[發明專利]基于改進遺傳算法的三維成像聲納接收平面陣陣元稀疏優化方法

有效

• 申請號: 201610033074.4
• 申請日: 2016-01-19
• 公開（公告）號: CN105572658B
• 公開（公告）日: 2018-06-08
• 發明（設計）人: 陳飛虎;黃勇;王朋;黃海寧;趙興奮;陳蘇廣
• 申請（專利權）人: 蘇州桑泰海洋儀器研發有限責任公司
• 主分類號: G01S7/527
• 分類號: G01S7/527;G01S15/89;G06F17/50
• 代理公司: 蘇州市新蘇專利事務所有限公司 32221
• 代理人: 徐鳴

本發明公開了一種基于改進遺傳算法的三維成像聲納接收平面陣陣元稀疏優化方法包括下述步驟：1）將所述的問題轉化為染色體串，將三維成像聲納的平面陣陣元位置的開啟情況進行編碼；2）初始種群確定；3）三維成像聲納陣元稀疏的適應度函數確定；4）選擇確定；5）交叉確定；6）變異確定。本發明提出的陣元稀疏優化方法實現了在滿足波束方向圖的最大旁瓣值和陣元稀疏率的情況下需要開啟的最少陣元數目。

技術領域

本發明涉及平面陣三維成像聲納技術領域，特別涉及一種基于改進的遺傳算法的三維成像聲納接收平面陣陣元稀疏優化方法，即在滿足波束方向圖的最大旁瓣值和陣元稀疏率的情況下需要開啟的最少陣元數目。

背景技術

隨著近幾年海洋事業的快速發展，為了滿足水下地貌偵查、水下障礙物及目標探測、水下作戰、工程勘察及民用領域物體打撈等要求，高分辨三維成像聲納系統起到了至關重要的作用。該聲納系統發射的單頻脈沖信號遇到水下目標后得到的回波信號作用于接收平面陣上，但是，此時需要進行波束形成運算的回波數據量很大，在實際應用中能夠實現大規模的波束運算是很難的。同時，需要了解的是，波束形成運算量與接收平面陣陣元數存在一定的正比關系。另外，當接收平面陣具有較長的幾何尺寸時，三維成像聲納才能獲得較小的主瓣波束寬度，而且，當平面陣的陣元之間的距離小于或接近半波長時才能抑制柵瓣的出現，所以，高分辨三維成像聲納的平面陣所需的陣元數由幾千個甚至上萬個間距接近半波長的陣元組成，此時，系統硬件復雜度和成本開銷非常大。

接收平面陣上獲得的回波信號經過波束形成運算會隨著波束方向變化得到一個主瓣及若干個旁瓣峰值。主瓣峰值中最小值對應的角度為主瓣波束寬度，旁瓣峰值中最大值記為最大旁瓣峰值。為了提高三維成像效果，可以減小主瓣波束寬度及降低最大旁瓣峰值。

三維成像聲納接收平面陣的稀疏優化主要是將平面陣中的部分陣元進行關閉，通過波束形成計算得到波束圖。獲得成像聲納系統所要求的最大旁瓣峰值和最大主瓣波束寬度。系統中不工作的平面陣的陣元數與滿陣平面陣的陣元數目之比稱為稀疏率，稀疏率越高表明聲納系統中工作的平面陣陣元數越少。引入平面陣陣元優化技術可以使系統在保持原有波束圖特性的情況下，減少所需開啟的陣元數，大大降低三維成像聲納系統的硬件成本。

在稀疏優化過程中不考慮保留下來的換能器陣元的加權系數，所以對于均勻平面陣的陣元的稀疏化，等同于對滿陣元的陣元位置進行0、1編碼，表示陣元是否開啟狀態，這就與遺傳算法中的二進制編碼具有相似的對應關系，模型簡單，所以三維成像聲納的接收平面陣陣元稀疏采用改進遺傳算法。

遺傳算法是在達爾文的遺傳學說的機理基礎上，通過對自然進化過程的模擬而搜索到優化問題的最優解的方法。物種的個體狀態完全由基因控制，每個基因產生的個體對環境具有一定的適應性，父代是通過基因的雜交和基因變異完成子代的產生，子代表現出的新狀態通過自然的選擇，適應度高的個體則被保留下來。適應度較高的個體則以更高的機率充當父代以便產生新的子代。

遺傳算法將問題轉化成染色體，從而構成一個染色體串，然后再將這些染色體放在預設的環境中，根據環境的取向性，進行自然選擇，產生新的染色體，進而產生新的問題解。遺傳算法主要包括基因復制、交叉和變異幾個操作，如此反復下去，直到找到一個在某種度量下足夠優秀的個體，將其作為問題的解。

目前在對三維成像聲納接收平面陣的陣元進行稀疏優化而且能夠在實際系統中進行應用的研究方法尚處于起步研究階段，本發明則提供一種基于遺傳算法但能夠避免早熟的改進遺傳算法的三維成像聲納的平面陣陣元稀疏優化方法。

發明內容

本發明提供了一種基于改進遺傳算法的三維成像聲納接收平面陣的陣元稀疏優化方法，即在滿足波束方向圖的最大旁瓣值和陣元稀疏率的情況下需要開啟的最少陣元數目。

假設三維成像聲納的平面陣陣元數為M*N，從遺傳算法對陣元稀疏率、波束方向圖性能及迭代次數出發，本發明提供的基于改進遺傳算法的三維成像聲納接收平面陣陣元稀疏優化方法包括下述步驟：