一种基于十字型的三维成像声纳阵列的稀疏优化方法技术

本发明专利技术公开了一种十字型的三维成像声纳阵列的稀疏优化方法，包括以下步骤：首先，基于十字型阵列，构建同时适用与近场和远场的波束方向图；然后，根据波束方向图构建稀疏优化所需的能量函数；接下来，在模拟退火算法中引入阵元位置扰动，并利用增加阵元位置扰动的模拟退火算法对能量函数进行稀疏优化，以增大稀疏优化的自由度，提高阵列的稀疏率；最后，经过上述优化后，获得稀疏优化后的十字型阵列。本发明专利技术能够保证三维成像声纳系统在任何距离都具备期望的性能，同时大大降低系统硬件复杂度。为实现较高性能，超低复杂度的三维成像声纳系统提供了有效方法。

【技术实现步骤摘要】
一种基于十字型的三维成像声纳阵列的稀疏优化方法
本专利技术涉及相控阵三维成像声纳
，具体涉及一种基于十字型的三维成像声纳阵列的稀疏优化方法。
技术介绍
采用平面阵列实现三维声纳成像具有观测距离远，分辨率高等特点。然而，平面阵列的使用，往往伴随着大量的阵元数量，动辄成千上万的换能器数量导致平面阵列三维声学摄像声纳系统体积庞大、设备沉重、成本昂贵、功耗巨大。平面阵列三维声学摄像声纳系统主要应用于大型船体或拖体上，能够对环境相对简单的水域进行有效探测。但是，对于某些复杂环境，则需要潜水员或小型的AUV通过小型化便携式三维声学摄像声纳系统灵活地进行探测，而针对此类应用，平面阵列三维声学摄像声纳系统则难以胜任。为了解决平面阵列阵元数量庞大的问题，研制小型化三维声学摄像声纳系统，众多国内外科学家从不同的角度提出了解决方案。其中，一大部分学者通过采用不等间距稀疏阵的方法，解决换能器数量庞大的问题，并提出了模拟退火算法、遗传算法及粒子群优化算法等随即稀疏算法，以获得高稀疏率的平面接收阵列，但是通常得到的非等间距稀疏阵列仍然包含400左右的阵元数量，对于小型化便携式三维声纳成像系统而言，阵元数量依然偏高。另一部分学者通过发射阵列和接收阵列共同进行波束形成的方式，利用发射和接收波束形成在不同方向的波束指向性，消除发射和接收阵列中的冗余阵元，实现阵元数量的大幅度降低。其中典型的应用即十字型阵列，它是由两条相互垂直的线型阵列构成，一条作为发射阵列，一条作为接收阵列，发射阵列向垂直方向依次发射扇形波束，接收阵列探测声纳回波，并在该扇形波束内进行水平方向的波束形成，通过发射和接收共同的波束形成，实现三维图像的构建。十字型阵列能够使用M+N个阵元获得与平面阵M×N阵元相同的波束性能(角度分辨率、旁瓣峰值等)。但是十字型阵列在阵元数量及在整个观测场的性能均存在进一步优化的空间。
技术实现思路
本专利技术的目的提供了一种十字型的三维成像声纳阵列的稀疏优化方法，利用方法设计的十字型阵列，保证三维成像声纳系统在任何距离都具备期望的性能，同时大大降低系统硬件复杂度。为实现较高性能，超低复杂度的三维成像声纳系统提供了有效方法。为实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：一种十字型的三维成像声纳阵列的稀疏优化方法，包括以下步骤：(1)基于十字型阵列，构建同时适用于近场和远场的波束方向图BP(W,u,v,δ,fj)，该波束方向图BP(W,u,v,δ,fj)为：其中，W是阵列的权重系数，包含垂直发射阵列的权重系数ωn和水平接收阵列的权重系数ωm；fj是垂直波束j方向的发射频率；xm是水平接收阵列的第m个阵元位置；yn是垂直发射阵列的第n个阵元位置；c是声波在水中传播的速度；δ＝1/r-1/r0；r是目标距离；r0是波束聚焦距离；u＝sinβa-sinθa；v＝sinβe-sinθe；βa是水平的波达方向；θa是水平的波束聚焦方向；βe是垂直的波达方向；θe是垂直的波束聚焦方向；当δ＝0时，BP为远场波束方向图；当δ≠0时，BP为近场波束方向图；(2)根据波束方向图BP(W,u,v,δ,fj)，构建阵列稀疏化过程中所需的能量函数E(W,A)，能量函数E(W,A)为：其中，k1，k2和k3为相对应项的权重系数；bd是期望的波束图旁瓣峰值；Ro是权重系数矩阵W中最大权重系数与最小权重系数的比值；Rd是期望的最大权重系数与最小权重系数的比值；u和v的取值范围Ω对应于强度大于bd的那部分旁瓣波束；δmin和δmax分别表示δ的最小值和最大值；(3)在模拟退火算法中引入阵元位置扰动，并利用增加阵元位置扰动的模拟退火算法对能量函数E(W,A)进行稀疏优化；(4)经过步骤(3)优化后，获得稀疏优化后的十字型阵列。其中，所述在模拟退火算法中引入阵元位置扰动包括：a.若选取的阵元权重系数不为0，即其处于开启状态，则将阵元权重系数以及当前阵元位置pxy＝(xm,yn)进行缓存(ωtemp)；b.关闭该阵元，更新阵元权重系数矩阵W和阵元数量A，并进行能量函数的计算；c.当能量函数减小时，则接受该状态，并选取下一个随机阵元；d.当能量函数增大时，再次开启该阵元，权重系数在一定范围内增加一个随机的微扰，同时并给该阵元的原有位置pxy增加一个扰动。本专利技术具有的有益效果为：利用本专利技术提供的十字型的三维成像声纳阵列的稀疏优化方法能够设计相控阵三维摄像声纳系统的二维稀疏十字型阵列，该十字型阵列能够在有效降低系统硬件复杂度的同时，保证系统在不同探测距离下都具备稳定的探测性能。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。图1为本专利技术的阵列稀疏优化过程流程图；图2为本专利技术的划分远场和近场聚焦区间的示意图；图3为本专利技术的稀疏优化过程中阵列扰动示意图；图4为本专利技术的稀疏十字型阵列的示意图；图5为本专利技术的所得十字型阵列的近场波束方向图；图6为本专利技术的所得十字型阵列的远场波束方向图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本专利技术进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本专利技术，并不限定本专利技术的保护范围。本实施例中，初始阵列为100阵元垂直发射阵列和100阵元水平接收阵列。换能器按半波长间距均匀分布在一个矩形平面内，换能器的水平间距与垂直间距相等，发射频率fj为205kHz～300kHz，频率步进为5kHz，声速为c＝1500m/s。如图1所示，本实施例提供的一种基于十字型的三维成像声纳阵列的稀疏优化方法，包括以下步骤：S101，基于多频发射算法，基于十字型阵列，提出同时适用于近场和远场的波束方向图BP(W,u,v,δ,fj)，该波束方向图BP(W,u,v,δ,fj)为：其中，W是阵列的权重系数，包含垂直发射阵列的权重系数ωn和水平接收阵列的权重系数ωm；fj是垂直波束j方向的发射频率205kHz～300kHz，其中步进为5kHz，j＝1,2,…,20；xm是水平接收阵列的第m个阵元位置,xm＝mλmin/2，m＝1,2,…,100；λmin是所有发射声波中，最高频所对应的波长。yn是垂直发射阵列的第n个阵元位置，yn＝nλmin/2，n＝1,2,…,100；c是声波在水中传播的速度1500m/s；δ＝1/r-1/r0；r是目标距离，探测50米范围的目标；r0是波束聚焦距离，聚焦范围50米；u＝sinβa-sinθa，取值范围u∈[0，1]；v＝sinβe-sinθe，取值范围v∈[0，1]；βa是水平的波达方向，视角范围60°；θa是水平的波束聚焦方向，视角范围60°；βe是垂直的波达方向，视角范围60°；θe是垂直的波束聚焦方向，视角范围60°；S102，根据波束方向图BP(W,u,v,δ,fj)，构建阵列稀疏化过程中所需的能量函数E(W,A)。如图2所示，将整个观测场景分为近场和远场两部分，当δ＝0时，BP(W,u,v,δ,fj)对应为远场波束方向图，当δ≠0时，BP(W,u,v,δ,fj)对应为近场波束方向本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种十字型的三维成像声纳阵列的稀疏优化方法，包括以下步骤：(1)基于十字型阵列，构建同时适用于近场和远场的波束方向图BP(W,u,v,δ,fj)，该波束方向图BP(W,u,v,δ,fj)为：

【技术特征摘要】
1.一种十字型的三维成像声纳阵列的稀疏优化方法，包括以下步骤：(1)基于十字型阵列，构建同时适用于近场和远场的波束方向图BP(W,u,v,δ,fj)，该波束方向图BP(W,u,v,δ,fj)为：其中，W是阵列的权重系数，包含垂直发射阵列的权重系数ωn和水平接收阵列的权重系数ωm；fj是垂直波束j方向的发射频率；xm是水平接收阵列的第m个阵元位置；yn是垂直发射阵列的第n个阵元位置；c是声波在水中传播的速度；δ＝1/r-1/r0；r是目标距离；r0是波束聚焦距离；u＝sinβa-sinθa；v＝sinβe-sinθe；βa是水平的波达方向；θa是水平的波束聚焦方向；βe是垂直的波达方向；θe是垂直的波束聚焦方向；当δ＝0时，BP为远场波束方向图；当δ≠0时，BP为近场波束方向图；(2)根据波束方向图BP(W,u,v,δ,fj)，构建阵列稀疏化过程中所需的能量函数E(W,A)，能量函数E(W,A)为：其中，k1，k2和k3为相对应项的权重系数；bd是期望的波束图旁瓣峰值；Ro是权重系数矩阵W中最大权重系数与最小权重系数的比值；Rd是期望的最大权重系数与最小权重系数的比值；u和v的取值范围Ω对应于强度大于bd的那部分旁瓣波束；δmin和δmax分别表示δ的最小值和最大值；(3)在模拟退火算法中引入阵元位置扰动，并利用增加阵元位置扰动的模拟退火算法对能量函数E(W,A)进行稀疏优化；(4)经过步骤(3)优化后，获得稀疏优化后的十字型...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘雪松，赵冬冬，陈耀武，周凡，蒋荣欣，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33