稀疏基阵水下声成像的压缩感知方法

声传感器基阵式成像是水下目标探测的主要方法之一。在保证成像质量的同时,采用稀疏基阵是降低系统复杂性的有效途径。另一方面,成像方法也是关键技术之一,其性能直接决定成像质量的优劣。在前期研究的稀疏阵基础上,提出了压缩感知成像方法用于水下成像。回波经传感器基阵接收并进行信号分离后,获得各虚拟通道信号,利用压缩感知方法进行成像。在提出的成像方法中,采用了自适应块贝叶斯算法,它能够在噪声环境下较为准确地恢复图像。此外,根据声信号特点设计字典,并按算法特性设计了数据排列规则。实验表明:通过自适应块贝叶斯算法的压缩感知成像能够可靠地对水下目标进行成像,目标的几何特征明显。     

一种多波束声纳在水下安检中的应用

阐述了一种多波束声纳对船舶底部进行安全检测装置的组成及动作原理,该装置可在水下自动调整深度,通过云台还可对声纳倾斜角度进行调整;不仅保证探测范围,对被探测目标尚有三维图像识辨功能;采用多波束图像声纳可对进出港口船舶底部进行扫描、并形成外貌特性图像。     

二维动态网格压缩波束形成声源识别方法

基于平面传声器阵列测量和固定网格的传统二维压缩波束形成通过建立阵列传声器测量声压信号和假想声源网格点未知源强之间的欠定线性方程组，基于主声源通常为稀疏分布这一事实，利用稀疏促进算法求解上述方程组从而获得声源波达方向和源强的准确估计，进而准确识别声源。然而，当声源波达方向与网格点不一致、即发生基不匹配时，性能会劣化。为克服该问题，提出二维动态网格压缩波束形成声源识别方法。定义网格坐标和源强分布矢量为变量并采用对数求和罚函数构建目标函数以促进解的稀疏性；基于优化最小化框架在目标函数的基础上构造合适的替代函数以降低优化复杂度；通过梯度下降法对替代函数进行迭代优化求解，从而使网格坐标和源强分布矢量逐渐收敛至真实值附近。仿真和试验均表明，相较于传统固定网格的二维压缩波束形成，该方法能够克服基不匹配问题、获得更高的定位精度和量化精度；该方法能够适用于传声器随机分布的平面阵列，且无需先验的信噪比（噪声干扰）及声源稀疏度等信息，即使在传声器数量较少的情况下也能得到低污染高分辨率的声源成像，保证了高精度的二维波达方向估计和源强量化。     

一种时域平面扫描三维成像算法研究

提出了一种基于平面扫描模式下的三维成像时域算法。该算法在平面网格点上获取扫频幅相信息,经过相位补偿后变换到球面上,然后利用傅里叶逆变换将频域数据沿投影线转换为时域数据,对应球面的不同空间角度在投影线上作线性插值,最后通过二维角域积分获得目标的三维图像。仿真结果表明该算法聚焦效果良好。在微波暗室内构建了一套平面扫描三维成像系统,采用该算法处理后能获得高分辨率三维微波图像,成像的空间位置误差优于1 cm。     

基于麦克风阵列的双波束近场定位及语音分离

提出了一种新的基于麦克风阵列的近场声源定位和语音分离算法,它结合双波束二维定位和近场最小方差波束形成技术在阵列近场范围内实现声源定位和语音分离.使用双波束进行二维定位能解决2D-Music运算量过大和实现困难的问题.在双波束二维定位的基础上,使用基于麦克风阵列近场模型的最小方差波束形成技术进行语音分离,它比常规最小方差波束形成技术更适用于近场内的语音分离.最后,仿真结果验证了该算法的正确性和可行性.     

基于全孔径波束相位的方位估计新算法

基于传统FFT波束形成算法输出,结合利用apFFT波束形成算法得到的目标初相位信息,提出了一种新的方位估计算法WABP,其原理是根据FFT和apFFT输出的同号波束的相位差解算得到目标的方位信息,此算法比传统的FFT方位估计算法精度高,比子空间类算法鲁棒性好。计算机仿真结果验证了此算法的正确性,对多波束测深系统的水池试验数据处理结果展示了此算法的有效性与实用性。     

实时电阻抗成像系统及实验研究

介绍了一个32电极实时电阻抗成像系统,描述了该系统的硬件电路设计及图像重建算法,并在盛有盐水的水槽上进行了实时电阻抗成像实验,实验结果表明该系统能够对目标(及多个目标)准确定位,重建图像灰度值的大小可以反映成像区域电导率的相对大小,可以区分成像目标的个数,成像速度可以达到3帧/秒,而且重建图像具有一定的分辨率,能够实时的反映成像区域内部电导率分布的改变。该成像系统非常适合于医学临床应用,如对脑血肿、脑水肿患者的实时图像监护,及时反映患者颅内出血的变化情况,以帮助医生做出正确的诊断,这在医学临床上有着重要的意义。     

基于OMAP3530的声/光一体化成像系统

本文主要研究基于OMAP3530高性能DSP芯片的水下声/光一体化成像系统实现,利用DSP核实现多子阵幅度-相位联合检测算法,根据DSP核计算出的深度值利用运行于PowerVR核中的OpenGL ES库实现三维声学成像,利用ARM核实现光学图像采集以及辅助设备数据采集,并利用QT/E设计的人机交互界面对声学三维图像信息和光学成像信息同时进行实时显示。本方案充分发挥了OMAP处理器的三核性能。系统对松花湖实验数据进行有效处理,证明了系统技术方案的正确性和技术指标的先进性。     

太赫兹光致力近场显微成像技术及应用研究

设计并搭建了太赫兹光致力显微成像系统(THz PiFM),首次在太赫兹波段实现了近场光力纳米显微成像测量。该系统基于原子力显微镜,利用探针对所受力的灵敏检测能力,通过探测探针与样品之间近场偶极相互作用产生的光场梯度力,实现无探测器的太赫兹近场显微成像。利用该系统,对可见光激发下的单层MoS₂晶粒进行了近场纳米显微成像表征,并分析了晶粒边缘近场光力信号增强的机制。研究结果表明,THz PiFM对二维材料中的载流子具有高灵敏的探测能力。与传统的太赫兹近场显微成像技术相比,THz PiFM无需太赫兹探测器,而且可获得更加优越的空间分辨率和成像信噪比,是一种低成本、高性能的新型太赫兹近场显微成像技术。     

基于成像提取的RCS精确测量方法研究

高精度雷达散射截面(RCS)测量对背景环境具有较高要求,当背景环境存在较强干扰时,通过背景矢量对消难以消除杂波影响。提出基于成像提取的高精度RCS测量方法,从背景杂波中分离和提取出目标的散射信号,从而提高了测量的精度。首先推导了像与RCS的数学关系,然后利用转台模式下的测量回波进行成像处理,得到目标区域的二维像;从成像区域中提取目标的二维像,通过波谱变换和定标获得目标的RCS。仿真结果表明,该方法对于具有干扰情况下的RCS测量,可以改善3~5 d B的测试精度,并且能够对弱散射目标进行测量。实验结果表明了成像提取方法的有效性和准确性。     

基于改进ECT的隔热材料胶层无损检测研究

电容层析成像(ECT)技术是能显示被测物场的二维或三维介质分布图像的实时检测技术,基于平面阵列传感器的ECT系统为陶瓷多孔隔热材料缺陷检测提供一种新的技术途径。本文针对陶瓷多孔隔热材料粘结胶层的缺陷无损检测问题,提出了一种基于改进的电容层析成像方法。首先在分析平面阵列传感器ECT检测系统模型及成像原理的基础上,提出了一种改进初值的Landwebe迭代图像重建算法;进一步将该算法应用到基材表层与隔热材料之间的粘结胶层的缺陷检测领域,并通过实验验证了采用基于改进ECT的无损检测方法在陶瓷多孔隔热材料粘结胶层缺陷检测中应用的有效性;同时与采用传统ECT成像算法的检测实验进行比较。结果表明本文提出的改进ECT算法对胶层缺陷图像重建质量具有较大幅度的提高。     

一种基于矢量传感器阵的盲波束形成方法研究

本文针对水声环境和信号的特点，提出了一种基于矢量传感器阵的盲波束形成算法。首先建立了矢量传感器阵列接收信号模型，然后推导了基于矢量传感器阵列的波束形成最优权矢量的表达式。在此基础上，定义了接收信号的四阶累积量，进而盲估计了矢量传感器阵列的方向向量，实现了盲波束形成。该方法利用高阶累积量可消除高斯噪声干扰这一特性，有效地实现了基于矢量传感器阵列的盲波束形成。仿真实验验证了该方法的有效性和正确性。     

一种合成孔径声呐图像目标分割方法

合成孔径声呐图像的信噪比低于普通光学图像,使图像分割成为合成孔径声呐图像处理中的重要环节。本文研究了表示合成孔径声呐图像数据分布的瑞利混合模型,结合马尔科夫随机场模型,将其应用于声呐图像水下目标(亮区)分割;通过最大期望算法分别估计目标和背景的瑞利混合模型参数,并利用该参数使用Graph cut方法进行马尔科夫随机场图像分割,通过重复迭代,最后形成稳定的目标分割结果;对实际的声呐图像进行了数据分析及目标分割,结果表明瑞利混合模型在描述合成孔径声呐声图上有良好的性能,可以改善目标分割的效果。     

基于无人艇载侧扫声呐的水下目标定位方法研究

水下目标高精度定位是无人艇开展海底测绘、航道清理、沉船打捞等任务的重要前提。 然而,现有的基线式定位方法无 法对未知水域内的目标进行精确定位。 实际任务中,无人艇往往需要搭载侧扫声呐并辅以其他手段来确定水下目标的准确位 置。 针对无人艇水下目标定位难题,首先对侧扫声呐水下目标定位过程进行建模,然后分析姿态误差对水下目标定位造成的影 响,利用姿态矫正矩阵消除姿态误差,最后利用离散卡尔曼滤波算法对多点测量数据进行最优估计,得到水下目标的精确位置。 仿真实验和无人艇集成实验结果表明,该定位方法能够有效的减小测量过程中的误差,平均定位精度达到 0. 334 m。     

超宽带穿墙雷达动目标跟踪成像算法研究

利用超宽带穿墙雷达探测跟踪墙后人体目标在城区巷战、反恐斗争和人质救援等领域的应用日益广泛。动目标检测与成像算法是穿墙雷达信号处理的两大关键部分,针对传统的动目标检测方法的不足,本文研究了一种提取动目标回波信息的自适应背景去除方法,并考虑到墙体影响,对传统的后向投影成像算法进行改进。利用FDTD数值仿真和外场实验验证了对隐藏在墙后运动目标跟踪成像,研究结果表明,本文算法对天线形式要求简单,准确度高,实时性好。     

矩阵换能器超声三维成像方法研究*

针对常规超声检测难以直观地显示被检对象缺陷的形状及走向等问题,开展矩阵换能器超声三维成像方法研究。超声三维成像技术具有直观显示被测对象内部缺陷三维特征的优点,基于矩阵换能器的超声三维成像方法具有扫查速度快、分辨率高等优点,是当前超声三维成像技术的研究热点。本文介绍了矩阵换能器体扫查原理及其控制方法;提出了矩阵换能器体扫查时三维体数据采集方法和数据融合算法;基于矩阵换能器和相控阵板卡系统对铝标样等试样进行了体扫查检测实验,采用等值面和体绘制两种算法对缺陷进行三维成像,并对单一缺陷进行了定量分析,定量精度较高。研究结果表明,矩阵换能器超声三维成像方法能够表征缺陷的三维形貌特征,在无需移动换能器的情况下便可实现缺陷三维检测,是超声三维检测的有效方法。     

一种主/被动声呐目标回波信号模拟器的研制

根据实际需要，研制了一种主／被动声呐目标回波信号模拟器，该模拟器能够产生主／被动声呐测试、定检所需的主／被动声呐目标回波信号，目标回波信号中包含主动声呐、目标辐射噪声、海杂波、混响等信号，信号输出形式包括声信号和电信号2种。该模拟器可在空气介质条件下，实现声呐接收、处理、显示系统的定检，以及声呐测距系统和方位系统的定检；在水声环境中，可实现对接收换能器方向性、接收系统灵敏度等的测试。通过性能测试及与实际声呐系统联试，证明该模拟器达到了设计功能和性能指标要求，已交付用户使用。这里对其主要数学模型、系统硬件结构、软件流程进行了简要介绍。     

管道损伤磁梯度共振稀疏分解与BMSR辨识方法

为更好地提取埋地钢质管道地磁环境下由应力集中产生的磁力信号,克服现有磁力检测缺乏有效高灵敏度多元探头阵列和信号处理技术的问题,提出一种磁梯度张量共振稀疏分解结合偏置单稳随机共振(bias monostable stochastic resonance,简称BMSR)的辨识方法对管道损伤进行有效评估。首先,探头布置采用十字张量阵列形式;其次,针对管道缺陷和现场干扰信号特点,用不同品质因子对信号进行共振稀疏分解,剔除掉一部分干扰信号;最后,加入不同时域恢复的随机共振系统结合量子遗传算法进行参数寻优。将该辨识方法用于实际站场管道张量检测信号,比较传统低通滤波、不同随机共振系统结合共振稀疏分解的处理结果,验证了磁梯度张量共振稀疏分解加偏置单稳处理算法在提取管道损伤磁场和表征管道应力集中的有效性。     

基于协同小波分析的声纳图像去噪研究

将基于协同小波去噪的方式运用于水下声纳图像的去噪处理中,并将去噪效果与几种传统的图像去噪算法进行了效果比较。实验结果证明,该算法在很好地去除声纳图像中的高斯白噪声、提高信噪比的同时,在图像的边缘特性及轮廓保留上也具有较大的优势。