号的干扰,需要分离开这些空间相干信号源,消除来自干扰信号的影响,从而获取期望的目标信号。针对大数目阵元的二维空间稀疏超声相控阵列,考虑到空间反射回的多个相干信号源的二维DOA估计问题,在线性阵列的空间平滑技术的基础上,提出了基于双向空间平滑的二维DOA估计的MUSIC算法,实现对空间反射回的多个相干超声信号源的DOA估计。通过发射声束的方向限定接收声束方向的范围,从而消除稀疏阵列产生的角度模糊的问题。该方法可以有效解决空间中多个相干信号源的问题,对空间中两个相干信号的角度分辨率可达3°。
【关键词】：二维稀疏超声相控阵 声场指向性仿真 误差分析 稳健优化 DOA估计
【学位授予单位】：西南科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN911.23
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 1 绪论10-20
• 1.1 超声相控阵成像检测的研究背景与意义10-12
• 1.2 相控阵超声检测的国内外研究现状12-15
• 1.3 论文组织结构15-20
• 1.3.1 本文符号说明15
• 1.3.2 研究思路15-18
• 1.3.3 论文结构18-20
• 2 空气中二维稀疏超声相控阵的基本原理20-30
• 2.1 单个压电式超声波换能器的声场特性20-22
• 2.2 二维超声相控阵超声波束扫描的时空控制原理22-26
• 2.2.1 二维超声相控阵空间波束的偏转23-24
• 2.2.2 二维超声相控阵空间波束的聚焦24-25
• 2.2.3 二维超声相控阵空间聚焦波束的偏转25-26
• 2.3 基于Matlab的二维稀疏超声相控阵声场建模仿真26-29
• 2.4 本章小结29-30
• 3 二维稀疏超声相控阵的阵列设计30-41
• 3.1 二维稀疏阵列设计方法的研究30
• 3.2 二维稀疏阵列的设计准则30-31
• 3.3 阵元的选择31-32
• 3.3.1 相控阵超声换能器中心频率的选择31
• 3.3.2 相控阵超声换能器孔径大小的选择31-32
• 3.4 发射阵列的设计32-35
• 3.4.1 阵元间距的确定32-33
• 3.4.2 阵元数目的确定33-34
• 3.4.3 偏转角度对栅瓣的影响34-35
• 3.5 接收阵列的设计35-39
• 3.6 二维稀疏超声相控阵的阵元排布39-40
• 3.7 本章小结40-41
• 4 二维稀疏超声相控阵的误差分析和稳健优化设计41-65
• 4.1 阵元故障等离散误差因素对声场特性的影响41-45
• 4.2 二维稀疏超声相控阵连续性误差因素对声场指向性的影响45-64
• 4.2.1 二维稀疏超声相控阵连续性误差的优化设计原理46
• 4.2.2 基于遗传算法的权值单阵元搜索原理46-53
• 4.2.3 基于蒙特卡罗算法的阵元误差组合原理53
• 4.2.4 单个阵元误差的计算方法53-55
• 4.2.5 基于二维黄金分割算法的单峰函数搜索原理55-57
• 4.2.6 仿真实例57-64
• 4.3 本章小结64-65
• 5 基于空间平滑算法的二维稀疏超声相控阵的DOA估计65-78
• 5.1 二维稀疏超声相控阵的DOA估计方案65
• 5.2 相干信源的数学模型分析65-66
• 5.3 空间平滑解相干算法66-68
• 5.4 二维空间平滑算法的空间谱估计MUSIC68-72
• 5.4.1 基于二维稀疏相控阵的空间平滑算法69-71
• 5.4.2 基于空间平滑算法的二维稀疏超声相控阵DOA估计算法步骤71-72
• 5.5 实验结果仿真分析72-76
• 5.6 本章小结76-78
• 结论78-80
• 致谢80-82
• 参考文献82-86
• 攻读硕士学位期间发表的论文及研究结果86

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 赵汇强;张玉萍;全厚德;;运动目标DOA自适应跟踪算法[J];火力与指挥控制;2012年06期

2 施克仁;杨平;陈斌;;基于二维阵列的相控阵超声三维成像实现[J];清华大学学报(自然科学版);2006年11期

3 肖雄;相控阵全自动超声波检测技术在西气东输工程中的应用[J];无损探伤;2004年05期

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本文编号：346429