一种高分辨率三维成像声纳换能器阵列稀疏优化方法技术

本发明专利技术属于三维成像声纳技术领域，并公开了一种高分辨率三维成像声纳换能器阵列稀疏优化方法。该优化方法包括：建立换能器阵列的迭代凸优化数学模型；获得当前迭代的换能器阵元激励权值；对当前迭代的换能器阵元激励权值进行更新，然后根据其计算下一次迭代的换能器阵元惩罚系数；判断当前迭代的次数是否达到最大迭代次数，若是，则终止优化过程并输出，若否，则根据下一次迭代的换能器阵元惩罚系数重复上述步骤。本发明专利技术将迭代凸优化数学模型与模拟退火算法相结合，从原来的满布阵列中移除对阵列波束贡献低的阵元，并且具有收敛快、迭代次数少的优点，无需对算法特定参数进行多次调试，适合实际工程应用。

【技术实现步骤摘要】
一种高分辨率三维成像声纳换能器阵列稀疏优化方法
本专利技术属于三维成像声纳
，更具体地，涉及一种高分辨率三维成像声纳换能器阵列稀疏优化方法。
技术介绍
高分辨率三维成像声纳是水下探测与成像领域的新型技术，在海洋资源勘探、水下工程作业、海港设施巡检、水下救援考古、蛙人探测与扫雷排爆等民用和军事领域均有广泛而迫切的应用需求。此类三维声纳系统采用大规模换能器面阵接收三维空间目标的回波信息，并利用电子波束形成技术对视野范围内上万个方位同时进行聚焦、扫描与成像，其工作距离可由一米覆盖到上百米，具有良好的成像分辨率和实时刷新率，适用于港口及近岸海域等浑浊水质内的目标探测。目前此类高分辨率三维成像声纳系统面临硬件复杂度过高的瓶颈。获得高分辨率的三维图像，要求声纳系统配置大规模换能器平面阵列，常规密集布阵方式所需换能器数目往往达数千甚至上万，同时要求配套大规模的信号处理电路。从而导致该系统需要承受极高的硬件复杂度，相应的带来硬件成本高、功耗大、故障维护困难等问题。换能器稀疏布阵是指依据声纳系统声学性能要求，对换能器阵列中的阵元位置和权值进行优化，从而以远低于传统密集布阵技术的换能器阵元数目实现满足性能要求的换能器阵列布置。具体到高分辨率三维成像声纳系统中，稀疏布阵主要针对声纳系统中的接收换能器面阵，其声学性能指标主要为阵列波束主瓣宽度和旁瓣峰值。引入换能器阵列稀疏优化技术可以使系统在保持原有波束特性的情况下，减少换能器阵元数目，大大降低声纳系统硬件复杂度。现有换能器稀疏布阵方法主要基于启发式随机优化方法，如模拟退火算法、遗传算法、粒子群算法等，此类方法在理论上可以接近全局最优解，但需经过多次调试以选择最优算法参数，耗时长，模型适应能力差。传统的确定性方法大都处于理想模型下求解，在应用于换能器稀疏布阵时无法灵活处理变量取值范围的约束，比如阵元动态范围比约束，同时确定性优化方法往往基于局部最优求解，求解精度差。因此，进一步研究适用于实时三维声纳的稀疏布阵方法对于降低声纳系统硬件复杂度，发展实时三维声纳技术具有十分重要的理论意义和实际工程应用价值。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种高分辨率三维成像声纳换能器阵列稀疏优化方法，其中通过讲凸优化数学模型与模拟退火算法相结合，相应的可有效解决大型换能器稀疏面阵的优化问题。为实现上述目的，本专利技术提出了一种高分辨率三维成像声纳换能器阵列稀疏优化方法，其特征在于，该优化方法包括如下步骤：S1建立换能器阵列的迭代凸优化数学模型，该换能器阵列包括I个换能器阵元；S2将当前迭代的换能器阵元惩罚系数和设定的换能器阵列性能约束条件代入步骤S1的迭代凸优化数学模型中，获得当前迭代的换能器阵元激励权值，其中设定第一次迭代的换能器阵元惩罚系数均为1；S3根据期望动态范围比确定约束条件，并对不满足约束条件的换能器阵元，利用模拟退火算法对步骤S2中获得的当前迭代的换能器阵元激励权值进行更新，然后根据更新后的激励权值计算下一次迭代的换能器阵元惩罚系数；S4判断当前迭代的次数是否达到最大迭代次数，若是，则终止优化过程，输出由步骤S3获得的换能器阵元激励权值构成的换能器阵列激励权值矩阵，若否，则根据下一次迭代的换能器阵元惩罚系数重复步骤S2～S4。作为进一步优选地，所述步骤S1中换能器阵列的迭代凸优化数学模型为：s.t|wgA(u0,v0)|＝＝1(2)||wgA(u,v)||∞≤U,{u,v}∈SL(3)式中，为第g次迭代过程中第i号换能器阵元的惩罚系数，为第g次迭代过程中第i号换能器阵元的激励权值，I为换能器阵元的总数，i为换能器阵元的标号，u为波束水平方向的单位矢量，v为波束竖直方向的单位矢量，A(u0,v0)为主波束方向的阵列流形单位矢量，A(u,v)为波束方向的阵列流形单位矢量，SL为旁瓣波束方向的集合，U为期望的旁瓣峰值，wg为第g次迭代获得的换能器阵列激励权值矩阵，||·||∞表示∞范数操作。作为进一步优选地，所述步骤S2中设定的阵列性能约束条件包括：主波束方向(u0,v0)，期望的旁瓣峰值U和旁瓣波束方向的集合SL。作为进一步优选地，所述步骤S3包括如下子步骤：S31判断第i号换能器阵元激励权值是否满足动态范围比DRRd的约束，即若是，则保持不变，若否，则根据模拟退火算法启动阵元关闭程序，获得更新后的其中max{wg}表示wg中的最大值；S32根据步骤S31得到的计算下一次迭代中该阵元的惩罚系数计算公式为：式中，ε为稳定因子；S33重复步骤S31和S32，直至遍历所述换能器阵列中的所有阵元。作为进一步优选地，所述子步骤S31中的阵元关闭程序包括如下步骤：S311根据模拟退火算法，计算第i号换能器阵元的关闭阀值参数Pig，其计算公式为：式中，T0为初始退火温度，kt为退火系数，g为迭代次数；S312随机生成一个0到1的数R1，若R1≥Pig，则该不变，若R1＜Pig，则启动阵元关闭程序，即将该设为0。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：1.本专利技术将迭代凸优化数学模型与模拟退火算法相结合，利用迭代凸优化方法逐渐从原来的满布阵列中移除对阵列波束贡献低的阵元，同时采用模拟退火算法的参数控制思想，随着迭代次数的增加提高对不符合约束条件的阵元的惩罚力度，有利于提高算法的全局最优求解能力，从而移除原有满阵列中大部分换能器，并对剩余的换能器阵元激励权值进行优化，可获得与原有均匀满布阵列相同的波束聚焦效果和更低的旁瓣性能；2.与现有启发式随机方法相比，本专利技术的方法具有收敛快、迭代次数少的优点，并且无需对算法特定参数进行多次调试，适合实际工程应用；3.本专利技术采用稀疏布阵，只需要极少部分的换能器工作即可获得与原有均匀满布阵列相同的波束聚焦性能,并且能够获得更低的旁瓣峰值，同时还可以大幅度减少换能器数目，降低高分辨率三维声纳的系统硬件成本，因而具有广泛的应用前景。附图说明图1是本专利技术的工作流程图；图2是高分标率三维成像声纳系统的坐标系示意图；图3是按照本专利技术实施例构建的稀疏换能器阵列的阵元分布图；图4是按照本专利技术实施例构建的换能器稀疏面阵波束指向性图；图5是按照本专利技术实施例构建的换能器稀疏面阵波束指向性截面图；图6是按照本专利技术实施例构建的稀疏换能器阵列的激励权值图。具体实施方式为了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详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。如图1所示，本专利技术提供了一种高分辨率三维成像声纳换能器阵列稀疏优化方法，其特征在于，该优化方法包括如下步骤：S1建立换能器阵列的迭代凸优化数学模型，该换能器阵列包括I个换能器阵元；S2将当前迭代的换能器阵元惩罚系数和设定的换能器阵列性能约束条件代入步骤S1的迭代凸优化数学模型中，获得当前迭代的换能器阵元激励权值其中设定第一次迭代的换能器阵元惩罚系数均为1；S3根据期望动态范围比确定约束条件，并对不满足约束条件的换能器阵元，利用模拟退火算法对步骤S2中获得的当前迭代的换能器阵元激励权值进行更新，然后根据本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高分辨率三维成像声纳换能器阵列稀疏优化方法，其特征在于，该优化方法包括如下步骤：S1建立换能器阵列的迭代凸优化数学模型，该换能器阵列包括I个换能器阵元；S2将当前迭代的换能器阵元惩罚系数和设定的换能器阵列性能约束条件代入步骤S1的迭代凸优化数学模型中，获得当前迭代的换能器阵元激励权值，其中设定第一次迭代的换能器阵元惩罚系数均为1；S3根据期望动态范围比确定约束条件，并对不满足约束条件的换能器阵元，利用模拟退火算法对步骤S2中获得的当前迭代的换能器阵元激励权值进行更新，然后根据更新后的激励权值计算下一次迭代的换能器阵元惩罚系数；S4判断当前迭代的次数是否达到最大迭代次数，若是，则终止优化过程，输出由步骤S3获得的换能器阵元激励权值构成的换能器阵列激励权值矩阵，若否，则根据下一次迭代的换能器阵元惩罚系数重复步骤S2～S4。

【技术特征摘要】
1.一种高分辨率三维成像声纳换能器阵列稀疏优化方法，其特征在于，该优化方法包括如下步骤：S1建立换能器阵列的迭代凸优化数学模型，该换能器阵列包括I个换能器阵元；S2将当前迭代的换能器阵元惩罚系数和设定的换能器阵列性能约束条件代入步骤S1的迭代凸优化数学模型中，获得当前迭代的换能器阵元激励权值，其中设定第一次迭代的换能器阵元惩罚系数均为1；S3根据期望动态范围比确定约束条件，并对不满足约束条件的换能器阵元，利用模拟退火算法对步骤S2中获得的当前迭代的换能器阵元激励权值进行更新，然后根据更新后的激励权值计算下一次迭代的换能器阵元惩罚系数；S4判断当前迭代的次数是否达到最大迭代次数，若是，则终止优化过程，输出由步骤S3获得的换能器阵元激励权值构成的换能器阵列激励权值矩阵，若否，则根据下一次迭代的换能器阵元惩罚系数重复步骤S2～S4。2.如权利要求1所述的高分辨率三维成像声纳换能器阵列稀疏优化方法，其特征在于，所述步骤S1中换能器阵列的迭代凸优化数学模型为：s.t|wgA(u0,v0)|＝＝1(2)||wgA(u,v)||∞≤U,{u,v}∈SL(3)式中，为第g次迭代过程中第i号换能器阵元的惩罚系数，为第g次迭代过程中第i号换能器阵元的激励权值，I为换能器阵元的总数，i为换能器阵元的标号，u为波束水平方向的单位矢量，v为波束竖直方向的单位矢量，A(u0,v0)为主波束方向的阵列流形单...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩斌，罗再磊，陈学东，孟路稳，赵德鑫，
申请(专利权)人：华中科技大学，中国人民解放军军事科学院国防科技创新研究院，
类型：发明
国别省市：湖北,42