[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

本發明公開了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：首先，基于十字型陣列，構建同時適用與近場和遠場的波束方向圖；然后，根據波束方向圖構建稀疏優化所需的能量函數；接下來，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進行稀疏優化，以增大稀疏優化的自由度，提高陣列的稀疏率；最后，經過上述優化后，獲得稀疏優化后的十字型陣列。本發明能夠保證三維成像聲納系統在任何距離都具備期望的性能，同時大大降低系統硬件復雜度。為實現較高性能，超低復雜度的三維成像聲納系統提供了有效方法。

技術領域

本發明涉及相控陣三維成像聲納技術領域，具體涉及一種基于十字型的三維成像聲納陣列的稀疏優化方法。

背景技術

采用平面陣列實現三維聲納成像具有觀測距離遠，分辨率高等特點。然而，平面陣列的使用，往往伴隨著大量的陣元數量，動輒成千上萬的換能器數量導致平面陣列三維聲學攝像聲納系統體積龐大、設備沉重、成本昂貴、功耗巨大。平面陣列三維聲學攝像聲納系統主要應用于大型船體或拖體上，能夠對環境相對簡單的水域進行有效探測。但是，對于某些復雜環境，則需要潛水員或小型的AUV通過小型化便攜式三維聲學攝像聲納系統靈活地進行探測，而針對此類應用，平面陣列三維聲學攝像聲納系統則難以勝任。

為了解決平面陣列陣元數量龐大的問題，研制小型化三維聲學攝像聲納系統，眾多國內外科學家從不同的角度提出了解決方案。其中，一大部分學者通過采用不等間距稀疏陣的方法，解決換能器數量龐大的問題，并提出了模擬退火算法、遺傳算法及粒子群優化算法等隨即稀疏算法，以獲得高稀疏率的平面接收陣列，但是通常得到的非等間距稀疏陣列仍然包含400左右的陣元數量，對于小型化便攜式三維聲納成像系統而言，陣元數量依然偏高。

另一部分學者通過發射陣列和接收陣列共同進行波束形成的方式，利用發射和接收波束形成在不同方向的波束指向性，消除發射和接收陣列中的冗余陣元，實現陣元數量的大幅度降低。其中典型的應用即十字型陣列，它是由兩條相互垂直的線型陣列構成，一條作為發射陣列，一條作為接收陣列，發射陣列向垂直方向依次發射扇形波束，接收陣列探測聲納回波，并在該扇形波束內進行水平方向的波束形成，通過發射和接收共同的波束形成，實現三維圖像的構建。

十字型陣列能夠使用M+N個陣元獲得與平面陣M×N陣元相同的波束性能(角度分辨率、旁瓣峰值等)。但是十字型陣列在陣元數量及在整個觀測場的性能均存在進一步優化的空間。

發明內容

本發明的目的提供了一種十字型的三維成像聲納陣列的稀疏優化方法，利用方法設計的十字型陣列，保證三維成像聲納系統在任何距離都具備期望的性能，同時大大降低系統硬件復雜度。為實現較高性能，超低復雜度的三維成像聲納系統提供了有效方法。

為實現上述發明目的，本發明提供以下技術方案：

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；