[發明專利]一種基于十字型的三維成像聲納陣列的稀疏優化方法

有效

• 申請號: 201810613355.6
• 申請日: 2018-06-14
• 公開（公告）號: CN108828603B
• 公開（公告）日: 2019-12-10
• 發明（設計）人: 劉雪松;趙冬冬;陳耀武;周凡;蔣榮欣
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01S15/89
• 分類號: G01S15/89
• 代理公司: 33224 杭州天勤知識產權代理有限公司
• 代理人: 曹兆霞

1.一種十字型的三維成像聲納陣列的稀疏優化方法，包括以下步驟：

(1)基于十字型陣列，構建同時適用于近場和遠場的波束方向圖BP(W,u,v,δ,f_j)，該波束方向圖BP(W,u,v,δ,f_j)為：

其中，W是陣列的權重系數，包含垂直發射陣列的權重系數ω_n和水平接收陣列的權重系數ω_m；

f_j是垂直波束j方向的發射頻率；

x_m是水平接收陣列的第m個陣元位置；

y_n是垂直發射陣列的第n個陣元位置；

c是聲波在水中傳播的速度；

δ＝1/r-1/r₀；

r是目標距離；

r₀是波束聚焦距離；

u＝sinβ_a-sinθ_a；

v＝sinβ_e-sinθ_e；

β_a是水平的波達方向；

θ_a是水平的波束聚焦方向；

β_e是垂直的波達方向；

θ_e是垂直的波束聚焦方向；

當δ＝0時，BP為遠場波束方向圖；當δ≠0時，BP為近場波束方向圖；

(2)根據波束方向圖BP(W,u,v,δ,f_j)，構建陣列稀疏化過程中所需的能量函數E(W,A)，能量函數E(W,A)為：

其中，k₁，k₂和k₃為相對應項的權重系數；b_d是期望的波束圖旁瓣峰值；R_o是權重系數矩陣W中最大權重系數與最小權重系數的比值；R_d是期望的最大權重系數與最小權重系數的比值；u和v的取值范圍Ω對應于強度大于b_d的那部分旁瓣波束；δ_min和δ_max分別表示δ的最小值和最大值；δ_min和δ_max的計算公式為：

其中，λ_min是所有發射聲波中，最高頻所對應的波長；D是陣列孔徑；

(3)在模擬退火算法中引入陣元位置擾動，并利用增加陣元位置擾動的模擬退火算法對能量函數E(W,A)進行稀疏優化；

(4)經過步驟(3)優化后，獲得稀疏優化后的十字型陣列；

其中，所述在模擬退火算法中引入陣元位置擾動包括：

a.若選取的陣元權重系數不為0，即其處于開啟狀態，則將陣元權重系數以及當前陣元位置p_xy＝(x_m,y_n)進行緩存ω_temp；

b.關閉該陣元，更新陣元權重系數矩陣W和陣元數量A，并進行能量函數的計算；

c.當能量函數減小時，則接受該狀態，并選取下一個隨機陣元；

d.當能量函數增大時，再次開啟該陣元，權重系數在一定范圍內增加一個隨機的微擾，同時并給該陣元的原有位置p_xy增加一個擾動，

增加擾動的公式為：

其中，unifrnd(-0.1×λ_min,0.1×λ_min)是軟件MATLAB一個函數，表示在(-0.1×λ_min,0.1×λ_min)區間中生成一個隨機數。

2.如權利要求1所述的十字型的三維成像聲納陣列的稀疏優化方法，其特征在于，所述垂直波束j方向的發射頻率為205kHz～300kHz，步進為5kHz。

3.如權利要求1所述的十字型的三維成像聲納陣列的稀疏優化方法，其特征在于，在步驟(2)中，設定k₁＝10000，k₂＝20000，k₃＝1，b_d＝-22dB。