[發(fā)明專利]一種相控陣聲納系統(tǒng)換能器稀疏面陣優(yōu)化方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310505409.4
• 申請日: 2013-10-24
• 公開（公告）號(hào): CN103675799A
• 公開（公告）日: 2014-03-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳學(xué)東;何學(xué)明;羅欣;羅再磊;朱連利;丁基恒;趙賀彩;趙樹培
• 申請（專利權(quán)）人: 華中科技大學(xué);公安海警學(xué)院
• 主分類號(hào): G01S7/527
• 分類號(hào): G01S7/527;G01S15/89
• 代理公司: 華中科技大學(xué)專利中心 42201
• 代理人: 曹葆青

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于相控陣成像聲納波束形成技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種相控陣聲納系統(tǒng)換能器稀疏面陣優(yōu)化方法。

背景技術(shù)

相控陣三維前視聲納系統(tǒng)是近幾年發(fā)展起來的水下應(yīng)用系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用一個(gè)單頻聲脈沖透射整個(gè)觀察場景，運(yùn)用相控陣技術(shù)同時(shí)產(chǎn)生上萬個(gè)實(shí)時(shí)波束強(qiáng)度信號(hào)，經(jīng)過實(shí)時(shí)信號(hào)處理得到一幅三維場景的圖像。現(xiàn)代高分辨率相控陣聲納系統(tǒng)為獲得較小主波束寬度，要求換能器陣列具有較長的幾何尺寸。同時(shí)，為了阻止柵瓣的出現(xiàn)，陣元間距(換能器與換能器之間的距離)不得大于半波長，因此，高分辨率相控陣三維成像系統(tǒng)往往由幾千個(gè)半波長間距換能器組成二維面陣，硬件成本極高。

聲納系統(tǒng)發(fā)射出的聲波在遇到障礙物后反射產(chǎn)生的回波作用在接收換能器面陣上時(shí)，可根據(jù)換能器面陣接收到的聲壓幅值響應(yīng)確定回波方向。換能器的聲壓幅值隨著回波方向的變化會(huì)出現(xiàn)一個(gè)主瓣和若干個(gè)旁瓣，主瓣的峰值為最大值，旁瓣的峰值為聲壓幅度極大值。主瓣中聲壓強(qiáng)度最小值所對應(yīng)的回波角度稱為主波束寬度，旁瓣中峰值最大的聲壓幅值稱為最大旁瓣峰值。在相控陣聲納系統(tǒng)中，降低最大旁瓣峰值和減小主波束寬度都有利于提高聲納系統(tǒng)定位精度，提高成像清晰度。

換能器稀疏面陣優(yōu)化是指對聲納系統(tǒng)中換能器接收到的聲場回波進(jìn)行幅度調(diào)制，只讓面陣中的部分換能器工作，獲得成像聲納系統(tǒng)所要求的最大旁瓣峰值和最大主波束寬度。系統(tǒng)中不工作的換能器數(shù)目與全部換能器數(shù)目之比稱為稀疏率，稀疏率越高表明聲納系統(tǒng)中工作的換能器數(shù)目越少。引入換能器稀疏面陣優(yōu)化技術(shù)可以使系統(tǒng)在保持原有波束特性的情況下，減少所需激活的換能器數(shù)目，大大降低相控陣聲納系統(tǒng)硬件成本。

模擬退火算法是一種用于解決多目標(biāo)優(yōu)化問題的隨機(jī)方法，算法以一定概率接收搜索過程中獲得的差解，具有良好的全局搜索能力。模擬退火算法接受準(zhǔn)則表達(dá)式如下：

Pr=eEo-EnkT,ifEn>Eo1,else]]>

其中k為波爾茲曼常數(shù)，T為系統(tǒng)退火溫度，Eo為搜索前能量值，En為搜索后能量值。隨著退火溫度下降，算法接受差解的概率降低，最終達(dá)到結(jié)晶狀態(tài)，得到最優(yōu)解。

受課堂教學(xué)模式的啟發(fā)，R.V?Rao教授在2011年提出教與學(xué)優(yōu)化算法(TLBO)，基本的教與學(xué)優(yōu)化算法分為教階段和學(xué)階段兩部分：在教階段，班級個(gè)體根據(jù)教師矩陣Wt和學(xué)生平均水平的差異性進(jìn)行學(xué)習(xí)；在學(xué)階段，班級個(gè)體之間相互比較，適應(yīng)度低的個(gè)體向適應(yīng)度高的個(gè)體學(xué)習(xí)。

目前換能器稀疏陣列優(yōu)化主要采用遺產(chǎn)算法和種群粒子優(yōu)化算法等種群進(jìn)化算法，容易早熟陷入局部最優(yōu)且收斂速度較慢，常用于優(yōu)化一維換能器線陣或者小型面陣，并不適用于換能器數(shù)目較多的相控陣成像聲納系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供了一種相控陣聲納系統(tǒng)換能器稀疏面陣優(yōu)化方法，該相控陣聲納系統(tǒng)換能器稀疏面陣優(yōu)化方法采用改進(jìn)模擬退火——教與學(xué)優(yōu)化算法既可獲得全局解同時(shí)也具有較快的收斂速度，適用于大型成像聲納系統(tǒng)換能器面陣。

本發(fā)明所提供的技術(shù)方案如下：

一種相控陣聲納系統(tǒng)換能器稀疏面陣優(yōu)化方法，包括如下步驟：

(1)初始化步驟：

初始化換能器稀疏面陣中的換能器權(quán)重系數(shù)矩陣W、退火初始溫度T、退火系數(shù)k_t、滅活概率Pi、激活概率Pa、最大迭代次數(shù)maxGen；所述換能器權(quán)重系數(shù)矩陣W是三維矩陣，包含Pz個(gè)M×N的個(gè)體矩陣W_i；其中Pz表示預(yù)先設(shè)定的班級種群規(guī)模，M和N表示換能器稀疏面陣兩軸線方向的換能器數(shù)目，i代表班級種群個(gè)體序號(hào)i=1,2,……Pz；

定義與第i個(gè)個(gè)體矩陣Wi相對應(yīng)的系統(tǒng)能量函數(shù)E(Wi)，